煤炭干法分选技术应用与展望

陈建强，常 博，刘昆轮，周恩会，段晨龙

(1.国家能源集团 新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室(中国矿业大学)；3.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

1 国内选煤现状与机遇

我国是世界第一煤炭生产和消费大国，2020年我国煤炭产量39 亿t(其中动力煤31 亿t)，在一次能源结构中的比例为57.5%左右，预计到2025年煤炭产能将达到峰值41 亿t。煤炭分选排矸是降低煤炭燃烧时导致的环境污染的重要手段，我国原煤的入选比例从2015年的65%提高到了2020年的74.1%，“十四五”规划中提出，2025年我国原煤入选率将提高至85%。所以总体来说，我国富煤少油，在一定时期煤炭将在能源结构中占主导地位，目前原煤入选率低，仍有较大的提升空间[1，2]。2016年党中央、国务院批准设立了科技创新2030—“煤炭清洁高效利用”重大项目，目标是突破煤炭清洁高效利用全产业链的瓶颈技术，占领世界煤炭科技制高点，实现煤炭清洁高效利用，推进能源生产和消费革命，为建设科技强国做出贡献，为“两个一百年”奋斗目标提供清洁能源。

另一方面，2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上表示，中国将力争于2030年前达到碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和。在此背景下，预计2025年，中国发电结构中，煤炭占比将从67%下降至49%；改变能源结构将从能源应用上直接降低碳排放量。但由于受到储能技术及非化石能源产能的限制，改变能源供给结构还需要科学技术的进一步发展。同时，很多行业单位能耗与发达国家相比还比较高，所以研发并利用新技术进行节能并减少CO2排放量还有很大的空间[3，4]。在上述背景下，煤炭分选行业在碳达峰与碳中和政策下应积极做出自己的贡献，加速研发及应用节能减排技术，通过提高煤炭入选率同时淘汰落后的产能，保证煤炭供给质量，提高能源的利用效率，为实现碳达峰、碳中和目标提供煤炭分选行业的智慧和贡献。

从煤炭分选方法上看，经过多年的发展，湿法分选技术非常成熟，且由于其精度优势，目前在分选加工领域占据主导地位。我国煤炭2/3分布在西北地区，由于西北地区水资源缺乏，煤炭资源与水资源地理位置上的不匹配严重制约着湿法分选的发展。湿法选煤依赖水资源，存在能耗高、生产成本高、消耗大量水资源的缺点，同时会产生约10%左右的煤泥副产品，存在环境污染隐患。近年来，随着智能光电、复合式(ZM)分选机、干法重介质流化床等干法选煤技术的快速发展与突破，干选技术分选精度得到了大幅提升，得到大规模推广应用，弥补了湿法选煤的不足[5，6]。为进一步了解干法选煤发展的现状，推动干法分选技术的高效发展，笔者详细梳理了干法分选技术的研究进展，为煤炭行业及选煤领域从业者提供借鉴。

2 干法分选技术的研发及应用现状

干法选煤技术主要是利用煤与矸石物理性质(密度、粒度、光泽、磁性、导电性、射线吸收等)的差异实现分选，分选过程不用水，无煤泥水处理系统，生产成本低。近年来，我国干法选煤技术取得重要突破，在动力煤与炼焦煤分选中发挥了重要作用。目前，干法选煤应用比较成熟的主要有智能光电分选、复合式干法分选、干法重介质流化床、风力跳汰、风力摇床等技术。

2.1 智能光电分选技术

近年来，智能光电分选技术已成为国内外的研究热点之一，主要分为X射线、γ射线以及色差智能识别。目前，智能干法分选机主要利用煤和矸石对X射线、γ射线的吸收和散射程度不同，探测器卡接收到的射线量也有所差异，形成具有黑白对比度不同的影像，实现对煤和矸石的识别与分选，其分选过程示意图如图1所示。近年来，智能干法分选机对块煤的分选精度较高，可简化工艺流程，减少人力投入。天津美腾科技有股份限公司研发的TDS智能干选机适用于10～500 mm粒级的煤炭分选，分选精度与水洗跳汰相当，煤中带矸小于3%，矸中带煤小于3%；具有自动化程度高、系统简单、投资少、建设周期短、运行成本低等优势[7-10]。

图1 智能光电分选技术分选过程示意

2.2 复合式干法分选机

复合式干法分选机是由煤炭科学研究总院唐山研究院率先研发，在此基础上，唐山神州机械有限公司经过多年的自主创新，实现了复合式分选机的高精度分选，相继开发了FGX系列复合式干法分选机、ZM系列矿物高效分离机等。近年来，唐山神州机械有限公司与中国矿业大学产学研联合创新，研制了大型复合式干法分选机，处理能力达到480～600 t/h，数量效率大于90%，实现了煤炭大规模干法分选提质，主要应用于块煤、末煤的干法分选。

复合式干法分选机的分选系统主要包括分选床面(布风板、格条、背板、振动装置、风室、溢流堰等)、供风装置、除尘净化装置等。分选过程中，在气流和振动的复合激励下，入选原煤在分选机的床面上作螺旋翻转运动，受到振动离析作用、气流曳力作用、自生介质、浮力效应等综合作用，精煤和矸石按照密度进行分离[11-14]，如图2所示。近年来，学者针对复合式干法分选技术的分选特性开展了大量的研究，研究了颗粒在床层中的运动行为以及密度分布的特性，考察了入料粒级、操作条件、床体结构对煤炭分选效率的影响，分析了煤炭运动与床面结构的交互作用，为分选机的研制提供了理论依据。

图2 复合式干法分选机结构示意

2.3 干法重介质流化床分选机

干法重介质流化床分选技术以宽粒级的磁铁矿粉和煤粉作为混合加重质，压缩空气经气体分布器均匀布风后进入到颗粒层中，加重质颗粒在上升气流的曳力作用下形成具有似流体性质的流化床层。通过控制磁铁矿粉和煤粉的粒度组成，保证不同密度和粒度的两种加重质在分选流化床中不发生粒度和密度的离析现象，通过控制煤粉的含量，控制流化床层的密度，进而控制分选密度。入选原煤在具有一定密度的流化床层中按密度进行分层，密度较低的精煤产品浮于床层表面，密度较大的矸石沉积于床层底部，分别通过拨煤轮和刮板输送机排出机外，脱介后形成精煤与矸石产品。分选过程如图3所示。

图3 干法重介质流化床分选机结构示意

中国矿业大学从事煤炭干法流态化分选理论、技术与装备研究近40 a，在国际上首次创立了系统的气固流态化干法分选理论，开发了干法重介质流化床分选关键技术；与唐山神州机械有限公司产学研合作，开发了世界上首套模块式高效干法选煤工艺系统，实现了对100～6 mm煤炭的高效干法分选，可能偏差Ep值为0.05～0.08 g/cm3，在国内外首次实现了煤炭高精度干法分选[15-17]。中国流态化干法选煤技术的快速发展与突破使其再次成为国际研究热点，美国、日本、加拿大等国长期跟踪中国矿业大学的研究，国外目前仍处于实验室或中试阶段。

2.4 风力跳汰分选机

风力跳汰分选技术以压缩空气作为分选介质，依靠煤炭和矸石沉降末速的差异，利用周期性脉动气流强化煤炭和矸石的分离。在实际分选过程中，原煤以均匀的速度给入跳汰分选机，筛板下部给入一定频率的脉动气流，气流给入阶段，精煤与矸石按照沉降末速的差异产生分层；气流关闭阶段，床层逐渐恢复至紧密压缩状态时继续进行分层，通过排料装置将煤炭与矸石分别排出，实现煤炭的有效分选，如图4所示。近年来，空气跳汰分选技术在工业放大及应用上取得进展。由于分选机理简单，投入成本低，Weinstein和Snoby报道了利用空气跳汰开展的工业分选试验的研究，在美国建立了工业规模的风力跳汰分选系统，处理量可达50～120 t/h。采用新型的风力跳汰机对美国、巴西、土耳其、印度等国家大于6 mm粒级煤炭进行了分选试验研究，分选后的灰分降低约10%，硫分降低1%[18-19]。

图4 风力跳汰分选机结构示意

2.5 风力摇床

风力摇床分选技术主要由振动装置和倾斜的金属网面组成，通过调节振动装置参数，实现金属网面的横向振动。分选过程中，待分选的原煤给入分选床面，床层底部给入一定的气流，促使煤炭颗粒松散，由于矸石和精煤在空气作用下沉降末速的差异，颗粒可以实现初步分层。另一方面，空气摇床气速应小于颗粒的最小流化速度，使颗粒间存在一定的相互作用力，避免颗粒只依靠沉降末速差异进行分选。给入一定的振动能量，提高颗粒分布的均匀性，提高颗粒与气体的接触效率。由于密度的不同，横向振动能量给入后，入料颗粒受到的摩擦阻力存在差异，颗粒的运动轨迹存在差异，实现了精煤和矸石的有效分离，如图5所示。近10 a来，风力摇床对块煤干法分选的研究相对较少，研究工作主要集中在土耳其学者Kademli M等人对大于6 mm粒级褐煤分选的研究。分选结果显示，风力摇床最适宜的分选煤炭粒度范围为6～38 mm，分选Ep值约为0.13～0.23 g/cm3，分选效率与风力跳汰的结果相似[20-21]。

图5 风力摇床分选机结构示意

3 干法分选技术发展方向

通过前文的应用分析，未来干法选煤有很大的发展空间，按照平均每台干选设备处理能力0.7 Mt/a计算，到2025年预计产能41 亿t，入选率85%，相较于2020年39 亿t产能，入选率74.1%，新增入选产能6 亿t，适合干法分选的大于6 mm粒级按占比70%计算，总计新增产能需求4.2 亿t，干选设备占有率按70%计算，增量市场空间为420台。同时，现阶段动力煤入选约21 亿t，大于6 mm粒级占比70%，未来20 a设备更新换代，拟按70%生产系统替换为干选设备，存量产能市场空间为1 460台左右，平均每年替换73台。到2025年考虑存量市场及增量市场，平均每年需求量约为157台。2026—2030年煤炭产能预计维持41 亿t不变，入选率由85%提高至90%，新增入选产能2.05 亿t，同样计算方式，增量市场空间为143台，考虑存量市场的设备更新换代，2026—2030年平均每年增量存量市场需求总量约为101台。可以看出，若实现上述目标，干法分选技术仍然有很多的工作需要完善，具体可以从以下几个方面进行总结。

3.1 大力发展细粒煤干法高效分选技术

当前煤炭干法分选研究方向主要有基于煤有机组分与无机矿物密度差异的重力分选和基于有机组分与无机矿物能量吸收效率差异的射线分选，两种研究思路在实践上均存在局限性：随着粒度降低，细颗粒沉降速度受粒度影响权重增加，在空气介质重力场中不同密度细颗粒在有限时间与空间内无法完成分离，在气固浓相介质中受床层紊流干扰无法按密度离析，在射线分选技术识别与排料过程中精度与速度有限。细粒煤高效分选难题导致干法分选入料下限高，无法实现全粒级分选，限制了煤炭干法分选提质效率与规模的拓展，严重阻碍了我国干旱缺水地区与易泥化煤炭的大规模洁净化分选提质。智能光电分选、复合式干法分选与干法重介质流化床对粗粒煤的干法分选效果显著，在此基础上研究光电分选技术的细粒煤布料效果、识别精度与排料速度，强化气流—振动复合力场的能量输配，提出新型微细粒多元加重质与床层密度调控方案，是解决细粒煤高效分选技术瓶颈、实现煤炭大规模高效全粒级入选的有效途径。

3.2 推进干选智能化系统建设

智能化、数字化是煤炭行业发展的趋势。传统煤炭分选技术实现了机械化与自动化，但仍需要操作人员根据现场情况实时调整工艺与操作参数，智能化程度低，耗费大量人力。干法分选设备在提升分选性能的同时应重点提升智能化水平，这需要在选后产品指标自动在线识别、分选状态在线监测、分选模型自主优化、关键参数在线调节等方面深度创新，实现“无人化智能干选系统”目标，节省人力成本，提高生产效率，减少安全隐患。

3.3 优化辅助系统

干选工艺的广泛应用，必然会增加现场除尘及降噪需求，因此干选设备发展过程中应该注重除尘及降噪的同步研究，进一步提升选煤厂现场的工作环境，提升工人的幸福指数。同时，细粒煤精细干法筛分问题也是干法处理细粒级煤炭分选的重要前置条件，深度脱粉是提高细粒级煤炭干法分选精度的关键。

4 结 语

煤炭是世界上最主要的化石能源之一，对推动世界经济发展发挥着至关重要的作用。作为煤炭产业的重要组成部分，煤炭的分选加工是实现煤炭清洁利用的源头技术。本文详细梳理了国内外煤炭干法分选技术，介绍了智能光电、复合式干法分选机、干法重介质流化床、风力跳汰、风力摇床五种干选技术的工作原理、技术性能、研究进展和工业推广情况，探讨了干法分选技术的发展瓶颈，对煤炭干法分选技术发展的趋势进行了展望，指出了未来干法分选的研究重点可以从“大力发展干法精准分选技术、推进干选智能化系统建设、优化辅助系统”入手，为提高我国低品质煤炭提质加工利用发挥重要作用。