新形势下煤炭洗选加工现状与发展趋势

张润泽

(滨海金地矿业工程技术(北京)有限公司，北京 100027)

我国单位GDP能耗是世界平均水平的1.4～1.5倍，若能达到世界平均水平，每年必须少用13 亿t标准煤，减排34 亿t二氧化碳，约占2020年碳排放总量的1/3[1]。结合“双碳”战略，在未明确提出“3060”目标前，经济效益最大化、降低生产成本是行业发展的主要思考点；在提出“3060”战略后，煤炭行业思考的方向已经转向了是否有排污权、用能权、用水权、碳排放权等，同时在新建、改造或生产过程中优先考虑低碳节能技术、经济效益和投资回收期等主要问题。在双碳战略下，顺应低碳节能发展趋势，选煤行业通过增加煤炭入洗率提高质量；采用智能化、信息化等新技术做到节能、减排、降耗；保留优质产能、淘汰落后的洗选加工方式已经成为行业发展的必然趋势。

1 煤炭的战略地位

2025年前后煤炭消费实现达峰，预计消费将达到42亿t/a[2]；2060年煤炭在能源消费结构中占比从57%下降至7%(详细数据如表1所示)，消费量下降至约3～5亿t/a[3]。保留的煤炭消费主要是化工行业和能源应急响应的用煤需求。基于世界能源格局、我国资源禀赋现状以及现实的经济社会需求，未来20年煤炭在我国能源结构中仍然占有较高的比重，是国家能源安全的重要保障。

表1 煤炭在一次能源中的消费比例 %

2 选煤行业的现状

20世纪50年代，中国选煤行业处于发展初期，跳汰选煤是主流分选工艺。20世纪90年代，中国选煤行业进入快速发展时期，国外先进技术、设备的引进和国内重介分选设备的开发促进了选煤技术设备的发展，推动了行业的进步，重介选煤替代跳汰选煤成为主流工艺。中国选煤工艺呈现国产化、大型化趋势，逐渐达到国际先进水平[4]。

2.1 湿法选煤的发展趋势

随着煤炭清洁化利用，重介质分选顺应低碳发展趋势，逐年提升入洗率提高煤炭质量。2005—2016年，我国原煤的入选量从7.0亿t增长至25.1亿t(详细数据如表2所示)，到2016年煤炭的入洗率达到65%[5]。“十三五”期间，煤炭入洗率进一步提升，2020年我国原煤入洗能力达到32亿t以上，原煤入洗率达到75%。在此基础上，“十四五”规划，继续提升入洗率达至90%。

表2 我国原煤入选量及入选比例

2.2 湿法分选存在的问题

根据我国煤炭分布和煤自身禀赋的特点，湿法分选虽然是我国煤炭洗选加工的主流工艺方法，但在一定程度上也存在较大的局限性。

(1)我国煤炭分布不均衡，70%以上分布在干旱缺水的西部地区[6]。采用耗水量较大的湿法分选，对于水资源短缺的地方相当困难，就重介质选煤而言，入洗1 t原煤耗水量约0.03 m3。

(2)低阶煤自身遇水易泥化。采用湿法分选后，煤泥水中大量的细煤泥及矸石泥造成系统处理负荷增加，煤泥水处理困难。

(3)在北方严寒的冬季，细煤泥经压滤设备处理后，动力煤选煤厂一般都是掺入混煤发运，易造成混煤煤质水分偏大或者粘度增加，火车装运的重车因煤质水分大、长时间运行、极寒天气等综合因素经常造成冻车或者卸煤堵料影响一体化运行的情况发生。

除此之外，在实际生产过程中，介质循环虽然是采用耐磨管道输送，但是系统经常会出现“跑、冒、滴、漏”的现象，管道和主要设备的磨损一直是生产现场需要解决的问题。既消耗人力资源，也增加设备维护、更换的成本。随着煤炭加工向“保质”、“保量”双向并重的清洁发展，湿法分选中入洗率提升，介质消耗越来越大。细煤泥中的高灰细粒煤占比增加一方面造成沉降困难，另一方面采用加压过虑机或者板框压滤机处理效果不佳，导致煤泥难以排出系统，造成浓缩池压力增加，同时药剂消耗增大。

3 干选技术的发展及突破

干法选煤技术的发展已经有40多年，通过创新和技术进步，解决发展过程中遇到的分选精度低、物料识别准确度差、稳定性和适应性弱等问题，实现创优创效，解决湿法选煤所产生的技术及成本问题。

3.1 干选技术的发展

20世纪80、90年代进入探索研究阶段，主要是空气重介和复合式干选机的技术研究[7]；21世纪初进入技术攻关阶段，主要解决干法选煤理论、技术与工程化的难题，提高干法选煤的精度、效率、可靠性和适应性。近十年来，随着智能化发展和算法的成熟，干法选煤进入快速发展阶段。选煤行业掀起了新一轮技术创新浪潮，涌现出大型复合式干法分选机、模块式高效干法选煤工艺、新一代干法重介质流化床分选机、光电(智能)干选机等一系列干选设备。

利用射线分选技术的智能干选机秉承干选技术不用水、不用介质、系统简单的特点，率先建立分选精度高、喷吹精度准、设备体积小、生产成本低、投资运行省的优势，响应当下煤炭行业节能、减排、降耗等政策号召，在国内选煤厂和煤矿井下快速推广应用。

3.2 智能干选机的技术突破

(1)实现300～80 mm大块、80～25 mm中块物料分选。在智能干选机逐渐成熟并走向工业现场的过程中，主要解决的就是识别准确度、喷吹精度和处理能力的技术问题。

智能干选机采用前沿大数据分析、人工智能和图像识别技术实现了对煤和矸石的识别，并运用深度学习技术实现系统的自主学习，系统自动调优迭代，提高识别的准确度。采用有限元分析与流体力学耦合分析技术提高了喷吹精确度。采用多级布料、多级加速，解决物料在布料器上粘连叠压的问题，提升处理能力。

(2)实现25～6 mm分选。实际生产中，细粒煤处理一直是干选的难题，原煤在风力、激振力和重力3个力场的作用下，将产生流化现象，不同密度、粒度原煤流态化所需要的力场不同。通过智能梯度流态化高精度末煤分选的技术，构建系统的多相、多组分、多尺度的流态化分选理论体系，将煤流分为不同的梯度，赋予各梯度不同的力场，使不同密度、粒度的原煤在各梯度呈现不同的流化状态，实现原煤彻底按密度分层，再将各层精准切分出来，实现25～6 mm精确分选的目的。

结合弛张筛6 mm以下脱粉工艺，干法选煤工艺系统为300～25 mm大、中块分选，25～6 mm末煤分选。图1为干选工艺流程。

图1 干选工艺流程

4 干法选煤的应用与前景

干法选煤技术在实现全粒级分选和结合智能化发展的基础上，逐步走向成熟。新形势下，干选技术应该在规范技术标准、建设规模化系统、配套井下矸石充填以及清洁高效利用煤炭资源等领域实现技术突破和工业应用。

4.1 提高煤炭适应性和分选精度

针对原煤不同的粒度组成，水分、灰分的变化，特别是出现矿井煤源是多个工作面配采、地质结构较复杂等导致原煤质量波动较大的生产情况，提高煤炭干选技术的适应性，制定煤炭干法分选可行性评价方法；对比领先领域的技术特征，提高物料识别和分析智能化程度，做到煤中有机质与矿物质的精准分离、有机显微组分的高效富集，实现高效精准的分选。

4.2 推进选煤厂大型化、标准化、智能化发展

保留优质产能、淘汰落后的洗选加工方式实现创优，实现大型化、标准化、智能化选煤厂发展是进步的趋势[8]。提高干法分选能力，开发处理能力大、适应性强的干选设备，完善千万吨级大型干法选煤厂配套装备；建立规范的工艺系统设计体系，发挥设备高度模块化和可移动性的优势，节省建设周期和维护费用，实现设备制造、选煤厂设计、建设和生产管理标准化；结合智能化发展趋势，将物联网、大数据、云平台等“互联网+”技术融入干法选煤全过程，完善智能感知、智能控制、智能管理、智能决策的建设体系，加强系统性建设。

4.3 实现井下干法排矸充填技术

近年来煤炭行业提出了“采选充一体化”的新生产模式，即井下采煤、井下煤矸分选、选后矸石充填井下采空区三部分形成循环闭合开采体系。对比湿法分选，干选应充分发挥系统设备数量少、稳定可靠、宽度窄、体积小、智能程度高等特点，实现井下远程集控、无人值守的智能化技术的应用，切实践行煤炭原位干法分选，矸石不升井，减少环境污染，降低运输和洗选成本等友好发展理念。

4.4 开发提质增效配套技术

目前，干法选煤技术还主要是应用在煤矸分离过程中，下一步应研究降水、降灰等低能耗、高效率的干法提质技术，实现全系统干法分选与提质增效的一体化生产，提高分选加工质量，满足不同用户的要求；同时，需开发粉煤灰、煤泥、煤矸石等的干法分选技术，实现其资源化利用和固体废弃物零排放，为煤炭清洁、高效利用提供合理、有效的途径。

5 煤炭洗选加工未来发展方向

5.1 洗选工艺装备的多样化

在双碳目标下，更加突显出煤炭洗选加工的重要性。未来煤炭洗选加工存在以下几种可能的发展趋势：① 为了降低环境的影响，煤炭洗选加工的部分工艺或全部工艺放到井下，实现矸石的部分或全部不升井；② 干法分选与传统湿法分选的有机结合，充分发挥各自的优势，达到洗选过程的节能、减排；③ 分选装备的多样性发展，既能满足地面煤炭分选的需要，也要满足井下煤炭分选的条件。

5.2 智能化贯穿分选全过程

智能化选煤是指通过智能化技术在选煤过程的应用，生产运行逐步做到少人或无人干预，最终达到选煤厂安全、高效、节能、环保的生产目标。

智能化建设在选煤过程中的技术路线：① 通过智能传感、大数据技术的感知和认知，认定选煤全流程的运行状态是否正常；② 在认定结果的基础上，利用人工智能技术，实现选煤流程智能运维和操作优化；③ 结合虚拟技术，实现虚拟选煤厂的设计与实体选煤厂信息、物理系统的完美映射与深度融合，促进实体选煤厂生产优化升级；④ 联动采、选、运全产业链过程，推送、共享过程信息，应用智能协同技术，减少中间环节，精准控制生产经济指标；⑤ 配套全方位、全流程的工业软件平台，为做好生产过程监测监控、数据分析、智能管理等功能提供标准、统一的载体和接口[9-11]。

智能化实施步骤可能分为以下三个方面：

(1)单机设备的智能化。分选设备的智能化包括各个结构参数和操作参数的实时获取，大数据分析，智能算法学习决策，同时实现设备各参数之间的高效协同，共同实现对单台分选设备的智能化决策和调控。

(2)系统全局的智能化。分选工艺系统中，各个设备之间存在着很强的耦合关系。为了实现系统整个流程的能耗、污染物排放优化，必须同时实现各设备之间的协调。建议首先根据工业流程机理计算，确定流程的最佳参数范围和限制条件，结合智能非线性系统优化算法，寻求全局优化解，进而确定工艺流程系统各个环节的最佳参数。系统的全局优化是建立在大数据分析的基础上，并且可以实现对系统的实时分析，目前在化工领域已经开展应用，取得了较好的节能降耗效果。

(3)全过程生产智能指挥。在传统的集中控制、集中调度、集中协调汇报的工业自动化生产指挥模式下，引入生产、煤质、机电、经营等精细化管理理念，利用互联网、物联网、大数据等技术，以可移动、可穿戴等终端设备为载体，构建“大生产管理”体系。促进机器与机器，人与人，人与机器之间的交流互通，实现跨区域、跨时间、跨业务的信息互联，达到提高生产指挥效率、提升故障处理反应速度、减少中间层级传递环节、降低生产运行指标消耗等管理目标，切实做到企业的信息化管理及生产全过程管理智能化监管，实现移动化、可视化以及有序化的运行管理。

6 结 语

双碳目标下，煤炭洗选加工更为重要。传统的煤炭洗选加工工艺及方法虽然实现了原煤75%的入洗，但也存在一系列的问题。干法分选技术的快速发展取得了丰硕的成果，并进行了规模推广应用。煤炭的洗选工艺装备的多样化是未来煤炭洗选加工行业的趋势之一，干法分选与传统湿法分选的有机结合，能够充分发挥各自的优势，达到洗选过程的节能、减排。依托选煤大数据与专家知识库，形成整体感知、实时监测、数据共享、综合分析、独立学习、动态预测、协同控制的智能系统，是煤炭洗选加工过程控制的发展方向，生产运行逐步做到少人或无人干预，最终达到选煤厂安全、高效、节能、环保的生产目标。