双碳和智能化背景下的选煤厂设计现状与展望

梁彦国

(普赛斯(北京)工程技术有限公司，北京 100021)

近年来全球煤炭需求下滑、产量下降，煤炭经济运行形势复杂多变，供需阶段性错位失衡矛盾突出。国家“十四五”规划，中国要实现“3060”目标，需要优化产业结构和能源结构。推动煤炭清洁高效利用，要进一步优化煤电发展方向，以控煤减碳、提高能效为目标，严控新增产能，选煤行业也进入了存量经济时代。我国的选煤厂设计从解放初期的白手起家，历尽七十多年的努力发展到今天，选煤厂总规模已跃居世界前列，大致经过了四个发展阶段，1949—1980年的起步阶段；1981—2000年的成长发展阶段；2001—2018年的成熟爆发阶段；2019至今甚至未来相当一段时间进入了精益求精的智能化阶段。面对国内外新形势以及国家新的能源需求，本文详细分析国内选煤厂设计的现状，并对选煤厂的未来发展趋势进行了预测展望。

1 选煤厂设计现状

1.1 选煤工艺

1.1.1 选煤方法

选煤厂设计的核心是选煤工艺，其合理性是保证选煤厂性能指标的关键，也决定了选煤厂效益的高低。我国地域广阔，煤炭资源丰富，煤种齐全，煤质变化较大，各种选煤方法跳汰、重介、浮选、干选等均有应用[1，2]。大型选煤厂块煤处理环节以重介浅槽为主，动筛跳汰应用较少，重介螺旋转鼓工艺也有应用；因重介质选煤方法以其高精度分选的优势逐步取代了传统的跳汰选煤方法，已成为应用最广泛的主导粒级选煤方法；粗煤泥大多采用干扰床、螺旋分选和煤泥重介工艺，其他如摇床、水力旋流器等因分选精度不高或现场使用效果不佳等原因，没有得到推广应用；细煤泥浮选主要用在炼焦煤和喷吹煤选煤厂，浮选主要采用浮选机和浮选柱(床)分选；跳汰工艺主要应用在一些私营的小型选煤厂，通常由一些生产选煤设备厂商和小型设计公司提供设计；风选技术主要应用在缺水地区的动力煤选煤厂或其他特殊要求的地区；射线风选技术近几年在大范围推广应用，主要在大块煤井下或地面除矸环节。磁选、电选、微波选、化学选、生物选等技术尚在研究试验阶段。

1.1.2 工艺环节

1)选前脱泥环节。根据分选悬浮液中非磁性物含量是否超过允许的限度来决定是否增设脱泥环节，动力煤若利用浅槽、有压重介旋流器排矸，则是在高密度条件下进行分选，悬浮液中非磁性物的允许含量较少，所以在分选前设置脱泥环节，提高分选精度，降低介质消耗。脱泥无压三产品重介旋流器和不脱泥无压三产品重介旋流器均有大量应用，但具体采用哪种方式，需要详细计算其工作悬浮液体积浓度、分流量等指标后再确定。粗煤泥分选机因设备本身分选粒度下限原因，也需要前置分级脱泥环节。细煤泥浮选时，如果其中高灰细泥含量较多，影响加药措施和浮选效果，同样也需要设置脱泥环节。

2)选后脱泥环节。主洗系统分选完成后，均需要通过脱介筛进行脱介、脱泥，保证产品的稳定性，并为后续煤泥水系统做好准备；粗煤泥经过分选后，精矿需要经过脱泥筛脱除高灰细泥后，再经过离心机脱水回收成为最终产品；浓缩分级环节多采用浓缩分级旋流器来实现；脱泥环节均采用湿法筛分措施，筛分机多选用振动筛、高频筛、叠层筛等。

1.2 选煤装备

我国选煤机械制造历经几十年的发展，总体水平得到了较大的提升[3，4]，比如旋流器、浮选机、浓缩机、离心机、压滤机、水泵等接近国际领先水平，但大型筛分机、破碎机等高端机械与国外先进技术相比仍存在差距。

1.2.1 筛分机

筛分机主要用在选煤厂煤的分级、脱水、脱介、脱泥环节[5]，其技术水平的高低和质量的优劣，决定了选煤厂整体的运行效果和经济效益。圆振动筛、直线振动筛、高频筛、驰张筛等在选煤厂应用较广，原煤大粒度分级环节采用圆振动筛；脱水、脱介、脱泥环节选用直线振动筛，大型选煤厂以使用引进技术国内组装产品为主，直线振动筛宽度已达4.9m；原煤深度筛分(-10mm)多用驰张筛，近几年滚轴筛以其筛分效率高、筛孔不易堵等优势在深度筛分环节逐步推广应用，滚轴筛实物如图1所示；叠层筛分级脱泥效果好，在粗煤泥回收环节也有大量应用。

图1 滚轴筛实物

1.2.2 分选设备

浅槽分选机是块煤分选设备，目前使用最大型号槽宽已达7.9m，额定处理能力为600～700t/h。两产品重介质旋流器直径达1600mm，额定处理能力为800～1000t/h；三产品重介质旋流器的直径达1500/1100mm，额定处理能力为500～600t/h[6]。跳汰机宽度达6m，额定处理能力为500～600t/h。在各类浮选设备中，搅拌式浮选机占主导地位[7]，在金属矿浮选领域，浮选机最大容积达到了200m3、目前已发展到300m3；在选煤领域，常用的有机械搅拌式和无机械搅拌式，其中国产浮选机单槽容积达90m3、浮选柱直径达5.5m。干扰床分选机[8]直径达3.6m；螺旋分选机直径为1.5m。实际应用ZM矿物分选机的处理能力达600t/h。

1.2.3 破碎机

选煤厂使用较多有双齿辊破碎机、分级破碎机、煤泥破碎机及掺混机等[9]。双齿辊破碎机用在煤的粗、中、细粒破碎环节；锤式破碎机因振动大、噪音高选用较少，但如果产品要求较细粒级时也会使用；为了便于将煤泥均匀掺混到精煤中一起销售，选煤厂设有煤泥破碎机和掺混机。目前，国产双齿辊破碎机辊轴直径可达1800mm，辊长4000mm。

1.2.4 脱水设备

末煤脱水的设备主要有卧式振动离心机和立式振动离心机，前者处理能力大，目前最大型号∅1650mm，额定处理能力可达380t/h；后者产品水分偏低，两者均有大量应用。

粗煤泥脱水的设备有煤泥卧式离心机和立式刮刀卸料离心机，两种离心机使用较多的型号为∅1000mm、∅1200mm。

细煤泥脱水的设备主要有加压过滤机、快开隔膜压滤机、沉降过滤式离心机[10]。沉降过滤式离心机主要用在原生煤泥、浮选精煤、浮选尾煤的脱水，处理量大，产品水分低易于掺混等优势，但其高耗能、对入料粒度要求严格等劣势限制其广泛应用，最大型号为∅1800mm×4000mm；加压过滤机以其滤饼水分低的优势应用较多，但因其能耗高，配套系统复杂、投资高等不足，近几年有被快开隔膜压滤机取代的趋势，常用的型号为GPJ-120；快开隔膜压滤机因其处理能力大、使用管理简单等优势得到广泛应用。

在快开隔膜压滤机的基础上，近几年又出现了处理浮选精煤的单室进料-空气穿流式压滤机[11]，过滤速度快，滤饼厚度均匀，产品水分低至15%，正在推广应用，目前使用最大型号为700m2；为了便于将细煤泥均匀掺混到混煤产品中，可使用处理煤泥的中、超高压压滤机，可将煤泥外水处理至15%～18%，目前单台最大处理能力可达25t/h。

1.2.5 非标设备

选煤厂各类运输设备本体没有大的技术改进，但在驱动装置方面改进较大，随着永磁电机材料和技术研发的突破，其结构简单、运行可靠、体积小，质量轻、损耗小、效率高都优势非常明显，已经在逐步推广应用；而小功率永磁同步电动滚筒取代了原来异步电机+减速机+滚筒的驱动模式，将电机置于滚筒内部，实现了机电一体化，其直接驱动输送带，无任何中间传动环节，提高了效率，降低了故障率，一体化布置，结构简单，传递更直接，力能特性好：输出转矩大，启动平稳，恒转矩控制占用空间小、节能降耗。目前由于价格较贵，永磁电机和永磁电动滚筒仅在一些国有大型选煤厂推广应用，随着其成本的降低，使用范围会越来越广。

1.3 选煤厂建、构筑物结构形式

1.3.1 储煤设施结构

目前国内选煤厂设计中储煤设施主要有仓储和棚储，根据容量要求和储存煤炭性质可采用圆筒仓、方仓以及槽仓等。圆筒仓以其储量大、结构受力好、施工快捷等优势占据主流，绝大多数均采用钢筋混凝土结构形式。块煤产品为了防止摔碎而多采用小直径圆筒仓或方仓储存。仓储形式环保，装车外运煤炭运营成本低，但其基建成本较高；与之相比，储煤棚基建成本低，但运营成本偏高，煤棚底部挡土墙采用钢筋混凝土结构、煤棚采用钢结构+彩板围护形式为主，近几年充气膜和骨架膜结构在选煤厂也有应用，其中钢结构根据煤棚跨度、经济性等因素可采用球形网架、门式钢架、管桁架等形式。

1.3.2 车间结构

原煤准备车间采用钢筋混凝土结构居多，少量采用钢框架结构；浓缩池采用钢筋混凝土结构，上部为钢结构+彩板围护形式，部分小直径浓缩池也有采用全钢结构形式；主厂房的结构形式较多，有钢筋混凝土框架结构、钢框架结构、钢结构模块以及上述几种结构相结合的形式。20世纪末引进的澳大利亚全钢模块式装配结构曾短暂流行，但因其后期维护成本高、设备检修更换不便、改造难度大等缺点，近些年已较少采用，厂房内楼面采用混凝土材料便于维护管理。

1.4 选煤厂产品装车形式

大型国有选煤厂产品是以铁路外运为主，汽运为辅。厂区内设置有铁路专用线，采用火车快速定量装车站，实现产品的快速定量装车销售。

汽车装车外运形式各异，根据具体条件，一是可直接采用装载机装车外运，该形式基建成本低，运营费用高；二是通过带式输送机装车外运，该形式运行效率较低；三是通过缓存仓下闸门或给料机装车外运，此模式可实现定量装车；四是采用汽车快速定量装车站形式，该形式基建成本高，但后期运行快捷方便。近几年许多技术型企业在探索无人定量智能装车技术。

1.5 选煤厂自动化及生产管理水平

我国选煤厂自动化技术发展迅速，近二十年来，PLC已成为选煤厂自控系统的基本电控装置，也有部分选煤厂采用DCS。集控室的功能已经不限于生产过程集中控制的作用，它更多的要具备数据信息处理功能，肩负着生产管理职能。

国内选煤厂装备配置、自动化水平高低不一，导致其管理水平参差不齐。部分私营小选煤厂仍停留初级水平，所有工作全部靠人力来完成。而先进的自动化程度高的选煤厂，集控室一键启停车，现场用于监控的仪器仪表配置齐全，在集控室均可监控，生产岗位采用巡视制度，管理信息软件化。

1.6 选煤厂数字化、智能化水平

近几年，随着大数据、物联网、人工智能等技术的应用，部分国有选煤厂做了一些数字化、智能化方面的升级尝试[12]。神东上湾选煤厂进行多方面尝试工作，增设了智能分选、加药、加介控制系统、铁器自动识别、智能照明、信息化停送电、智能手机及其推送、设备在线监控等系统，该厂实现生产效率提高了5%，设备每天减少1h运行时间，节电10%，减少岗位人员21人。

目前我国选煤厂智能化建设还处在起步阶段，大部分出发点仍是解决实际生产中的难点痛点，建设内容务实，多集中在自动化系统升级、选煤厂数字化、信息化等，与真正的智能化距离较远。

2 选煤厂未来发展趋势

2.1 选煤厂精细化改造

2.1.1 动力煤选煤厂增设末煤系统

随着矿井开采煤质的变化以及国家政策的要求，动力煤选煤厂也逐步推进全入选工艺[13，14]。目前，大部分动力选煤厂已经建设完成了块煤洗选系统，后期会逐步开展末煤系统建设的步伐。各厂根据自身的煤质条件和产品质量要求，选择增设“深度脱粉+末煤洗选”系统或末煤全洗选系统。末煤洗选系统以重介旋流器洗选工艺为主。

2.1.2炼焦煤选煤厂增设三产品工艺环节

选煤厂要实现效益最大化，就必须精细化每一个生产环节，三产品工艺不只局限于主粒级煤，在生产低灰精煤的炼焦煤厂针对粗煤泥和细煤泥工艺尤为如此。未来根据需要增加粗煤泥主再选工艺和浮选粗精选工艺，精矿作为主要产品销售，中间产品作为电煤销售，尾矿排弃或另作他用。粗煤泥三产品分选工艺有“螺旋+干扰床”、三产品干扰床、“干扰床+螺旋分选机”等工艺；细煤泥三产品浮选工艺有单台浮选机三段、两台浮选机串联、“浮选机+浮选柱”、两台浮选柱串联等工艺。

2.1.3 选煤厂无泥化改造

随着国家环保政策愈加严格，选煤厂产生的煤泥处置问题凸显。因其水分高、发热量低，用途有限，在储存、运输及使用环节均存在难以解决的问题。

近年来超高压压滤机在煤炭行业的推广，使得选煤厂无泥化成为可能。常压板框压滤机大多选用聚丙烯原料作为滤板，能够承受的压力小，而超高压压滤机为了满足超高压强的要求，机身及滤板悉数选用合金钢原料。目前市场上设备压榨原理有采用自压榨和水压榨方式。水压榨流程如图2所示。

图2 超高压压滤机水压榨流程

超高压压滤机可将煤泥外在水分控制在18%以内，使其无需通过干燥系统即可掺入混煤产品中销售，其经济、社会效益非常明显，选煤厂势必会迎来一波无泥化改造浪潮。

2.2 BIM在选煤厂设计中推广应用

2020年08月28日，九部门联合印发《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》提出：大力推广建筑信息模型(BIM)技术，加快推进BIM技术在新型建筑工业化全寿命期的一体化集成应用，提高建筑行业全产业链资源配置效率。

选煤厂智能化建设也将促进BIM在选煤厂设计中应用，如图3所示。BIM要求各专业在同一个平台下协同设计，既提高了设计效率和质量，也能将设计成品进行数字化交付，并可指导项目后期的建设和运营，真正实现设计、采购、生产、建造、交付、运行维护等阶段的信息互联互通和交互共享。

图3 选煤厂三维设计

2.3 选煤装备发展

2.3.1 加强理论基础和核心技术研究

装备制造企业应在理论基础研究方面加大投入，改变以往拿来主义，片面强调实际应用、创新度低的现象。应研究选材、结构、工艺等细节，提升产品的可靠性和使用效果[15]。我国的选煤装备研发一般实行“引进—学习消化—吸收利用—创新改进”的模式，若在世界范围内占有一席之地，必须对产品进行技术创新，掌握核心关键技术。选煤厂关键设备如振动筛、离心机等，其核心技术仍由国外掌握，尽管近年来国内有许多厂商实现了独立制造，但没有掌握其核心原理，无法实现产品的更新换代。

2.3.2 选煤装备智能化

在工业智能化的大背景下，选煤装备企业应在其智能监控、日常维护、维修更换等环节多下功夫，开发与其产品配套的智能化工具，比如开发设备的全生命周期、设备智能监控预警等系统。在设备的关键部件、易损件、需维护部位等位置增装相应的传感装备，实现对设备的实时监测监控。

2.4 选煤厂无人化

将选煤厂变成无人化黑匣子工厂，是选煤人的未来愿景。但这是个循序渐进的过程，选煤厂的自动化、数字化、智能化是必经之路。在推进智能化建设的过程中，要奉行“统一规划、分步实施、重点突破、务求实效”的原则，先行实施一些成熟的系统，试行一些急需替代人的机器或技术，逐步实现采用高端顶级装备取消机修工人、巡检机器人取消巡检工人；高度自动化替代人工普通操作，用智能化替代人工智慧决策。

3 结 语

选煤行业进入了存量经济时代，新建工程微乎其微，选煤人应该在现有的产能上精耕细作、精益求精，将选煤厂向智能化、绿色化、无人化方向发展。我国选煤厂正式进入了精益求精的智能化阶段。我国选煤厂的数字化、智能化水平处于初级阶段，现阶段应视技术发展情况循序渐进地推进智能化进程。装备制造企业应在理论基础研究方面加大投入，研究选材、结构、工艺等细节，提升产品的可靠性和使用效果。设计公司要大力推进BIM技术在选煤厂行业的应用，推行超高压压滤机在选煤行业的应用，使选煤厂逐渐实现无泥化。