内蒙古地区易泥化动力煤干选工艺发展趋势研究

李小龙，夏云凯

(1.内蒙古自治区鄂尔多斯市煤炭管理局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.唐山市神州机械有限公司，河北 唐山 063001；3.河北省煤炭干法加工装备工程技术研究中心，河北 唐山 063001)

1 内蒙古地区煤炭资源简介

内蒙古煤炭资源丰富，除了乌海卓资山地区有炼焦煤分布外，煤种多以低变质的褐煤、不粘煤和长焰煤为主(表1)。褐煤煤田主要分布在蒙东锡林浩特、霍林郭勒、牙克石以及蒙西鄂尔多斯市上海庙地区。蒙东褐煤基本为露天开采，储量大，煤层厚，开采简易。由于开采过程中顶底板围岩及夹矸煤混入的影响，露天矿每年约生产10%～15%的脏杂煤。这些劣质煤灰分高、热值低，水洗泥化严重，缺乏有效、经济和环保的湿法分选手段，脏杂煤在填埋场推存既浪费了煤炭资源又造成煤炭自燃等环境污染。上海庙地区褐煤为井工开采，由于井下软岩混入及褐煤本身易泥化，原煤较难湿法分选。山东能源集团上海庙矿业公司一号井和榆树井2座选煤厂曾经采用全重介分选工艺分选褐煤，工艺流程为：大于25 mm块煤重介浅槽分选，25～1 mm末煤重介旋流器分选，粗煤泥螺旋分选机分选，细煤泥浓缩压滤回收的典型全粒级湿法分选工艺。水洗实践表明，精煤回收率低，原煤水分高，煤泥量大，仍然需要对末精煤和煤泥进行热力干燥，生产成本高。水洗工艺最后被迫改为大于25 mm块煤入洗，末煤旁路不洗的部分入洗工艺，造成较大投资损失[1-2]。东胜地区煤炭资源以不粘煤长焰煤为主，特别是靠近陕北神木地区，煤质变质程度变高，但矸石仍然存在一定的泥化现象，小于30 mm末煤不适合水洗。如蒙泰集团范家村选煤厂采用湿法工艺分选长焰煤，煤泥产率达到25%，水分高达35%以上。相对原煤，大于30 mm精煤和小于30 mm洗混煤水分分别增加2个百分点和4个百分点，水分的增加抵消了重介选降灰效果。

表1 内蒙古主要煤田资源

对低阶动力煤洗选工艺研究表明，低阶煤易碎且泥化严重，导致水洗精度降低，高灰细泥含量高的煤泥水处理困难，煤泥量大，投资和加工费大大增加。特别是由于褐煤中伴生泥岩的高泥化特性，各工艺转载环节易出现粘、堵现象，洗煤产品脱水困难，产品水分高，降低了产品发热量，部分抵消了洗煤效果[3-9]。近年来国内对褐煤和不粘煤等开展了干选试验研究，在部分煤企取得了较好的分选效果[10-11]，干选技术已经成为提高动力煤入选比例和低阶煤提质的一项重要手段[12]。

2 排矸工艺比较

内蒙古地区冬季寒冷，某些矿区干旱缺水，传统的湿法选煤工艺在这些地区难以适应。采煤过程中由于顶底板的混入以及夹矸层全断面开采，容易造成电煤特别是末煤质量波动。仅靠原煤筛分或仅对块煤进行分选不能控制末煤产品质量。为稳定和提高煤炭质量，同时避免水洗工艺带来的弊端，需要对末原煤进行干选。与传统湿法选煤工艺相比，干法选煤工艺具有流程简单、投资少、见效快、不耗水的优势。

目前，我国投入工程应用的干法选煤设备有光电类智能干选机、复合式干法分选机、空气重介流化床和干法跳汰机。使用比较广泛的干选设备为X射线智能分选机[13-20]和复合式干选机[21-22]。

2.1 X射线智能分选机

以唐山神州机械集团制造的IDS块煤智能分选机为例，该机采用X射线及3D相机对80～300 mm煤和矸石进行数字化双源识别，针对不同的煤质特征建立与之相适应的数学分析模型。通过大数据分析，确定煤、矸石及位置信息，利用高压气体喷吹实现喷矸分离。煤中带矸率，矸石带煤率都小于3%。排矸率达95%以上。X射线智能分选机适用于25～300 mm粒级的煤矸分离。最佳分选粒度范围为300～80 mm，分选系统主要由带式输送系统、X射线识别系统、数据采集接口、全息摄像、喷吹执行机构、计量系统、测速系统、除尘系统、辐射防护系统、控制和显示系统、视频监控系统、自动报警系统等组成。

X射线智能干选机的性能特点：① 分选精度高，对易选及中等可选动力煤的分选效果好于跳汰选，分选精度已经接近重介工艺；② 自动化程度高，设备具有自检功能，运行过程中只设监控巡检员即可，实现无人值守；③ 分选费用低，以X射线作为识别手段，带式运输机作为运输系统，整个设备主要能耗仅为1台空压机，和人工手选或水洗相比，吨煤分选成本极低；④ 分选力度范围宽，处理量大，可处理25～100 mm和50～300 mm的原煤，基本涵盖了所有毛煤粒度，原煤水分大小对块煤分选没有影响，单通道干选机处理量可达240 t/h；⑤ 模块化设计，建设周期短；⑥ 防护等级高，安全环保。

2.2 复合式干选机

复合式干选机经过20多年的发展，演变成多系列设备，适应混煤(80～0 mm)、块煤(80～13 mm)和末煤分选。目前市场应用最多的为ZM型矿物高效分离机。该机的核心分离技术采用阶梯式分离原理，对一定粒级的煤炭根据不同的煤和矸石颗粒密度差异进行干法高效分离。分选系统主要包括分选床、布风装置、吊挂装置、激振器等。除尘系统主要包括集尘罩、重力除尘器、布袋除尘器、喷雾除尘和引风机等[9]。分选粒度范围宽，混煤分选机有效分选粒度下限为3 mm，末煤分选机有效分选粒度下限为1 mm；分选精度高，Ep=0.13～0.23 g/cm3，大于6 mm块煤分选精度达到水洗跳汰水平；处理能力大，最大单元模块设备处理能力达到600 t/h；环保性能好，ZM 矿物高效分离机整个系统在全封闭的状态下运行，分选风量闭路循环处理，设备可采用全布袋除尘，确保设备负压运行，无粉尘外溢，满足环保要求；自动化程度高、高度模块化、入料适应能力强。

常见湿法和干法分选工艺对比见表2。

表2 常用大于1 mm动力煤排矸设备优缺点比较

3 典型干选工艺应用领域

3.1 大块煤智能分选

传统块煤分选工艺多为手选、重介浅槽分选或动筛分选。人工捡矸劳动强度大，环境恶劣，分选效果受人为因素影响较大。矸石含量较大时，湿法分选设备如重介浅槽处理能力下降，采用动筛排矸还存在矸石带煤严重等问题。 2016开始，X射线智能分选设备开始在选煤行业大量应用，智能化干选技术系统简单，具备台数少、无水耗介耗、无水洗煤泥、操作简单、无人值守、生产管理便捷等优点。部分内蒙古煤企成功应用了X射线智能分选设备[13-14]，其分选精度接近重介浅槽，无水洗煤泥，投资只有重介系统的1/3，吨煤加工成本、负荷、生产费用明显优于传统湿法块煤分选相关技术。因此应大力推广X射线智能分选设备替代人工捡矸，同时视现场应用条件，可部分或完全取代块煤水洗设备，通过降低水洗设备入洗量，节约生产成本，进而带来更大的经济及社会效益。

3.2 混煤入选

对新建低阶煤煤矿选煤厂应采用混煤入选工艺流程。如大于300 mm原煤首先经过80 mm分级筛分级，大于80 mm筛上物再破碎到小于80 mm后和筛下小于80 mm物料混合进入复合式干选机分选，干选机生产精煤和矸石2种产品。精煤经过30 mm分级分为大于30 mm块精煤和小于30 mm末精煤(电煤)。 大于30 mm块煤也可全部破碎到小于30 mm掺入电煤，干选系统除尘器收集的煤粉掺入小于30 mm电煤。

该工艺流程特点：① 全级入洗，流程简单、操作管理方便；② 末煤全部得到分选，电煤质量稳定和大幅提升，降低了原煤质量波动对电煤质量的影响；③ 产品结构灵活。可同时生产块末精煤或电煤，可同时满足块精煤和混煤热值要求。

对一些原先采用全粒级湿法分选的老厂，也可借鉴此工艺流程对水洗系统进行改造。可利用现有原煤储运、原煤准备和精煤储运设施，节省投资。上海庙榆树井选煤厂采用此流程，干选完全取代了水洗工艺[1]。经过3 a的生产运营表明，改造后干选工艺较原重介工艺经济技术指标明显提升，产品结构得到进一步优化，精煤回收率同比提高16%以上，全员效率提升2～3倍，生产运行成本降低4.26 元/t。

3.3 露天矿宽粒级脏杂煤分选

露天煤矿脏杂煤总产量一般占露天矿产能的10%～15%，平均发热量在6.27～12.55 MJ/kg范围内，不能满足电厂燃料煤最低煤质要求，目前绝大多数露天脏杂煤未能洗选，只能露天堆存或填埋。近年来，一些企业已经开始尝试采用干选技术对脏杂煤进行分选。露天矿脏杂煤灰分较高，块煤中矸石含量偏大，最大粒度可达1 000 mm左右。 各种干选设备分选粒度范围有限，其中射线类智能分选机适合大于50 mm块煤分选[13-20]，而复合式干选主要用于小于80 mm混煤分选。可将毛煤破碎到小于300 mm，采用宽粒级干选工艺流程进行分选。

以霍林河南露天矿一期干选项目宽粒级干法分选为例[21]，该矿300～0 mm原煤经过80 mm分级，小于80 mm物料进入复合式干选机系统，大于80 mm物料进入X射线智能块煤分选机分选。伴生泥岩易碎造成小于6 mm粒级热值偏低。干选精煤采用6 mm筛分，小于6 mm煤粉和中煤混合作为劣质电煤。X射线智能干选机的投入使用节省了大块矸石的破碎费用，代替了人工捡矸。该厂投产后取得了很好效果。以分选8号煤层脏杂煤为例(表3)，对300～0 mm宽粒级分选，干选精煤再进行6 mm脱粉后，可得到回收率为42.4%、发热量为12.61 MJ/kg的精煤，选后发热量提高4.68 MJ/kg。项目投产后年平均精煤回收率达41%左右，回采率增加3%，取得了很好的环保效益和社会效益。此分选工艺流程可视原煤质量变化灵活调整，如原煤中大于80 mm块煤较少，可将块煤破碎到小于80 mm去风选，简化工艺流程(如白音华三号矿，铁北矿等，表3)。对原煤中小于6 mm煤粉含量较大且质量较差的，可采取选前脱粉工艺(如锡林浩特发电有限责任公司、国家电投扎哈诺尔矿)。

3.4 干湿结合分选工艺

易泥化末煤水洗提质效果有限，产生大量水洗煤泥。传统动力煤选煤厂大多采用部分入洗工艺，占原煤多数的末煤未能得到分选。干选排矸密度高，分选精度低，但不产生水洗煤泥，适合易泥化末煤分选。可采用干湿结合的工艺针对部分入洗选煤厂进行技术改造，干湿结合工艺可发挥干湿工艺各自特长，取长补短。

干湿结合分选工艺流程有2种：

(1)干湿并联工艺。保持原先块煤湿法分选工艺，增建末煤干选系统[1，22]。 如上庙一号井选煤厂大于30 mm块煤采用重介浅槽工艺，小于30 mm末煤采用复合式干选机分选。通过建立末煤干选系统，解决了水洗精煤产品水分高、产品热值低、煤泥产量大、精煤产率低等难题，稳定提高了末精煤产品质量，经济效益显著。

(2)干湿串联工艺。原煤水分高、矸石泥化严重时，采用干法选煤工艺预排矸+湿法末煤重介分选的生产工艺。通过干选降低含矸率，可有效减少进入水洗系统矸石量以及遇水泥化量[23]。因此干湿结合工艺适合部分入洗动力煤选煤厂的老厂改造升级，增加入洗比例，提高精煤质量。

表3 露天矿脏杂煤宽粒级干选案例

3.5 80～25 mm中块煤风选

各类用户对煤炭品种的需求各有不同，一些工业用煤和民用煤行业欢迎80～25 mm块煤产品。一些煤矿末煤质量较好不需分选，块煤中矸石含量偏高需要分选。对易泥化的块煤来说，虽然重介浅槽分选精度高，但也不可避免产生一些煤泥(2%～5%)，同时重介浅槽重介悬浮液运行时密度低于1.8 g/cm3，造成精煤产率低，矸石热值偏高。

内蒙古易泥化动力煤一般在高密度时可选性为易选，从热值提高的角度看，重介分选和干选相差不大。蒙泰集团满来梁煤业有限公司对80～0 mm易选不粘煤干选结果说明，分选后大于20 mm块精煤灰分低于6%，满足喷吹煤灰分小于7.5% 的要求，小于20 mm 末精煤热值也达到了电煤热值要求( ≥20.93 MJ/kg)。因此，采用干法分选对大于25 mm块原煤进行分选是现实可行的[24]，块煤干选技术也在一些煤企成功应用[25]。鄂尔多斯色连一矿选煤厂现采用重介浅槽分选大于25 mm块精煤，2018年部分月份生产化验结果显示，湿法分选后大于25 mm块精煤全水接近28%，水分较原煤增加约4.5%，由于灰水相抵，影响了块精煤质量。而同期干选试验表明，干选后大于25 mm块精煤全水基本在24%～25%范围内，在灰分接近的情况小，干选块精煤水分比重介选块精煤水分低2%～3%，干选精煤热值比水洗精煤高约0.84～1.26 MJ/kg。

对于褐煤不粘煤等煤化程度较低的煤种，水分对煤炭热值的影响远超过灰分对煤炭热值的影响。干法分选工艺虽然精度低于重介选，但可以减少水分对产品热值的不良影响。考虑到投资成本和运营成本因素，在高密度易选块煤排矸时，重介水洗方案和干选相比没有优势，干选更适于煤化程度较低、矸石易泥化块煤的分选。

4 干选技术发展趋势

十三五以来，经过煤炭领域科研院所和设备制造企业多年努力，厚积薄发，光电类块煤分选设备，混煤复合式干选机，干法重介质流化床等干法选煤技术发展迅速。在单机处理能力、分选精度和环保效果等方面取得突破。X射线智能分选机和复合式干选机获得大规模应用。干法分选工艺和湿法分选工艺相结合，取长补短，提高了动力煤入选比例。但干选工艺和水洗工艺相比仍然存在许多不足。末煤干选精度较差，小于6 mm排矸率不足，小于3 mm基本没有分选作用。干选智能化研发还处于起步阶段，在设备可靠性、环保性能、干选厂设计标准化等方面仍需提升。干选技术未来研发重点将是小于6 mm细颗粒的分选，干选机井下和露天矿坑下排矸，复合式干选机的智能化，干选厂粉尘超低排放系统设计，干选机选前超级深度脱粉，干选厂设计规范制定等方面[26-27]。

5 结 语

概括介绍了流行的X射线智能分选和复合式干选技术和设备。内蒙地区动力煤以低阶煤褐煤为主，脏杂煤量大质次，为此，必须加大洗选力度。实际生产和干选试验结果均表明，干选工艺流程简单、投资省、效率高、加工成本低，干选技术完全适合内蒙古地区低阶动力煤分选。详细梳理了内蒙古煤炭资源的分布和煤质特点以及干法分选技术在内蒙古煤企的应用情况。随着光电类智能分选机和复合式风选设备的研发进展，干选技术已经开始大规模在动力煤煤企，特别是露天煤矿获得应用。蒙西部分褐煤选煤厂采用混煤干选取代全粒级重介水洗，易选易泥化块煤分选，块煤分选和末煤干选的干湿工艺结合等方面获得成功应用。

探讨了干法分选技术的不足，对煤炭干选技术发展的趋势进行了展望，干选技术需要在降低分选粒度下限、提高分选精度、改善干选环保效果、提高干选机自动化程度等方面继续努力，干选技术将为提高内蒙古动力煤分选领域发挥重要作用。