★ “选煤高质量发展”专题 ★
先进选煤技术促进煤炭清洁高效利用研究与探讨
0 引言
煤炭是我国重要的基础能源和工业原料，国家高度重视煤炭的清洁高效利用。在煤炭消费端，燃煤发电、冶金炼焦、建材用煤及煤炭加工转化，这些煤炭的消费占比接近80%[1]。选煤作为洁净煤技术的源头，在煤炭清洁高效利用中发挥着重要的基础作用。2022年3月22日，国务院副总理韩正组织召开了煤炭清洁高效利用工作专题座谈会，他强调：“要加强统筹谋划，聚焦重点领域，整合各方面资源，形成推进煤炭清洁高效利用的合力。要坚持目标导向和问题导向，抓住重点行业和关键环节，推动煤炭清洁高效生产和洗选，抓好电力等主要用煤行业节能降碳改造，大力加强散煤治理”。由此可见，选煤技术得到空前关注[2]。
煤中的灰分会对煤炭清洁高效利用产生严重影响。一是会增加运输负荷，我国约有70%的铁路运输能力用于煤炭运输，煤炭灰分高会造成无效运输；二是增加煤炭消耗，煤作为燃料时，如果灰分高，矿物质(灰分)不仅不能产生热量，还会夹带部分未燃煤，造成燃料损失，作为炼焦原料，灰分转入焦炭中，不仅增加焦炭用量，还影响焦炭品质，使焦炭产生热脆性；三是作为燃料和气化原料，低熔点灰分易造成锅炉和气化炉结渣和堵塞，同时影响锅炉热效率和气化效率；四是造成环境污染，煤作为燃料燃烧时，灰分高的煤(尤其是灰成分中硫铁矿含量高的煤)生成的SO2、SO3多，不仅会腐蚀设备，还会对空气造成污染，严重时会危及植物生长和人体健康[3-4]。
笔者在介绍国内外选煤技术现状的基础上，分析了目前国内2种先进的湿式选煤工艺，并着重介绍了“国华科技选煤工艺包”，国华科技重介质选煤工艺已在国内外600余座选煤厂得到推广应用，均取得良好的效果。
1 国际选煤技术发展简述
随着原煤可选性变差以及用户对产品质量要求的提高，低分选精度的跳汰选煤越来越难以适应当前的选煤形势。美国自20世纪80年代开始淘汰跳汰选煤工艺，我国近10年也基本不再设计建设以跳汰选煤工艺为主的选煤厂，现代选煤工艺技术也逐渐开始以重介质选煤为主。20世纪90年代以来，尽管美欧等发达国家和地区重介选煤技术日益成熟，但其原煤与我国和俄罗斯等国的原煤相比易选得多，因此美国选煤技术的研发投入较少。与此同时，俄罗斯也停止了选煤技术的研发。
2 国内先进的湿法选煤工艺
我国的湿式选煤技术自改革开放以来，在重介质选煤和浮选这2大主流选煤技术上均已处于国际领先水平。目前我国已拥有世界上单机处理能力最大(1 300 t/h)、分选粒级最宽(0.25～200 mm) 、分选精度最高(一段可能偏差0.02～0.03 kg/L，二段可能偏差0.02～0.04 kg/L)的选煤设备，以及简化、高效、节能的选煤系统。我国重介质旋流器的入料粒度上限已突破200 mm，不脱泥重介质旋流器选煤工艺的介耗已低至0.4 kg/t，浓缩机的单位面积处理量已达10 m3/h [2，5]。
随着无压给料三产品重介质旋流器的普遍应用，目前国内具有代表性的先进湿法选煤工艺技术主要有2种，分别是“不脱泥无压给料三产品重介质旋流器+煤泥重介质旋流器+浮选”和“脱泥无压给料三产品重介质旋流器+TBS+浮选”，这2种工艺的普遍应用使我国的选煤技术进入了国际领先行列。
2.1 不脱泥无压给料三产品重介质旋流器+煤泥重介质旋流器+浮选
该选煤工艺适应于各种可选性原煤，可用单一低密度介质系统一次分选出精煤、中煤和矸石，与有压给料两产品重介质旋流器主、再选相比，减少了1套高密度介质系统，且易于实现煤泥重介质分选，具有工艺系统简单、分选效率高的特点，且精煤回收率高于目前的一般工艺。原煤重介质旋流器的分选下限可达0.25 mm，煤泥重介质旋流器的分选下限可达0.10 mm，中煤带精煤量较少，通常可低于3%，矸石中带煤量小于1%。该工艺与采用脱泥有压给料重介质旋流器工艺相比，原料煤不经脱泥和泵送，次生煤泥量大幅减少，有利于实现煤泥减量化；厂房布置与脱泥无压给料三产品重介质旋流器相比更简单，土建投资低。
不脱泥无压给料三产品重介质旋流器选煤技术优势明显，目前我国60%以上选煤厂均采用此种选煤工艺。
2.2 脱泥无压给料三产品重介质旋流器+TBS+浮选
该选煤工艺适应于粗煤泥极易选原料煤，可用单一低密度介质系统一次分选出精煤、中煤和矸石，与有压给料两产品重介质旋流器主、再选相比，减少了1套高密度介质系统，工艺系统较为简单。该工艺分选效率较高，精煤回收率高于跳汰选煤，矸石带煤少，无压给料与有压给料相比，次生煤泥量少，对煤泥减量化有利，脱泥入选易于控制介耗。
脱泥无压给料三产品重介质旋流器比两产品重介质旋流器更具优势，且比不脱泥工艺技术含量低，这是因为煤泥量对重介质旋流器分选及后续脱介脱水回收等环节的影响都比较大，设备的选型、管路的设计等都需要设计人员进行较为专业的把控，否则会影响生产指标，特别是介耗指标，但是如果提前脱除这部分煤泥，则会简单很多，因此从这个角度考虑脱泥工艺的技术含量要低。该选煤工艺较易被选煤厂设计人员掌握，因而得到较广泛应用。我国煤泥含量大的河南郑州矿区、陕西韩城矿区以及山西部分矿区的选煤厂，大多采用脱泥无压给料三产品重介质旋流器选煤工艺[6]。
3 湿法选煤先进技术工艺研究与分析
为实现煤炭清洁高效利用，我国近年来一直对选煤新工艺和新装备进行研究和探索。在湿法选煤工艺技术方面，一个典型的研究成果是“超千万吨高效节能选煤厂关键技术与装备”，该技术成果于2019年被我国著名院士孙传尧为主任委员的10人专家组命名为“国华科技选煤工艺包”，极大提升了我国重介质选煤厂的整体技术，推进了选煤厂大型化、集约化、高效化、智能化发展，达到国际领先水平。
3.1 “国华科技选煤工艺包”的特点及研发历程
“国华科技选煤工艺包”由原料煤不预排矸、不分级、不脱泥无压给料三产品重介质旋流器主选、粗煤泥重介质旋流器分选、细煤泥浮选机粗精选、煤泥水两段浓缩两段回收联合工艺联合构成，具有高效、简化、节能、环保等特点。与其他技术相比，采用该技术建设的炼焦煤选煤厂的投资和加工费降低20%以上，电耗降低40%以上，吨煤介耗比相同类型的选煤厂低50%。全入选动力煤选煤厂矸石带煤率相比其他动力煤选煤厂低4～20个百分点，投资和加工费低10%～30%[2]。
“国华科技选煤工艺包在千万吨级炼焦煤选煤厂的应用”在2020年获得中国煤炭工业科学技术一等奖。 “国华科技选煤工艺包”由最初的“无压重介质旋流器”(2004年度煤炭工业科学技术二等奖)到“3GDMC系列无压给料三产品重介质旋流器选煤工艺及设备”(2006年度河北省科技进步二等奖)、“‘1+1’炼焦煤选煤厂模式创新技术”(2009年度煤炭工业科学技术二等奖)、“高效、简化重介质选煤成套技术的研究”(2013年度中国煤炭工业科学技术一等奖)，再到后来的“‘2+2’模式湿法选煤系统水回用工艺技术和装备”(2019年度河北省科技进步二等奖)，“国华科技选煤工艺包”历经20余年的发展，其技术积累和关键核心技术的研发对选煤工艺技术产生较大的影响。
3.2 “国华科技选煤工艺包”在国内外的应用效果
3.2.1 国内选煤厂应用情况
(1)“国华科技选煤工艺包”已在淮南矿业集团1 200万t/a特大型炼焦煤选煤厂应用，全部原煤均经过重介质旋流器分选，原煤重介质旋流器的分选下限达0.25 mm，经统计，该选煤厂电耗为6.0 kW·h/t，根据《选煤电力消耗限额》(GB 29446-2019)折算系数计算，该选煤厂选煤电力单耗为4.98 kW·h/t ，达一级能耗水平(≤5.0 kW·h/t )；水耗0.07 m3/t，比《取水定额》(GB/T 18916.11-2012)标准降低了39.1%；介耗波动范围0.35～0.8 kg/t，已经达到甚至超过高水平脱泥入选指标。2019年1-6月该厂入选原料煤平均灰分为35.67%，商品精煤灰分为8.47%，产率为49.44%，洗混煤灰分为26.28%，煤泥灰分为63.47%，矸石灰分为84.65%。该厂经过选煤后的矸石产品中带煤(密度<1.80 kg/L物料)仅为0.01%，大大减轻因矸石堆放时煤的自燃给大气带来的污染[7]。
(2)淮北矿业集团1 600万t/a特大型炼焦煤选煤厂(临涣选煤厂)采用“国华科技选煤工艺包”的核心技术进行了技术改造，技改后的重介质旋流器电耗(合格介质泵电耗)从1.37 kW·h/t 下降至0.96 kW·h/t ，降低了0.41 kW·h/t ；精煤的数量效率从98.15%提升至98.74%，提高了0.59个百分点，精煤实际产率增加了0.29个百分点，按实际入选能力1 600万t/a计算，可多回收精煤4.64万t/a，有效避免了稀缺炼焦煤资源的损失[8-9]。
淮北矿业集团临涣选煤厂采用以超级旋流器为核心技术的技改完成后，提高了分选精度，矸石产率、矸石带煤有所降低，从而减少了矸石堆放面积和矸石中可燃物自燃对环境的污染。超级煤泥重介质旋流器有效分选下限小于0.1 mm，细粒煤分选更加有效，减轻煤泥水处理系统的压力，改善了周边环境。
3.2.3 国外选煤厂应用情况
近些年，国华科技自主知识产权的“国华科技选煤工艺包”及关键选煤设备成功推广应用到蒙古、土耳其、哈萨克斯坦、印度、印度尼西亚等国家的选煤厂，均取得较好的应用效果，得到国外客户的高度认可[10-11]。“国华科技选煤工艺包”在国外应用情况见表1。
表1 “国华科技选煤工艺包”在国外应用情况
序号年份国家/地区项目名称工艺简介12017-2018年蒙古NARYN SUKHAIT 170 t/h模块化选煤厂-50 mm原煤采用“不脱泥,不分级无压给料三产品重介质旋流器”分选;粗煤泥“煤泥重介质旋流器”分选;细煤泥采用新型耐磨机械搅拌浮选机分选,细精煤泥板框压滤机回收,尾矿经“超级浓缩机”浓缩后板框压滤机回收22018-2019年土耳其Kinik-Elmadere煤矿600 t/h选煤厂32021年至今土耳其FERNAS 700 t/h选煤厂42021年至今土耳其DEFAS 700 t/h选煤厂-100 mm原煤采用“不脱泥,不分级无压给料三产品重介质旋流器”分选;粗煤泥“煤泥重介质旋流器”分选;煤泥水“二段浓缩二段回收”工艺回收52019-2021年哈萨克斯坦Qaz Carbon 300 t/h选煤厂-50 mm原煤采用“不脱泥,不分级无压给料两段两产品重介质旋流器”分选;粗煤泥“煤泥重介质旋流器”分选;煤泥水经浓缩机浓缩后利用原有沉淀设施62021年至今印度Adani Parsa 750 t/h选煤厂-50 mm原煤进行13 mm分级后,-50～13 mm粒级采用“不脱泥,不分级无压给料两段两产品重介质旋流器”分选,利用低密度悬浮液实现高密度排矸;煤泥水经“超级浓缩机”浓缩后板框压滤机回收72022年至今印度尼西亚IMR 125 t/h炼焦煤选煤厂-50 mm原煤采用“不脱泥,不分级无压给料三产品重介质旋流器”分选;粗煤泥“煤泥重介质旋流器”分选;细煤泥采用新型耐磨机械搅拌浮选机分选,细精煤泥板框压滤机回收,尾矿利用“超级浓缩机”浓缩后板框压滤机回收
3.3 环保效应
通过选煤技术可以就地排除大量煤矸石(约占入选原煤量的15%～20%，按平均18%计算)，即运输选后煤炭产品与运输原煤相比，可以节约18%的运力。每入选1亿t原煤，可排除1 800万t矸石，按铁路运输煤炭20亿t、平均运距600 km计算，可以节约运力2 160亿t·km，节省运费约230亿元。我国动力煤平均灰分28.6%，平均硫分1.01%，选煤后混配的优质动力煤平均灰分15.5%，平均硫分0.66%。每入选1亿t原煤，可排除灰分1 300万t、硫分35万t，减少二氧化硫排放49万t[12-13]。
原煤先集中进行选煤洁净化和均质化后，再分散供应给市场，可以把灰分、硫分等污染物大量留在矿井进行集中治理，其治理成本、治理效率和治理措施比用户分散治理效果更好，仅就SO2的治理成本而言，选煤后降硫比烟气脱硫降低设备投资和运行成本90%以上，且燃煤发电烟气脱硫设施和脱硫负荷大大降低。选煤技术是煤炭洁净高效利用的重要手段，是电力行业和工业燃煤降污减排经济且有效的途径，采用先进的选煤技术不仅可以优化产品结构，还可以提高煤炭质量和利用效率，同时实现煤炭产品由单结构、低质量向多品种、高质量转变，提高煤炭下游产业的能源利用率，实现煤炭全生命周期的节能环保[14]。
4 推广应用先进选煤技术工艺的建议
我国选煤工艺技术水平虽已在国际上领先，但在促进煤炭清洁高效利用方面仍存在一些问题，仍有些选煤厂采用较落后的选煤工艺，存在分选精度较低、工艺流程复杂、能耗高等现象。比如有约半数选煤厂的电力消耗达不到《选煤电力消耗限额》(GB 29446-2019)规定的二级能耗水平，这对整体推进煤炭清洁高效利用十分不利。2022年5月10日，国家发改委等六部门联合发布了关于《煤炭清洁高效利用重点领域标杆水平和基准水平(2022年版)》的通知中要求，对需开展煤炭清洁高效利用改造的项目，各地应明确改造升级和淘汰时限(一般不超过3 a)以及年度改造淘汰计划，在规定时限内升级到基准水平以上，力争达到标杆水平；对于不能按期改造完成的项目进行淘汰[15]。因此建议在此基础上继续严格限制低精度、高耗能选煤工艺的应用，并针对新建选煤厂提出更高节能降耗的要求，如必须达到一级能耗标准水平，否则不予验收。
5 结语
从煤炭清洁高效利用角度出发，原煤100%入选是选煤行业努力的方向。选煤是煤炭清洁高效利用的关键基础环节，煤炭生产企业在努力提高原煤入选率的同时，应重点推广高效、简化、节能的先进选煤工艺技术。建议将选煤厂达到二级能耗水平设置为煤炭分选行业的准入值，从源头守住煤炭清洁高效利用的大门。
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