本文由陈建强、常博等人发表在《煤炭加工与综合利用》期刊2021年第6期上,原题目为“煤炭干法分选技术应用与展望”一文,内容有删减。该课题受国家能源集团科技创新2030重大项目先导项目(GJNY2030XDXM-19-07.2)和国家自然科学基金项目(U1903132)资助。论文梳理了干法分选技术的研究进展,指出了目前干法分选技术的瓶颈,展望了未来干法分选研究的发展趋势与重点,为干法选煤技术的研究提供相关借鉴。

正文开始前,让我们先来感受一下上海庙矿业公司一号矿600万吨/年干法选煤厂的超燃现场!

  

1 国内选煤现状与机遇

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和大规模推广应用,弥补了湿法选煤的不足。


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、干法重介质流化床等技术。

2.1 智能光电分选技术

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下图所示。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。


2.2 复合式干法分选机

唐山神州机械集团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,神州机械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1000t/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,如下图所示:

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。分选过程如下图所示:

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40a,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;与神州机械产学研合作,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100~6mm煤炭的高效干法分选,可能偏差Ep值为0.05~0.08g/cm3,在国内外首次实现了煤炭高精度干法分选。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。

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0.7Mt/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6mm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6mm粒级占比70%,未来20a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1460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。

这一选煤技术入选国家能源集团科技创新2030重大项目先导项目

发布时间: 2021-07-28
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