夏云凱,劉建榮,王寅林,樊瑞康,李 磊,王新華
(1.唐山神州機械集團有限公司,河北省唐山市,063001;2.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,016200;3.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇省徐州市,221116;4.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心,河北省唐山市,063001)
煤炭資源作為一次能源的重要組成部分,一直是我國的主要能源,為我國國民經(jīng)濟的穩(wěn)定繁榮發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用。2021年我國煤炭產(chǎn)量41.3億t/a,其中動力煤占比83.5%,煤炭年產(chǎn)量比2020年增長了4%,占一次能源消費總量的56%,預(yù)計到2025年仍維持41億t左右[1]。2022年3月29日,國家能源局印發(fā)《2022年能源工作指導(dǎo)意見》,指出2022年要增強能源供應(yīng)保障能力,全國能源生產(chǎn)總量達到44.1億t標準煤左右[2]。由此可見,煤炭作為主體能源是我國能源安全壓艙石和穩(wěn)定器的地位短時期內(nèi)不會發(fā)生改變。
自2020年9月習(xí)近平總書記在聯(lián)合國大會上提出“雙碳”目標以來,我國統(tǒng)籌規(guī)劃煤炭發(fā)展新布局,既要確保煤炭供給滿足人民生活需求,又要實現(xiàn)煤炭清潔高效利用。“雙碳”目標的實現(xiàn)要經(jīng)歷經(jīng)濟社會的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整[3],由此尋求一條穩(wěn)定實現(xiàn)“雙碳”目標的道路顯得尤為關(guān)鍵。
煤炭直接利用會產(chǎn)生較大污染和資源浪費,選煤作為充分發(fā)揮煤炭利用價值的有效方式,被稱為潔凈煤技術(shù)的源頭,一直被廣大學(xué)者長期研究[4]。2022年3月,國務(wù)院召開“煤炭清潔高效利用工作專題座談會”,選煤得到高度重視。要想實現(xiàn)煤炭清潔高效利用,必須提高原煤入選比例,為消費端提供高品質(zhì)的煤炭產(chǎn)品[5]。然而,我國大部分煤炭資源分布在干旱的西部地區(qū),不太適合采用濕法選煤技術(shù),而干法選煤技術(shù)可以很好地解決水資源的缺乏問題,還直接解決了選煤產(chǎn)品易泥化的問題,并能間接實現(xiàn)降低能耗和直接燃用造成的污染問題。
為了滿足“雙碳”目標的需求,一是要在適合地區(qū)大力推廣干法選煤設(shè)備的應(yīng)用和建設(shè);二是要大力開展干法選煤的基礎(chǔ)理論研究,盡可能拓寬入選范圍實現(xiàn)全粒級干法入選;三是要實現(xiàn)干法選煤自動化和智能化,深入研究煤炭和矸石的智能分離,提高煤矸分離的準確度,逐步實現(xiàn)免人工的智能化選煤;四是要大力推行井下選煤技術(shù),真正實現(xiàn)井工煤礦煤炭開采后的井下入選,減少地面污染;五是要開發(fā)干法選煤輔助系統(tǒng),為干法選煤提供理想的分選環(huán)境,提高干法選煤精度;六是要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,多進行新型干法選煤設(shè)備的開發(fā)利用,以滿足不同情況的分選要求;七是要進行多種干法選煤技術(shù)的融合分選研究,以實現(xiàn)更寬粒級煤炭的入選;八是要進行干法選煤統(tǒng)籌規(guī)劃,促進干法選煤技術(shù)合理有效和科學(xué)的推廣應(yīng)用,真正為“雙碳”目標的實現(xiàn)做出實際貢獻[6-11]。
干法選煤技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展,按照分選原理的不同,大致可以將其分為復(fù)合式干法選煤技術(shù)、風力選煤技術(shù)、煤炭智能光電分選技術(shù)和煤炭空氣重介質(zhì)流化床分選技術(shù)4種[12-15]。
2.1.1 分選原理
原煤物料進入振動床面后,其在激振力和氣流曳力的協(xié)同作用下在振動床面上得到均勻分散,由于下層物料受到振動床面和氣流的直接影響,使得物料沿床面逐漸螺旋上移,而上層物料受到摩擦力和氣流曳力較下層弱,因此沒有足夠的條件使得其上移,從而向下滑落。在原煤物料遷移的過程中,由于原煤顆粒受綜合作用力影響,與振動床面接觸的次數(shù)不同,使得原煤物料逐漸發(fā)生分層,由此向上遷移的矸石層和向下遷移的精煤層得以有效分離。
2.1.2 應(yīng)用情況
我國從20世紀90年代開始研究復(fù)合式干法選煤技術(shù),第1臺工業(yè)化生產(chǎn)的復(fù)合式干法選煤設(shè)備(FGX-3型)在吉林省原琿春礦務(wù)局運銷公司成功應(yīng)用,處理量為30 t/h[16]。其主要結(jié)構(gòu)由分選床、振動器、氣室、機體構(gòu)架、接料裝置等部分構(gòu)成,振動器通過彈簧與機體連接使機體產(chǎn)生激振,分選床面由布風板、背板、各條等構(gòu)成,其中布風板下方的布風室與風機相連,風量及風速可由風閥控制,壓縮氣體經(jīng)布風板作用于分選顆粒。之后,唐山神州機械集團有限公司(以下簡稱“神州機械集團”)在此基礎(chǔ)上研制了FGX-6型、FGX-12型、FGX-24型和FGX-48型干法選煤設(shè)備,單機處理量最大可達到500 t/h。
隨著國家大力倡導(dǎo)建設(shè)社會主義生態(tài)文明,神州機械集團在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加了主機封閉系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等,有效控制了干法選煤過程中粉塵的逸散,極大地提高了復(fù)合式干法選煤設(shè)備的環(huán)保性能。進入21世紀以來,神州機械集團在結(jié)合美國干法分離技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對復(fù)合式干法選煤技術(shù)優(yōu)化難題進行了大量的理論研究和設(shè)備改造工作,最終研制出ZM礦物高效分離機,該分選機采用不同階梯式分選功能,使原煤物料在流化的同時實現(xiàn)了按密度分層,不僅分選效果顯著提升,同時還具有工藝簡單、投資和運行成本低、占地空間小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。2021年,神州機械集團又在ZM礦物高效分離機的基礎(chǔ)上研制成功了CZM型超級干法選煤機,不僅提高了單位面積處理能力,而且節(jié)能降耗效果大幅度提升。
2.2.1 分選原理
針對圖像識別分選技術(shù)和射線分選技術(shù)收集到的煤炭和矸石的信息差異,建立相應(yīng)的分析模型,利用深度學(xué)習(xí)等先進計算機算法,通過大數(shù)據(jù)分析對煤炭和矸石進行識別或標記,并發(fā)出相應(yīng)命令,最終通過響應(yīng)執(zhí)行裝置將煤炭和矸石分離。
光電分選技術(shù)可細分為圖像識別分選技術(shù)和射線分選技術(shù),其中圖像識別技術(shù)是利用煤炭和矸石表面色澤、紋理等物理性質(zhì)的不同進行信息收集;射線分選技術(shù)則是利用煤炭和矸石對射線的吸收和散射量的不同進行信息收集。
2.2.2 應(yīng)用情況
我國的光電分選技術(shù)始于20世紀60年代,開始多應(yīng)用于糧食、藥物等分揀。近年來,神州機械集團與天津美騰科技有限公司將X射線分選技術(shù)應(yīng)用于煤炭分選,分別開發(fā)了IDS型與TDS型智能干選機,適用于25~300 mm的塊煤分選,分選后煤中帶矸率為1%~3%,具有分選精度高、粒級寬、處理能力大等特點,并已成功用于井下;河北精密機械制造有限公司研發(fā)了DDS型智能選矸系統(tǒng),該系統(tǒng)具有深度學(xué)習(xí)能力,可以實現(xiàn)無人值守,滿足多種現(xiàn)場的實際生產(chǎn)需求,并適合多種現(xiàn)場智能干選的改造;安徽中科光電色選機械有限公司研發(fā)了ICS型煤炭智能干選機,可適用寬粒級塊煤分選;巨龍融智機電技術(shù)有限公司研發(fā)了γ射線類型的GDRT型智能分選系統(tǒng),通過現(xiàn)場調(diào)試與技術(shù)改造,該系統(tǒng)實現(xiàn)了選煤效率達到95%以上;凱瑞斯礦業(yè)設(shè)備技術(shù)(北京)有限公司研發(fā)了CXR型智能干選機對煤炭物料進行優(yōu)化分選,分選效率達到95%以上,矸中帶煤低于2%;北京霍里斯特科技有限公司研發(fā)了T104型智能干選機,配備高壓氣噴系統(tǒng)實現(xiàn)被分選對象的空間分離;陜西中環(huán)機械公司研發(fā)了KGX型智能干法煤矸分選系統(tǒng),該系統(tǒng)處理能力可以達到180~280 t/h,排矸率可達95% ,矸中帶煤率也可小于2%。
2.3.1 分選原理
風力選煤技術(shù)可細分為風力搖床技術(shù)[17]和風力跳汰技術(shù)[18]。
(1)風力搖床分選原理。原煤物料進入床面后在搖動和氣流的作用下發(fā)生分散,進入到床面凹槽的物料受到分選介質(zhì)的作用發(fā)生分層,上層精煤由于床面的縱向傾角和搖動發(fā)生遷移進入下一分選凹槽,如此反復(fù)分選直至精煤由排料邊緣排出,而凹槽底部的矸石受搖動力和物料推力作用向床面末端移動并排出。
(2)風力跳汰分選原理。通過脈沖氣流使分選原煤物料顆粒流化,氣流關(guān)閉后,由于精煤和矸石的密度差異引起沉降速度不同而實現(xiàn)顆粒分層,分選床內(nèi)部設(shè)有水平分割堰裝置,使精煤自溢流堰上方自然溢出,而密度高的矸石則自溢流堰下方排出,經(jīng)過脈沖氣流多次流化-沉降之后,分選出合格的精煤產(chǎn)品。
2.3.2 應(yīng)用情況
(1)在風力搖床技術(shù)利用方面,已經(jīng)開發(fā)出KAT型和FX型分離器進行風力選煤,其中KAT型分離機由韓國地質(zhì)礦產(chǎn)研究所開發(fā),主要由分離床表面、供氣裝置、振動裝置、擋板和分離器組成,振動強度、分選床表面和間隔棒傾角可以根據(jù)分選實際情況要求進行調(diào)整。煤炭科學(xué)研究總院研發(fā)了FX型分離器,中國煤炭科工集團唐山分院在FX型分離器基礎(chǔ)上設(shè)計了FX-25型分離器,主要在原有基礎(chǔ)上增加了床面面積。
(2)在風力跳汰技術(shù)利用方面,德國亞明公司研發(fā)了Allair型分離器,國產(chǎn)機型主要有TFX型和TGS型等分離器用于風力跳汰選煤。
2.4.1 分選原理
通過氣流和二元加重質(zhì)顆粒,形成一定密度的似流體(流化床層),物料進入流化床層后,不同密度組成的原煤物料按流化床層密度分層,其中高于流化床層密度的物料下沉,低于流化床層密度的物料上浮,最后再由排料裝置將各自產(chǎn)品排出[19]。
2.4.2 應(yīng)用情況
流態(tài)化干法選煤技術(shù)的研究和工業(yè)應(yīng)用開始與20世紀20年代,之后引起眾多學(xué)者的研究。20世紀70~80年代,蘇聯(lián)研制出了CBC-25型和CBC-100型樣機;加拿大學(xué)者研制了鏈動逆流流化床半工業(yè)選煤裝置,實現(xiàn)鏈動排料。20世紀80年代,加拿大學(xué)者在鏈動逆流流化床的基礎(chǔ)上研制了氣動逆流流化床,在裝置右端通入氣體,氣體自左向右運動實現(xiàn)排料;德國亞琛大學(xué)利用振動流化床對-3 mm的細粒煤實現(xiàn)了較好的分選[20-21]。
我國的氣固流態(tài)化干法選煤技術(shù)開始于1984年,主要是由中國礦業(yè)大學(xué)陳清如院士開創(chuàng)了空氣重介流化床干法選煤的研究。經(jīng)過多年研究工作,成功建成了第一座空氣重介流化床選煤系統(tǒng)工業(yè)試驗系統(tǒng)。在此研究的基礎(chǔ)上,中國礦業(yè)大學(xué)教授趙躍民及其研究團隊創(chuàng)新發(fā)展了煤炭氣固分選流態(tài)化理論,經(jīng)過多年研究探索并與神州機械集團成功合作,于2013年在新疆建立了世界上首座模塊式空氣重介流化床選煤廠,以磁鐵礦粉和煤粉為二元加重質(zhì),達成了對6~100 mm原煤的分選,可能偏差為Ep為0.055 g/cm3,數(shù)量效率大于95%,實現(xiàn)精煤超低灰分3.46%??諝庵亟榱骰策x煤技術(shù)工藝的工業(yè)應(yīng)用具有顯著的節(jié)水效果好、選煤效率高、占地面積小、投資低、建設(shè)周期短、設(shè)備穩(wěn)定可靠、運行平穩(wěn)等優(yōu)點,成功解決了干旱地區(qū)選煤缺水問題,為我國西部干旱缺水地區(qū)的煤炭分選提供了又一條有效途徑[22]。
在“雙碳”目標的新形勢下,基于我國煤炭資源分布的特殊性,干法選煤技術(shù)的大規(guī)模推廣勢在必行,尤其是我國西部干旱缺水地區(qū)。同時,要繼續(xù)進行以下干法選煤關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。
(1)細粒煤分選。細粒煤分選一直是干法選煤技術(shù)的難點,空氣重介干法選煤技術(shù)對小于1 mm的細粒煤無論在空氣重介流化床中還是在有外加能量的流化床中,細粒煤受到的干擾力都較大,且無法受到床層浮力按照密度進行有效分層,尤其是小于0.5 mm的細粒煤因氣流曳力和加重質(zhì)顆粒影響大部分集中在流化床上層,風力分選和光電分選也無法對細粒煤進行有效剔除。其中對顆粒間氣流能量傳播和其他外加能量傳播機制解析,是實現(xiàn)穩(wěn)定密度調(diào)控和解決細粒煤分選的關(guān)鍵。
(2)干法選煤智能化。干法選煤智能化、無人化技術(shù)仍然需要大量研究,在傳統(tǒng)干法選煤基礎(chǔ)上實現(xiàn)的智能干選只是半智能化;干法選煤的智能化對煤炭行業(yè)實現(xiàn)低碳綠色發(fā)展、節(jié)能減排和選煤產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要的戰(zhàn)略意義,突破重點在于建立合適的數(shù)據(jù)分析模型、豐富大數(shù)據(jù)資源庫以及優(yōu)化升級相關(guān)參數(shù)等。
(3)高精度和寬粒級入選。實現(xiàn)高精度和寬粒級入選是干法選煤技術(shù)突破的重點,立足于干法選煤的工程實際問題,干法選煤的基礎(chǔ)理論研究和實驗設(shè)備的優(yōu)化對實現(xiàn)高精度干法選煤具有指導(dǎo)意義。
(4)優(yōu)化輔助系統(tǒng)。為實現(xiàn)干法選煤綠色無污染發(fā)展,必須降低噪聲和粉塵污染,改善工作人員的工作環(huán)境;因此優(yōu)化干法選煤輔助系統(tǒng)非常必要。
(5)固廢高值化利用。加大對煤炭干選后尾礦和伴生礦物的處理,并實現(xiàn)固廢高值化利用,也是干法選煤技術(shù)應(yīng)用中亟需解決的問題之一。
在“雙碳”目標的新形勢下,提高煤炭入選比例成為實現(xiàn)“雙碳”目標的必然要求。根據(jù)我國煤炭資源分布特點和行業(yè)需求,結(jié)合干法選煤的優(yōu)勢,促進干法選煤技術(shù)的推廣應(yīng)用十分必要,尤其是我國西部干旱缺水地區(qū)。未來要加大干法選煤技術(shù)的推廣應(yīng)用力度,同時要對干法選煤中的關(guān)鍵技術(shù)以及難點、重點技術(shù)問題加大科技攻關(guān)力度。