碳达峰碳中和战略目标下选煤技术发展的思考

程宏志

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

煤炭是我国能源安全的“压舱石”。中共中央政治局常委、国务院副总理韩正在2022年3月22日主持召开的煤炭清洁高效利用工作专题座谈会上指出，切实发挥煤炭的兜底保障作用，要深刻认识推进煤炭清洁高效利用是实现碳达峰碳中和目标的重要途径，统筹做好煤炭清洁高效利用这篇大文章，并强调，要推动煤炭清洁高效生产和洗选，加强先进技术推广应用和关键核心技术研发攻关[1]。降碳减排并非不需要化石能源，而是要以技术创新推动煤炭清洁高效利用，实现煤炭由单一燃料属性向燃料与原料并重、分质梯级利用方向转变。选煤是洁净煤技术的源头和基础，原煤只有通过分选加工，才能为不同用户、不同用途提供高品质的煤炭产品，促进节能减排。对于发电用煤,发热量每降低4.18 MJ/kg，发电时的标准煤耗将增加80～100 g/kWh[2]，由此可见，为电厂提供合格燃料的节能减碳效果显著。此外，每入选1亿t原煤,可排除矸石1 800万t、黄铁矿150万t,减少二氧化硫排放49万t；炼焦煤灰分每降低1个百分点, 焦炭灰分可降低1.33个百分点，生铁产量可提高3%;焦炭硫分每降低0.1个百分点,生铁产量可提高2%[3]。新形势下,选煤工业承担着提升煤质水平、助力实现碳达峰碳中和战略目标的历史使命。发展选煤是推进煤炭供给侧结构优化、消费侧能效提升、清洁高效低碳利用的重要基础。

“十三五”期间，煤炭洗选加工技术快速发展，千万吨级湿法全重介选煤技术、大型干法分选技术、低阶煤泥浮选技术、原煤井下排矸技术成功应用。2020年，原煤入选率达到74.1%，比2015年提高8.2个百分点；煤矸石综合利用处置率达到72.2%，比2015年提高8个百分点[4]。到“十四五”末，原煤入选率要达到80%左右[5]，实现应选尽选。

1 我国选煤工业技术现状

1.1 选煤工业呈现集约化快速发展，原煤入选量大幅提升

据不完全统计,截至2021年，我国在运行的规模以上选煤厂2 400多座,原煤入选能力为34亿t/a，其中炼焦煤约10亿t/a，动力煤约24亿t/a，单厂平均入选能力达到140万t/a。新建了一大批具有世界先进水平的大型、超大型选煤厂。近年来，新建的炼焦煤选煤厂生产能力均在120万t/a以上，新建的动力煤选煤厂生产能力则均在300万t/a以上。截至2021年，原煤入选能力达到或超过1 000万t/a的特大型选煤厂有84座,总计入选能力超过13亿t/a,占当年总入选能力的38.2%[3]。与2010年相比，规模以上选煤厂数量增加约600座，年入选能力增加16.4亿t；1 000万t/a及以上的特大型选煤厂数量增加43座，总计入选能力增加7.05亿t/a。千万吨级特大型选煤厂平均入选能力达1 500 t/a。

2005—2021年我国原煤产量及入选情况见表1[3,6-7]。

表1 2005—2021年我国原煤产量及入选情况Table 1 China′s raw coal outputs and treatment rates in 2005—2021

由表1可知：在2005—2020年间，原煤入选量逐年增长率均高于原煤产量增长率。“十一五”期间，原煤入选量从2005年的7亿t增长到2010年的16.5亿t，年入选量增加9.5亿t，入选率提高19.0个百分点；“十二五”期间，年入选量增加8.2亿t，入选率提高15.0个百分点；“十三五”期间，年入选量增加4.4亿t，入选率提高8.8个百分点。

1.2 选煤技术居国际先进或领先水平

我国煤炭资源丰富，煤种牌号齐全，煤质差别大，产品用途广泛，因而跳汰、重介、浮选、干选等各种选煤方法均有应用。自20世纪90年代以来，我国大力加强选煤科技攻关，研发出一大批具有自主知识产权的高效选煤工艺与成套装备。在重介质选煤方面，形成了原煤不脱泥无压三产品重介质旋流器+煤泥重介质旋流器简化工艺、原煤脱泥分级重介质旋流器分选工艺、块煤浅槽重介分选机+末煤重介质旋流器分级洗选工艺；在跳汰选煤方面，形成了块煤跳汰、末煤跳汰、块末煤混合跳汰工艺；在煤泥浮选方面，形成了分级浮选、粗选-精选、脱泥浮选工艺；在干法选煤方面，形成了风力分选、光电射线智能干选、空气重介分选工艺；在低阶动力煤洗选方面，形成了脱粉入选工艺；等等。我国选煤技术已跻身国际先进行列，基本满足了不同原煤的分选加工需求。

近年来，重介质选煤技术以其分选精度高、分选粒度范围宽、自动化程度高、生产能力大、对煤质适应能力强等优点，得到了普遍应用，成为主导选煤方法。根据中国煤炭加工利用协会统计的2000年以来各种选煤方法所占比例(表2)[3,6-7]，重介质选煤方法应用比例已由2000年的28%上升到2021年的80%。

表2 各种选煤方法所占比例Table 2 Proportions of various coal cleaning methods applied in different years %

1.3 设备大型化发展且可靠性显著提高

在重介质选煤方面，入选能力为1 600万t/a的临涣选煤厂采用S-3GHMC870/410型超级重介质旋流器分选较难选炼焦煤，单台旋流器入选原煤量已达810 t/h、400万t/a，在50～0.5 mm粒度范围内，各粒级分选的可能偏差均在0.05 g/cm3以下，数量效率均超过98%[8]。不仅重介质选煤工艺与主选设备取得了重大进步，而且全系统设备(介质泵、脱介筛、离心机等)的技术性能和使用寿命也均有了大幅提高，从而为重介质选煤系统的可靠运行提供了保障；各种耐磨材料的开发与使用，延长了非标设备和介质管道的使用寿命，大幅减少了维修维护工作；此外，在线检测与自动化水平迅速提高，为稳定产品质量、提高分选效率和劳动生产率奠定了技术基础。我国重介质选煤方法洗选的原煤量已由2010年的9亿t提高到2021年的23.7亿t。

在煤泥浮选方面，入选能力为1 000万t/a的山东新巨龙选煤厂于2018年进行了浮选系统改造，采用5台XJM-KS45型自吸气机械搅拌式浮选机(4室/台)和粗选-精选工艺，替换了原10台K-FV50NS充气式浮选机(德国引进)和粗选-扫选工艺。该厂原煤可选性等级为极难选，要求生产灰分在8.00%(或8.50%)以下的炼焦精煤。根据生产检查资料[9]，改造前该厂浮选入料灰分为19.31%，精煤灰分为9.45%，尾煤灰分为46.93%。经过技术改造，在浮选入料灰分为22.64%的条件下，精煤灰分为8.58%，尾煤灰分为50.34%。改造后，精煤灰分降低了0.87个百分点，精煤产率由64.82%提高到66.34%，增加了1.52个百分点；浮选完善指标从48.80%提高到53.24%，增加了4.44个百分点。

干法分选具有选煤不用水、建厂投资少、加工成本低、不产生煤泥水等优点，特别适用于高含矸原煤预排矸、易泥化原煤分选以及干旱寒冷地区煤炭的分选。目前，分选下限为6 mm的风力选煤设备单机最大处理能力已达到 500 t/h[10]。神华集团万利公司柳塔矿应用的FGX-48型复合式风力干选机分选不完善度为0.084，数量效率达95.18%[11]。光电智能分选机(也称射线智能分选机)已成功应用于300～50/25 mm粒级块煤分选[11]。黄陵一号煤矿选煤厂采用TDS24-300型智能干选机对>50 mm粒级块原煤进行排矸，选后煤中含矸率平均为4.57%，矸石带煤率平均为2.40%[12]；曙光煤矿选煤厂采用TDS20-204型智能干选机对200～40 mm粒级块原煤进行排矸，入料含煤率约为5.94%，选后煤中含矸率为10.26%，矸石带煤率为0.83%[13]。

2 “双碳”目标下选煤技术发展的思考

碳达峰碳中和战略目标正在加速推进煤炭由燃料向燃料与原料并重方向转变，催生了对选煤新技术的更高要求，为选煤行业迎来了转型升级的发展机遇。

2.1 应加强煤岩显微组分分选技术研究

现代煤化工是煤炭清洁高效利用的重要途径，面对低阶煤低温热解分质利用、清洁高效转化等现代煤化工产业对高品质原料煤的需求，加强煤岩显微组分分选技术的研究与应用，可促进煤化工产业低碳化发展，提高煤炭利用效能。在我国已探明的煤炭储量中，有超过40%的优质低阶烟煤具有低灰、低硫、低磷、高挥发分、高活性、易燃易碎等特点，是优质的动力用煤和化工原料。由于普遍具有惰质组分含量高(在35%以上)的缺点，导致煤在直接液化、热解、催化解聚等过程中表现出能量转化效率和碳转化效率低等不足；此外，由于煤岩显微组分嵌布结构的复杂性，给煤岩显微组分的分离富集带来了一定的难度和挑战，严重制约了低阶烟煤清洁高效利用技术的发展[14]。

煤具有多组分性，不同煤岩显微组分的结构和性质不同，其中富镜质组煤在热解、焦化、气化、液化、炼焦、制备煤基复合材料等方面具有较大优势，而富惰质组煤则更适合制备活性炭、石墨材料和碳素材料。

周安宁等[15]综述了部分地区原煤及其显微组分富集物热解焦油的产率，见表3；部分地区不同低阶煤显微组分组成及其液化试验结果见表4。由表3、表4可知，煤热解时焦油产率、煤液化时油产率均随镜质组含量增加而明显升高。

表3 部分地区原煤及其显微组分富集物热解焦油产率Table 3 Data of yield rates of pyrolysis tar oil obtained from enriched materials from raw coal and its macerals in some mining areas %

表4 部分地区不同低阶煤显微组分组成及其液化试验结果Table 4 Maceral components of different low-rank coal in some mining areas and results of liquefaction test %

门东坡等[16]研究了镜质组含量为55.14%、惰质组含量为41.70%的神东长焰煤在不同破碎粒度下显微组分解离规律，结果表明：当解离粒度为0.125 mm时，镜质组、惰质组单体解离度分别达到91.77%，86.77%；对破碎至0.125 mm以下的煤样，采用离心浮沉试验方法，在分选密度为1.33 g/cm3时，可获得镜质组含量为89.05%、产率为58.72%的镜质组富集物。

刘朋[17]研究了宁东矿区羊场湾洗煤厂精煤(主要供给煤化工基地作气化用煤，镜质组含量为51.7%，惰质组含量为41.4%)煤岩组分分离特性，将煤样磨至0.125 mm以下，采用离心浮沉试验方法，按照1.26，1.34，1.38 g/cm3将煤样分为4个密度级别，试验结果为：<1.26 g/cm3密度级产率为3.63%，镜质组含量为60.7%，惰质组含量为31.2%；1.26～1.34 g/cm3密度级产率为55.35%，镜质组含量为64.6%，惰质组含量为32.3%；1.34～1.38 g/cm3密度级产率为31.82%，镜质组含量为38.8%，惰质组含量为55.4%；>1.38 g/cm3密度级产率为9.21%，镜质组含量为24.4%，惰质组含量为63.9%。由此可见，<1.34 g/cm3密度级产物富集了镜质组分，而>1.34 g/cm3密度级产物富集了惰质组分。

然而，由于煤岩显微组分充分解离后粒度细且不同组分密度差别小，因此煤岩显微组分分选难度极大，至今尚未实现工业化。面对现代煤化工产业对高品质原料煤的需求，认为应从浮选、重选、光电色选等方面加强煤岩显微组分分选技术研究，一旦突破，对提高选煤技术整体水平具有极大推进作用。

2.2 攻克粉煤干选技术难题

发热量是动力煤的主要指标。粉煤(粒度在6 mm以下)洗选后虽然灰分降低，但是水分明显升高，尤其煤泥滤饼的水分通常在20%以上，导致粉煤洗选后产品发热量不升反降，因此近年来低阶动力煤多采用脱粉入选工艺，以大大减少煤泥的入选量。然而，随着近年来采煤机械化程度的提高，矿井开采出的原煤中粉煤含量越来越高，2012年宁东矿区羊场湾、枣泉、梅花井、红柳、清水营等5座1 000～1 600万t/a特大型选煤厂原煤生产大样筛分资料显示：<6 mm粒级粉煤产率分别为30.13%，31.58%，43.01%，50.41%，53.94%，平均值为41.81%；而粉煤灰分分别为10.06%，13.80%，21.36%，28.04%，17.65%，平均值为18.16%；原煤灰分分别为12.39%，14.73%，24.03%，34.27%，19.50%，平均值为20.89%，与粉煤灰分相差不大。脱粉入选虽然可实现煤泥减量化入选，但是会导致有30%～40%的原煤不能得到分选。目前，突破6 mm入选下限的粉煤干选技术尚未规模化应用。干法末煤跳汰机于2015年在山西猫儿沟煤矿、河南郑新鑫旺煤业等单位应用。TFX-8型干法末煤跳汰机在分选外在水分在8%以下的<13 mm粒级易选末煤时，对其中灰分为18.75%、产率为86.80%的13～1 mm粒级末原煤，可选出灰分为7.67%、产率为66.74%的精煤和灰分为29.18%、产率为7.15%的中煤，以及灰分为70.22%、产率为12.91%的矸石，分选可能偏差为0.203 g/cm3,数量效率为89.53%[18]。

2015—2021年我国动力煤原煤产量和商品煤发热量情况见表5[3]。虽然原煤入选比例由2015年的65.9%逐年上升到2020年的74.7%(2021年为71.7%)，但商品煤发热量始终在19.31～19.78 MJ/kg之间波动，没有明显变化，这一方面是受动力煤价格体系的影响，另一直接影响是粉煤尚不能得到有效分选。

表5 2015—2021年我国动力煤原煤产量和商品煤发热量统计数据Table 5 Statistical data of raw power coal outputs and calorific values of saleable power coal in 2015—2021

2.3 深入研究大宗低阶煤泥提质与利用技术

针对长焰煤、不黏煤等低阶煤表面含氧官能团多、疏水性差的浮选难题，一方面需要深入研究不同类型捕收剂与低阶煤表面作用机理，筛选优化捕收剂分子结构，改善煤粒疏水性；另一方面还要研究适用于低阶煤的浮选工艺，并优化搅拌强度、矿浆流态、充气速率、浮选时间等操作参数，以强化浮选过程。近年来，多名学者进行了相关研究工作，均取得了具有应用价值的学术成果。郑云婷[19]进行了低阶煤表面性质研究与浮选药剂的筛选工作；许晨涛[20]进行了低阶烟煤浮选捕收剂组分分离及改性优化的研究；谭金龙[21]研究了C—O/Si—O复配捕收剂协同强化低阶煤浮选界面作用机制。在工业应用方面，中煤科工集团唐山研究院有限公司于2014年在陕西中达燕家河选煤厂(生产能力为300万t/a，全粒级入选)进行了不黏煤浮选提质工业性试验示范，采用一台XJM-KS28型浮选机分选全厂煤泥，在浮选入料平均灰分为42.20%的条件下，获得了平均灰分为16.00%、产率为55.56%的浮选精煤，尾煤灰分高达75%，使煤泥产品发热量由13.81 MJ/kg提高到22.63 MJ/kg，商品煤产量增加15万t/a，企业利润增加1 686万元/a；此外，将浮选尾煤与矸石混合制砖，也取得了显著的经济效益和环境效益[22]。2015年8月，中煤科工集团唐山研究院有限公司在朔州中煤平朔能源有限公司选煤厂(生产能力为1 100万t/a，全粒级入选)进行了长焰煤浮选工业性试验示范，采用一台XJM-S90型机械搅拌式浮选机处理全厂煤泥水(2 400～3 000 m3/h)，在浮选入料平均灰分为26.44%条件下，获得了平均灰分为14.16%、产率为61.64%的精煤，尾煤平均灰分为47.04%，精煤可燃体回收率为72.06%[23]。

由于不同矿区的低阶煤即使牌号相同，其孔隙率、官能团、内在水分等影响可浮性的因素也存在较大差异，因此今后需要深入研究适用于不同性质低阶煤浮选的药剂匹配、浮选工艺参数匹配，以进一步提高低阶煤浮选选择性和浮选效率。此外，还需研究煤泥深度加工技术。煤泥粒度细，煤岩显微组分和煤矸的解离度均高于粗粒煤炭，通过深度分选加工，不仅精煤可作为现代煤化工等行业分质利用的高品质原料，而且尾煤粒度细、纯度高，可因地制宜，作为建材、陶瓷等行业的原料。

2.4 加强选煤基础理论研究，为高效智能生产奠定基础

选煤理论与控制模型的建立是实现智能生产的重要基础。应在各种选煤方法分选机理研究的基础上建立各影响因素间的数学模型或经验模型，作为制订控制策略的重要依据。以浮选生产为例，在选煤厂工艺流程和设备(浮选机)定型后，影响生产能力和产品指标的主要操作因素包括但不限于：与入浮煤泥可浮性、矿浆流量、矿浆浓度及煤泥粒度分布相匹配的药剂制度，如浮选药剂种类、添加量、加药点位置及比例分配等；与入料量和可浮性相匹配的充气量；与入料量、精煤产率、槽间中矿流量、尾矿流量相匹配的各浮选槽液位高度；与精煤产品灰分相关的泡沫状态；与浮选速度(处理能力)相关的搅拌强度、充气速率和流体动力学参数；等等。如果缺乏对各因素之间作用机理、响应机制和规律性的研究，则难于科学制订控制策略，无法实现智能生产。虽然在线检测入料和产品质量(灰分)是智能化的重要前提，但是仅依赖在线检测仪表数值的反馈只是质量反馈控制，与智能化还有很大差距。

3 结语

选煤是节能节运、清洁高效低碳利用煤炭的重要基础。在碳达峰碳中和战略目标下，面对煤炭清洁高效低碳利用的重大需求，应加强煤岩显微组分分选、粉煤干法分选、大宗低阶煤泥提质与利用、选煤基础理论的研究与科技攻关，以推动选煤技术整体水平的提高，为现代煤化工、煤电产业提供高品质原料和燃料，提高煤炭利用效能。