煤炭干选新技术的研发应用和发展趋势

杨 飞，李 磊

(1.唐山市神州机械有限公司，河北 唐山 063001；2.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 干选的意义

2018年我国原煤产量约36亿t，其中炼焦煤为10亿t，动力煤26亿t。炼焦煤基本实现100%入选，分选工艺以重介分选和浮选为主。动力煤入选比例只有61%，有近10亿t动力煤未经任何分选直接燃烧或使用。我国电力行业实行了全世界最严格的燃煤电厂大气污染物排放标准，新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)于2012年1月1日正式实施[1]。新排放标准对烟尘、二氧化硫、氮氧化物及重金属排放控制要求都有了很大的提高，新标准中规定新建火力发电厂烟尘颗粒物浓度不大于20 mg/m3，SO2不大于100 mg/m3，NOx不大于100 mg/m3，Hg不大于0.03 mg/m3。严格要求煤质含硫量低、灰分较低、挥发分高、低位发热量高、确保机组负荷运行相对平稳等都是实现电厂“近零排放”的必要条件。但对于我国目前平均质量为含硫量超过1%、灰分近30%的电煤来讲，达到新的排放限值尾气处理成本较高，煤炭燃烧前选煤降灰降硫仍然是控制燃煤电厂污染物排放的第一步骤，也是最经济的手段。

动力煤入选比例较低的原因包括：末煤产品洗选后水分增大热值提高不显著，洗选经济效益差；高水分煤泥产品储运困难，冬天易冻结，露天堆存污染严重等。近年来随着国家对环保要求的提高，为克服动力煤水洗的种种弊端，开发高效的干法选煤工艺和设备，加大动力煤入选量，降低动力煤产品灰分和硫分，提高发热量已经成为必然趋势。经过多年研发，干法选煤技术具备了大规模应用的条件。干选具有不用水，不消耗磁介质，没有煤泥水系统，不消耗水处理化学药剂，同时投资和运营成本低等优势。本文对煤炭干选新技术的研发和应用作简要总结。

2 干选设备种类系列化

按照设备分选原理来说，目前获得工业应用的干选机分为三种：复合式风选机，射线类块煤分选机和空气重介质分选机。

(1)复合式风选机主要利用机械振动力和风力鼓风作用实现原煤基本按密度差分选。机械激振力可由振动电机或差动传动机构提供。主要设备是风力摇床式分选机，如唐山神州机械有限公司(以下简称唐山神州)的复合式FGX和ZM系列设备[2-3]，其他公司的FX系列[4-5]和CFX系列[6]。复合式风选机可以对混煤(100～0 mm)和块煤(100～13 mm)进行分选。通过操作参数的调整，风力摇床式分选机也可单独处理小于13 mm末煤，如唐山神州的ZM系列末煤分选机[7]。一些公司在风力摇床式分选机中引入脉动气流开发了末煤跳汰干选机[8-9]，典型产品如德国Allmineral公司的Allair Jig小于50 mm末煤跳汰机[9]。各种典型风力分选设备参数见表1。

(2)空气重介分选机利用空气动力学使压缩空气和磁铁矿干粉形成一定密度的稳态流化床层实施矿物分选，按照阿基米德原理，密度高于该气固两相流化床的物料则下沉，密度低于该流化床的物料则上浮，从而实现物料按密度分选。空气重介分选机有唐山神州的GXZ系列设备[10]以及徐州达沃能源科技有限公司GXM空气干砂分选机。空气重介分选机还处于初步小规模应用阶段，需要克服对原料表面水分要求高、分选粒度下限高、处理能力小等缺点。

(3)与基于阿基米德原理的重选工艺不同，射线类智能干选技术是将原煤颗粒单层平铺或逐个纵向排队后，采用射线或图像等传感器进行煤矸识别，再通过压缩空气或其它电动机构将煤矸分开的技术。智能干选系统包括给料、布料、识别、执行几大主要系统以及除尘、配电、控制等辅助系统。智能分选原理可以分为4种：X—射线，γ射线，色差，无辐射智能识别分选系统。根据矸石击打执行方式不同，分为机械式和高压风喷嘴式2类。市场上出现的X—射线智能分选机有唐山神州的IDS系列分选机[11]，天津美腾的TDS系列分选机[12]，波兰CXR系列智能干法分选机[13]和德国TOMRA公司的COMXRT 系列X—射线分选机等[14]。γ射线分选机有北京巨龙融智的GDRT系列设备[15]。其他智能分选机有基于图像识别的无辐射大块煤分选机(河北钦佩科技有限公司)，对煤矿进行3D照相计算体积的同时进行胶带机下传感称重，从而得到单块煤的密度。开滦集团参与研发的人工智能(AI)煤矸分选机器人等，依据图像识别数据由机械手选择性抓取煤炭实现煤矸分离。不同类型的块煤智能分选机参数见表2。

表2 部分块煤智能分选机参数

3 设备处理能力扩大

随着煤矿兼并和矿井产能核定的治理，煤矿生产能力越来越大，也对干选设备的处理能力提出更高的要求。复合式干选FGX和ZM单元模块最大处理能力达到3.0 Mt/a，IDS型X—射线智能分选设备单通道最大处理能力达到240 t/h。近期临矿集团上海庙矿业集团一号井选煤厂小于30 mm末煤干选系统装机处理能力达到9.0 Mt/a，临矿集团上海庙矿业集团榆树井选煤厂小于80 mm混煤处理能力达到6.0 Mt/a，河南能源化工集团贵州豫能投资有限公司高山矿选煤厂小于13 mm末煤处理能力达到0.9 Mt/a。霍林河南露天矿处理脏杂煤干选系统处理能力达到2.0 Mt/a。这些大型干选示范项目的建成标志着干选系统处理能力已经可以满足大型煤矿对选煤能力的要求。

4 分选精度提高

新型ZM矿物高效分离机分选80～0 mm粒级物料时，有效分选粒度范围为80～3 mm，高密度1.7～2.3 g/cm3排矸时，分选Ep值在0.13～0.23 g/cm3范围内，其中对大于13 mm块煤的分选精度达到跳汰机的分选水平，X—射线类分选精度也基本等同甚至超过跳汰机。因此在分选可选性为易选或极易选块煤时具有分选效率高的优势。如同煤集团色连一矿选煤厂对热值14.31 MJ/kg的大于25 mm块原煤采用重介浅槽分选，2018年部分月份生产化验结果如表3。

表3 +25 mm块煤重介浅槽湿法分选和干法分选对比

湿法分选后块精煤全水分接近28%，水分较原煤增加约4.5个百分点，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块精煤全水分基本在24%～25%范围内，在灰分接近的情况下，干选块精煤水分比重介块精煤水分低2%～3%，干选精煤热值比水洗精煤高0.837～1.255 MJ/kg。因此从提高动力煤热值角度看，对水洗过程中吸水能力较强的低阶煤如褐煤、不粘煤和长焰煤块煤的分选，干选可以达到和重介分选相同或更好的效果。空气重介分选机分选精度也接近水洗重介浅槽分选机。考虑到干选不增加精煤水分，如果按照块精煤热值考察分选效果，则易选煤干选效果基本和水洗效果相当。各种干选技术分选精度对比见表4。就分选精度而言，干选设备已经基本满足动力煤排矸的需求。

表4 常用干选技术分选密度和分选精度对比分类

5 除尘效果改善

传统的干选系统一般采用露天布置，原煤和产品也露天堆放，粉尘和噪音不能满足环保要求。在新的环保政策严格要求下，干选系统采用室内布置设计，不允许露天布置，原煤和产品仓储封闭运行，给除尘系统提出新的更高的要求，部分地区要求粉尘排放浓度小于20 mg/m3，室内粉尘浓度小于10 mg/m3。

传统复合式干法选煤设备的除尘系统一般采用并列除尘工艺和负压操作以保证除尘效果。在干选机上方设吸尘罩，二者之间设橡胶密封帘。吸尘罩顶部设出风口，经风管引入两套并列除尘器。第一条风管引入旋风除尘器，除尘后的空气进入主风机，由主风机将循环风送入干选机。旋风除尘器除尘效率为80%，除尘目的是保护风机叶轮少受磨损；第二条风管将含尘气体引入袋式除尘器，除尘后的净化空气由引风机引出排入大气，形成开路。引风机的风源是将干选机周围的空气通过密封帘缝隙进入干选机，在干选机内形成负压，使含尘气体不能外溢，保证了工作环境不受粉尘污染。布袋除尘器收集的煤粉并入精煤回收利用。袋式除尘器除尘效率为99.5%，保证排除的净化气体含尘量低于国家废气排放标准80 mg/m3。

唐山神州在开滦矿业集团东环坨矿[16]，临矿集团榆树井和一号井矿选煤厂等干选系统设计中均采用多级除尘设计[17-18]，在旋风除尘器和布袋除尘器前增加沉降室。重力沉降室除尘效率一般为30%～70%，大幅降低了进入原除尘系统的粉尘负荷，既降低了粉尘排放浓度也降低了主风机循环风中粉尘浓度，减少了风机叶片磨损。

干选厂主要噪声源来自主厂房，主要噪声设备有：风机、溜槽等。声压级在90～105 dB(A)之间。选煤厂主要噪声源设备为溜槽和风机，声压级为95～102 dB(A)。为了符合标准要求，采取以下治理措施。

(1)在设备选型时选择噪声值低的设备，有利降低噪声值。

(2)设备安装时采取防震、减震等措施，并注意安装精度，避免任何因安装不良而产生的噪声，振动设备加减振装置。

(3)改进溜槽设计，实现“煤砸煤”，避免煤对溜槽金属壁的冲击。设计中除尽量减少各种溜槽的落差外，在溜槽的内侧镶嵌耐磨阻尼减振元件，在溜槽外壁加装阻尼吸隔声板。

(4)干选机设立封闭体，降低粉尘及噪声污染。封闭体内喷涂一层一定厚度的隔音保温材料，如在ZM干选机周围组装成封闭体，起到防尘降噪的作用。经过上述噪声防治措施，干选厂可满足《工业企业厂界噪声标准》Ⅲ类要求，即夜间噪声值不大于55 dB(A)，白天不大于65 dB(A)。

2019年1月对榆树井干选系统进行了污染物排放浓度和噪声水平检测。结果表明，引风机排放粉尘浓度平均为30 mg/m3，工作环境无组织排放浓度小于1 mg/m3，厂界噪声昼间小于60 dB(A)，厂界噪声夜间小于50 dB(A)，粉尘排放浓度和噪声均达到相关环保标准。

6 易泥化煤的分选

煤炭开采过程中顶、底板和矸石夹层易混入原煤中，如矸石为泥质页岩，水洗过程中矸石浸水后，产生大量的高灰细泥，改变了煤泥水的酸碱度和颗粒的表面电性，形成溶胶，使微小颗粒长期悬浮于水中，产生泥化现象。泥化现象越严重，高灰细泥越多，煤泥水越难处理。大量高灰煤泥的存在势必影响末煤特别是煤泥的脱水效果。而煤炭干选可以克服上述易泥化煤水洗的弊端，在实际应用中，针对水洗厂存在的易泥化煤入选比例低、洗选效果差的问题，可以采用干选工艺对动力煤选煤厂进行技术改造，在新建设的易泥化煤煤矿中则可以完全采用干选工艺建设新的配套选煤厂。 沈煤集团盛隆公司碱场矿建设了处理能力100万t的末煤干选项目，解决了含白色泥岩末煤不能水洗的问题。山东能源临矿集团榆树井选煤厂，一号井选煤厂均废弃原有水洗系统，采用干选技术解决了易泥化褐煤重介分选难、分选效益差的难题[17-18]。

7 末煤的分选

和水洗设备比较，干选设备有效分选粒度下限一般较高。如FGX通用型的设备一般分选下限为6 mm，ZM干选机分选100～0 mm混煤时，一般分选下限达到3 mm。 新的ZM末煤分选设备可以专门对13～0 mm末煤进行分选，分选下限可达1 mm。分选末煤时ZM型高效矿物分选机和传统水洗设备分选性能对比见表5。

煤泥水洗设备种类繁多，如煤泥重介旋流器、TBS干扰床分选机、螺旋分选机等，降灰分选效果良好，但精煤水分显著增加这一缺点冲抵了煤泥水洗降灰效果。目前为止还没有出现有效分选小于1 mm煤泥的干选设备，干选过程中只是将小于1 mm煤粉混入精煤产品销售，实现无水洗煤泥生产。

表5 小于13 mm末煤各分选工艺分选指标

当前从易泥化动力煤热值提高角度看，无论是水洗设备还是干选设备均不能达到有效提高煤泥热值的目的。但动力煤精煤产品质量一般要求不高，因此即使干选不能和水洗设备一样深度降灰，但干选不增加水分，干选设备只要能对25～1 mm进行有效分选，基本能满足小于25 mm末煤动力煤分选提质要求。

对只分选块煤的部分入洗选煤厂可以采用干选技术进行改造，在块煤水洗的基础上，增加末煤干选系统，末煤干选和块煤水洗工艺结合后可提高选煤厂理能力，实现全粒级入选，该工艺逐渐在中国选煤厂投入应用，并取得了良好的效果[7，18]。河南能源化工集团贵州公司高山矿干选厂2019年使用ZM150干选机分选小于25 mm 9号无烟煤，平均灰分31.22%、发热量20.87 MJ/kg的原煤，经过干选后精煤产率为83.05%，灰分、硫分分别降低9.39和1.16个百分点，发热量提高到24.23 MJ/kg，完全满足化工原料煤的指标要求。2018年唐山神州对山西阳煤五矿小于13 mm高灰高硫原煤进行干选试验，精煤产率为49.67%，与原煤入料相比，选后灰分降低16.11个百分点，低位发热量提高5.82 MJ/kg，脱硫率为62.15%。

8 井下排矸

为实现煤矿安全绿色开发，煤炭清洁高效利用，减少地面煤矸石排放量，近年来一些选煤设备研发企业对煤矿井下选煤设备进行了探索应用和技术创新。目前井下煤矸分离工艺有三种：湿法重介浅槽分选工艺、动筛跳汰分选工艺和X—射线分选机。2010 年新汶矿业集团济阳煤矿和翟镇煤矿建成25～300 mm块煤井下重介排矸系统[19]；新汶矿业集团协庄矿和开滦矿业集团唐山矿采用动筛跳汰对50～300 mm块煤进行分选[20-22]。但湿法分选系统较为复杂，应用中也存在一些共性问题，如易泥化煤难以分选和末煤分选困难等。

天津美腾基于射线分选的智能干选技术2018年开始在王楼等矿使用，和湿法分选相比占地小，运营成本低等优势明显，但目前也仅仅限于大于50 mm块煤分选，不能对占大多数的末煤进行分选，同时单通道处理能力偏低[23]。如何实现风选设备下井分选末煤将是干选技术发展的一大方向。如复合式风选机入料粒度范围可达100～3 mm，有着分选下限低，入选比例高，产品结构灵活，不用水和介质等优点。如果能将复合式分选和X—射线分选设备结合，则可以进行 0～300 mm宽粒级分选，实现井下深度排矸。 建设井下排矸系统，大力发展高效采选、充填一体化技术是冶金矿山和煤炭工业发展的一大方向。一旦规模化运用，将彻底消灭地面矸石山，有显著的经济效益和社会效益[24]。

9 焦煤预排矸

炼焦煤在中国是稀缺资源，炼焦煤洗选基本采用水洗进行处理，但也存在部分原煤灰分高，矸石易泥化时水洗效果差，中央选煤厂矸石无效运输等问题。干选也逐渐在炼焦煤分选领域得到初步应用，优势明显。焦煤干法预排矸首先提高了水洗原料煤煤质。由于矸石大量提前排除，提高了水洗精煤产率； 其次，改善水洗分选效果。原煤矸石含量高时干法预排矸后减少了水洗设备堵塞现象，使选煤厂的生产更加正常，大量易泥化矸石被预先排除，减少了浮选系统入料高灰细泥含量，降低了重介选介质中煤泥含量，降低了介质粘度，提高了水洗分选精度；再次，节省水洗厂投资和运营成本。高灰细泥不仅污染了精煤而且占据了储煤仓的有效容积，增加了矸石系统各环节设备设施的消耗和磨损。有一部分矸石被预先排除，使选煤厂在其它设备不变的情况下增大了原煤处理能力并节省了设备维修费用；最后，节省矸石运输费用。在煤矿预排矸，节省了煤矿和中央选煤厂之间矸石运输费用。

干选可在陕西、山西、云南、黑龙江、淮北、淮南等炼焦煤产区具有较大应用潜力。如淮北矿业集团公司原煤矸石量大，该公司采用复合式干法选煤设备在井口进行原煤预排矸[25]，在孙疃矿、许疃矿、袁店一矿、二矿、刘店矿、青东矿先后投资建设干选厂，排出矸石灰分80%以上，保证了湿法选煤厂入选原煤灰分小于38%的要求。

10 露天矿坑底排矸

我国大部分褐煤灰分在 10%～30%，水分高(15%～50%)、发热量低(12.56～14.65 MJ/kg)、热稳定性差，易风化、易自燃，水洗泥化严重，不适于长途运输。因此露天矿褐煤几乎全部作为坑口电站燃料，未经分选直接燃烧。随着褐煤资源的大规模开采，顶底板和夹矸层的存在，褐煤灰分有不断增加的趋势。露天矿一般每年生产10%～20%的脏杂煤。这些劣质煤中矸石含量较高，灰分和硫分高，在加工利用前对其进行粗加工十分必要。

褐煤一般属于较难选或难选煤，且煤质比较松软，尤其是煤化度较低的土状褐煤遇水更易泥化，在实际生产中湿法分选褐煤煤泥量大难以处理，因此多采用干法分选技术对其分选[26]。露天矿褐煤干选排矸提质已经在霍林河南露天矿、白音华三号矿、四号矿、中煤平朔露天矿等企业成功应用。霍林河南露天矿干选厂采用X—射线块煤分选机+ZM干选机，分别对300～80 mm和80～0 mm粒级进行分选。实现了300～0 mm全粒级分选，节省了原煤破碎费用。

通过干选粗加工可脱除褐煤中部分矸石，干选也能在降灰的同时排除大部分硫铁矿等无机硫化物，既可提高褐煤的燃烧热值又利于进一步对其加工利用。露天矿坑底排矸，可以从劣质煤中回收精煤，实现资源综合利用； 同时减少排土量，节省开采成本，也可以减少露天矿废弃物中可燃物含量，减少矸石自然现象，有利于环境保护。干选工艺可以在内蒙古东部和新疆露天矿推广使用。

11 干选未来发展方向

11.1 全粒级干选深度排矸

干选技术发展的一大方向是拓宽分选入料度范围，提高干选有效分选粒度上限和降低分选粒度下限。在露天矿开采和地下放顶煤开采过程中，存在一定比例300 mm以上的大块煤，现有干选设备不能分选。同时FGX型设备对6 mm以下不能有效分选；无辐射智能分选对300 mm以上块煤分选还处在研发阶段；ZM矿物高效分离机单独分选松散性良好的小于13 mm末煤时，分选粒度范围可以达到13～1 mm；对小于3 mm或小于1 mm还没有专业干选设备；国外Allmineral公司推出小于6 mm专有设备，但尚未有公开数据发表。

11.2 加强弛张筛在干选中的应用

从实用角度看，弛张筛分级最小粒度可达3 mm，对粒度较细的原煤预先脱粉可以筛除干选过程中没有分选效果的小于3 mm粉煤，既可降低干选系统入料量，又可减轻干选除尘系统负荷。对高灰易泥化煤来说，由于分选过程中高灰分小于3 mm粉煤大多进入精煤产品中污染精煤，因此也可用弛张筛对精煤产品进行脱粉，保证了精煤质量。

11.3 干选在非煤矿物分选中的应用

干选除了在选煤中应用以外，也可用于非煤矿物的干选。唐山神州ZM复合式分选机中试结果表明，干选可以用于铁矿石、油母页岩、石墨、磷矿石、高龄土等矿物的初步富集，节省选矿过程中磨矿成本。天津美腾和德国TORMRA公司的X—射线干选机也已经用于磷矿石的分选，其中TOMRA公司的磷矿干选项目的处理能力达到10 Mt/a。

11.4 分选工艺流程多样化

在干选的初步发展阶段，系统简单，造价低，不刻意追求高的分选精度，流程比较单一，大多原煤破碎整理到100 mm以下后混合分选，生产精煤、中煤和矸石3种产品。随后干选技术不断被煤炭行业认可，对干选系统设计要求越来越高，投资也逐步增加。工艺流程逐步实现了个性化和优化设计，提高了干选精度和环保效果，出现大批新的干选工艺流程，如中煤再选、中煤再循环、原煤分级入选、原煤脱粉、精煤脱粉、末精煤再选、各种干选设备组合的原煤全粒级干选、水洗和干选配合的并联和串联分选等工艺流程，满足了不同客户的分选需求。

11.5 环保要求进一步提高

新的环保要求干选系统、原煤和精煤储运必须封闭。对粉尘排放和厂内防爆设计有更高的要求，部分厂矿甚至要求粉尘排放浓度达到20 mg/m3以下。除常规的旋风除尘器和布袋除尘器外，也可引入静电除尘，水浴除尘等成熟含尘气流净化设备，将主厂房粉尘浓度控制在10 mg/m3以下。在各转运点加装喷雾降尘措施，对收集的粉尘可以采用型煤技术造粒造块，减少粉尘运输过程二次扬尘问题。

11.6 提高干选系统设计标准

干选设计简单粗放，没有统一的行业标准，特别是在设备可靠性和环保方面仍不如人意。干选的持续和稳定发展需要借鉴水洗选煤厂成熟的设计经验，在设备布置，原煤和产品储运等系统优化设计，提高干选自动化、安全和环保水平，使之成为动力煤分选的主打工艺。

12 结 语

干法选煤技术经过20多年发展，在设备种类、处理能力、分选精度和环保效果等方面取得了长足进步。广泛应用于动力煤排矸和炼焦煤预排矸。易泥化煤和末煤干选技术的成功应用，为现有动力煤水洗选煤厂的改造提供了手段，可以大幅提高动力煤入选比例。干选技术也可用于高灰易泥化炼焦煤的预先分选，提高水洗入料原煤质量，改善水洗效果。干选在井下排矸领域具有广阔应用前景，但在干选系统处理粒度范围，设备可靠性，环保性能，干选厂设计标准化等方面仍需提升。