本文由陳建強(qiáng)、常博等人發(fā)表在《煤炭加工與綜合利用》期刊2021年第6期上，原題目為“煤炭干法分選技術(shù)應(yīng)用與展望”一文，內(nèi)容有刪減。該課題受國家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目先導(dǎo)項(xiàng)目(GJNY2030XDXM－19－07.2)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1903132)資助。論文梳理了干法分選技術(shù)的研究進(jìn)展，指出了目前干法分選技術(shù)的瓶頸，展望了未來干法分選研究的發(fā)展趨勢(shì)與重點(diǎn)，為干法選煤技術(shù)的研究提供相關(guān)借鑒。

正文開始前，讓我們先來感受一下上海廟礦業(yè)公司一號(hào)礦600萬噸/年干法選煤廠的超燃現(xiàn)場(chǎng)！

1 國內(nèi)選煤現(xiàn)狀與機(jī)遇

從煤炭分選方法上看，經(jīng)過多年的發(fā)展，濕法分選技術(shù)非常成熟，且由于其精度優(yōu)勢(shì)，目前在分選加工領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。我國煤炭2/3分布在西北地區(qū)，由于西北地區(qū)水資源缺乏，煤炭資源與水資源地理位置上的不匹配嚴(yán)重制約著濕法分選的發(fā)展。濕法選煤依賴水資源，存在能耗高、生產(chǎn)成本高、消耗大量水資源的缺點(diǎn)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生約10%左右的煤泥副產(chǎn)品，存在環(huán)境污染隱患。近年來，隨著智能光電、復(fù)合式(ZM)分選機(jī)、干法重介質(zhì)流化床等干法選煤技術(shù)的快速發(fā)展與突破，干選技術(shù)分選精度得到了大幅提升和大規(guī)模推廣應(yīng)用，彌補(bǔ)了濕法選煤的不足。

2 干法分選技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

干法選煤技術(shù)主要是利用煤與矸石物理性質(zhì)(密度、粒度、光澤、磁性、導(dǎo)電性、射線吸收等)的差異實(shí)現(xiàn)分選，分選過程不用水，無煤泥水處理系統(tǒng)，生產(chǎn)成本低。近年來，我國干法選煤技術(shù)取得重要突破，在動(dòng)力煤與煉焦煤分選中發(fā)揮了重要作用。目前，干法選煤應(yīng)用比較成熟的主要有智能光電分選、復(fù)合式干法分選、干法重介質(zhì)流化床等技術(shù)。

2.1 智能光電分選技術(shù)

目前，智能干法分選機(jī)主要利用煤和矸石對(duì)X射線、γ射線的吸收和散射程度不同，探測(cè)器卡接收到的射線量也有所差異，形成具有黑白對(duì)比度不同的影像，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤和矸石的識(shí)別與分選，其分選過程示意圖如下圖所示。近年來，智能干法分選機(jī)對(duì)塊煤的分選精度較高，可簡(jiǎn)化工藝流程，減少人力投入。

2.2 復(fù)合式干法分選機(jī)

唐山神州機(jī)械集團(tuán)有限公司經(jīng)過多年的自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合式分選機(jī)的高精度分選，相繼開發(fā)了FGX系列復(fù)合式干法分選機(jī)、ZM系列礦物高效分離機(jī)等。近年來，神州機(jī)械與中國礦業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新，研制了大型復(fù)合式干法分選機(jī)，處理能力達(dá)到1000t/h，數(shù)量效率大于90%，實(shí)現(xiàn)了煤炭大規(guī)模干法分選提質(zhì)，主要應(yīng)用于塊煤、末煤的干法分選。

復(fù)合式干法分選機(jī)的分選系統(tǒng)主要包括分選床面(布風(fēng)板、格條、背板、振動(dòng)裝置、風(fēng)室、溢流堰等)、供風(fēng)裝置、除塵凈化裝置等。分選過程中，在氣流和振動(dòng)的復(fù)合激勵(lì)下，入選原煤在分選機(jī)的床面上作螺旋翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，受到振動(dòng)離析作用、氣流曳力作用、自生介質(zhì)、浮力效應(yīng)等綜合作用，精煤和矸石按照密度進(jìn)行分離，如下圖所示：

2.3 干法重介質(zhì)流化床分選機(jī)

干法重介質(zhì)流化床分選技術(shù)以寬粒級(jí)的磁鐵礦粉和煤粉作為混合加重質(zhì)，壓縮空氣經(jīng)氣體分布器均勻布風(fēng)后進(jìn)入到顆粒層中，加重質(zhì)顆粒在上升氣流的曳力作用下形成具有似流體性質(zhì)的流化床層。通過控制磁鐵礦粉和煤粉的粒度組成，保證不同密度和粒度的兩種加重質(zhì)在分選流化床中不發(fā)生粒度和密度的離析現(xiàn)象，通過控制煤粉的含量，控制流化床層的密度，進(jìn)而控制分選密度。入選原煤在具有一定密度的流化床層中按密度進(jìn)行分層，密度較低的精煤產(chǎn)品浮于床層表面，密度較大的矸石沉積于床層底部，分別通過撥煤輪和刮板輸送機(jī)排出機(jī)外，脫介后形成精煤與矸石產(chǎn)品。分選過程如下圖所示：

中國礦業(yè)大學(xué)從事煤炭干法流態(tài)化分選理論、技術(shù)與裝備研究近40a，在國際上創(chuàng)立了系統(tǒng)的氣固流態(tài)化干法分選理論，開發(fā)了干法重介質(zhì)流化床分選關(guān)鍵技術(shù)；與神州機(jī)械產(chǎn)學(xué)研合作，開發(fā)了世界上首套模塊式高效干法選煤工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)100～6mm煤炭的高效干法分選，可能偏差Ep值為0.05～0.08g/cm3，在國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)了煤炭高精度干法分選。中國流態(tài)化干法選煤技術(shù)的快速發(fā)展與突破使其再次成為國際研究熱點(diǎn)，美國、日本、加拿大等國長(zhǎng)期跟蹤中國礦業(yè)大學(xué)的研究，國外目前仍處于實(shí)驗(yàn)室或中試階段。

3 干法分選技術(shù)發(fā)展方向

通過前文的應(yīng)用分析，未來干法選煤有很大的發(fā)展空間，按照平均每臺(tái)干選設(shè)備處理能力0.7Mt/a計(jì)算，到2025年預(yù)計(jì)產(chǎn)能41億t，入選率85%，相較于2020年39億t產(chǎn)能，入選率74.1%，新增入選產(chǎn)能6億t，適合干法分選的大于6mm粒級(jí)按占比70%計(jì)算，總計(jì)新增產(chǎn)能需求4.2億t，干選設(shè)備占有率按70%計(jì)算，增量市場(chǎng)空間為420臺(tái)。同時(shí)，現(xiàn)階段動(dòng)力煤入選約21億t，大于6mm粒級(jí)占比70%，未來20a設(shè)備更新?lián)Q代，擬按70%生產(chǎn)系統(tǒng)替換為干選設(shè)備，存量產(chǎn)能市場(chǎng)空間為1460臺(tái)左右，平均每年替換73臺(tái)。到2025年考慮存量市場(chǎng)及增量市場(chǎng)，平均每年需求量約為157臺(tái)。2026—2030年煤炭產(chǎn)能預(yù)計(jì)維持41億t不變，入選率由85%提高至90%，新增入選產(chǎn)能2.05億t，同樣計(jì)算方式，增量市場(chǎng)空間為143臺(tái)，考慮存量市場(chǎng)的設(shè)備更新?lián)Q代，2026—2030年平均每年增量存量市場(chǎng)需求總量約為101臺(tái)?？梢钥闯?，若實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，干法分選技術(shù)仍然有很多的工作需要完善，具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)：

3.1 大力發(fā)展細(xì)粒煤干法高效分選技術(shù)

當(dāng)前煤炭干法分選研究方向主要有基于煤有機(jī)組分與無機(jī)礦物密度差異的重力分選和基于有機(jī)組分與無機(jī)礦物能量吸收效率差異的射線分選，兩種研究思路在實(shí)踐上均存在局限性:隨著粒度降低，細(xì)顆粒沉降速度受粒度影響權(quán)重增加，在空氣介質(zhì)重力場(chǎng)中不同密度細(xì)顆粒在有限時(shí)間與空間內(nèi)無法完成分離，在氣固濃相介質(zhì)中受床層紊流干擾無法按密度離析，在射線分選技術(shù)識(shí)別與排料過程中精度與速度有限。細(xì)粒煤高效分選難題導(dǎo)致干法分選入料下限高，無法實(shí)現(xiàn)全粒級(jí)分選，限制了煤炭干法分選提質(zhì)效率與規(guī)模的拓展，嚴(yán)重阻礙了我國干旱缺水地區(qū)與易泥化煤炭的大規(guī)模潔凈化分選提質(zhì)。智能光電分選、復(fù)合式干法分選與干法重介質(zhì)流化床對(duì)粗粒煤的干法分選效果顯著，在此基礎(chǔ)上研究光電分選技術(shù)的細(xì)粒煤布料效果、識(shí)別精度與排料速度，強(qiáng)化氣流—振動(dòng)復(fù)合力場(chǎng)的能量輸配，提出新型微細(xì)粒多元加重質(zhì)與床層密度調(diào)控方案，是解決細(xì)粒煤高效分選技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)煤炭大規(guī)模高效全粒級(jí)入選的有效途徑。

3.2 推進(jìn)干選智能化系統(tǒng)建設(shè)

智能化、數(shù)字化是煤炭行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。傳統(tǒng)煤炭分選技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化與自動(dòng)化，但仍需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整工藝與操作參數(shù)，智能化程度低，耗費(fèi)大量人力。干法分選設(shè)備在提升分選性能的同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)提升智能化水平，這需要在選后產(chǎn)品指標(biāo)自動(dòng)在線識(shí)別、分選狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、分選模型自主優(yōu)化、關(guān)鍵參數(shù)在線調(diào)節(jié)等方面深度創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)“無人化智能干選系統(tǒng)”目標(biāo)，節(jié)省人力成本，提高生產(chǎn)效率，減少安全隱患。

3.3 優(yōu)化輔助系統(tǒng)

干選工藝的廣泛應(yīng)用，必然會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)除塵及降噪需求，因此干選設(shè)備發(fā)展過程中應(yīng)該注重除塵及降噪的同步研究，進(jìn)一步提升選煤廠現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，提升工人的幸福指數(shù)。同時(shí)，細(xì)粒煤精細(xì)干法篩分問題也是干法處理細(xì)粒級(jí)煤炭分選的重要前置條件，深度脫粉是提高細(xì)粒級(jí)煤炭干法分選精度的關(guān)鍵。