“双碳”背景下干法选煤技术研究新进展.pdf

文章编号：1001-3571 (2024)01-0001-05“双碳”背景下干法选煤技术研究新进展贾金鑫1,2，胡丙升1,2，宋俊超1,2，岳世松1,2，陈坤1,2（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）摘要：干法选煤技术适合高寒干旱地区煤炭的分选加工，尤其对于我国来说，大的煤炭基地都位于中西部缺水地区，发展干法选煤是我国未来煤炭分选一个大的发展趋势。文章简要介绍了几种常用的干法选煤设备。然后分析了“双碳”背景下，我国干法选煤技术的新进展和新方向，包括以射线干选机、风力干选机为代表的大型干法选煤设备，专用于 013 mm 细粒级煤炭干法分选技术，以及干选智能化建设领域的研究进展：射线类干法分选机通过双源识别算法的改进升级，使识别精读进一步提升；风力干选设备通过研制分选床面横向、纵向角度伺服控制系统和数字供风系统，以及建立选煤过程闭环控制数学模型和干法选煤数字孪生平台等实现智能化管理模式。最后，笔者从绿色干法分选、高效干法分选、智能干法分选三方面展望了新形势下干法选煤技术的发展方向。关键词：干法选煤；大型干选设备；细粒级干法分选技术；风力干选机；干选智能化建设中图分类号：TD94文献标志码：ALatest advances of coal dry cleaning research work against thebackground of achieving the dual-carbon goalsJIA Jinxin1,2，HU Bingsheng1,2，SONG Junchao1,2，YUE Shisong1,2，CHEN Kun1,2（1.CCTEG Tangshan Research Institute Co.Ltd.,Tangshan 063012,China；2.Hebei Province Coal Engineering&TechnologyResearch Center,Tangshan 063012,China）Abstract:Coal dry cleaning process is suitable for use in high,cold and arid areas,and this is particularly true inChina,as the large coal-producing bases are all located in water-deficit central and western parts of the country.The development of dry cleaning of coal has therefore become a general trend in the future.The paper presents abrief introduction to the types of dry cleaning equipment commonly applied,as well as an analysis of the latestadvances of the work made on and the direction of development of the following dry cleaning equipment,against the backdrop of achieving carbon peaking and carbon neutrality goals:the radiation-based dry separator,the large-size dry cleaning equipmenttypically the pneumatic separator;the dry cleaning separator specific-ally designed for treating 130 mm coal,and the intelligent dry cleaning separator.The radiation-based separat-or can now work with a much improved identification capability through upgrading with the use of dual-sourceidentification algorithm while,on the other hand,the pneumatic separator is now capable of working under intel-ligent management mode thanks to the use of servo control system to adjust lateral and longitudinal angles ofseparating bed,digital air supply system,separating process closed-loop control mathematic model,and digitaltwining platform.Lastly,the co-authors presents a future outlook on the direction of development of the drycleaning process under the new scenario from the green,high-efficiency and intelligent perspectives.Keywords:dry cleaning of coal；large-size dry cleaning equipment；small coal dry cleaning technology；pneu-matic separator；development of intelligent air separator 收稿日期：2023-10-11责任编辑：李梅DOI：10.16447/ki.cpt.2024.01.001作者简介：贾金鑫（1988），男，山东费县人，助理研究员，硕士，从事干法选煤技术研发工作。E-mail：，Tel：[phone]。引用格式：贾金鑫，胡丙升，宋俊超，等.“双碳”背景下干法选煤技术研究新进展J.选煤技术，2024，52（1）：15.JIA Jinxin,HU Bingsheng,SONG Junchao,et al.Latest advances of coal dry cleaning research work against the background of achieving the dual-car-bon goalsJ.Coal Preparation Technology，2024，52（1）：15.第 52 卷 第 1 期选煤技术 Vol.52No.12024 年 2 月COALPREPARATIONTECHNOLOGY Feb.20241煤炭作为我国的主体能源，一直以来在促进我国经济社会发展方面发挥了重要的能源支撑作用。从 2016 年开始我国原煤产量稳定增长，随着 2020年我国碳达峰、碳中和战略目标的确立，国家对煤炭清洁高效利用空前重视。2023 年，我国原煤产量为 46.6 亿 t，同比增长 2.9%，再创历史新高。国家发改委、国家能源局发布“十四五”现代能源体系规划，提出我国“十四五”时期现代能源体系建设的主要目标，再次重申了能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的理念，并强调了煤炭在支撑“双碳”目标实现过程中的兜底作用，要加强煤炭清洁高效利用。2021 年 11 月 17 日，国务院常务会议决定设立 2 000 亿元专项再贷款，专项支持煤炭安全高效绿色智能开采、煤炭清洁高效利用等方向1。煤炭资源作为一次能源的重要组成部分，一直是我国的主要能源，为我国国民经济的稳定繁荣发展起到了关键性作用。干法选煤是一种不用水进行煤炭分选的技术，与之对应的是湿法选煤，湿法选煤过程需要水的参与，并且这种选煤工艺已经有 200 多年的应用历史，因此“选煤厂”往往直接被称作“洗煤厂”2，但对于我国来说，大部分的煤炭基地都位于中西部缺水地区，用湿法选煤既浪费水资源，又易污染环境，在这种背景下，干法选煤技术应运而生，并得到快速发展3。2016 年国家发改委和能源局发布的能源技术革命创新行动将“高效干法选煤技术”列入能源技术革命重点创新行动路线，2019 年煤炭工业“十四五”科技发展指导意见将“干法选煤智能化工艺技术”列为重点核心攻关技术。1干法选煤设备分类常用的几种干法选煤设备包括：（1）风力干选机。是一种在风和振动力的共同作用下实现煤炭分选的设备，入料粒度为 0130 mm，是发展最早、应用范围最广的一种干法选煤设备4。（2）射线分选机。早期应用于粮食及有色金属分选，近几年通过技术改进，被应用于煤炭分选，主要分选 50 mm 以上的大块煤炭5。（3）空气重介干选机。其分选原理类似于湿法重介分选，利用空气和加重质形成一定密度的流化床作为分选介质，但由于它的工艺复杂，介质回收难度大，现有的应用案例较少6。2干法选煤技术的新进展干法选煤作为一种更节能、环保的选煤方法，在“双碳”背景下迎来了新的发展机遇，近年来在设备大型化、细粒级分选、智能化领域均有较大发展7。2.1大型干法选煤设备随着我国进行煤炭资源整合，煤矿的产能不断提高，千万吨级干法选煤厂的建设需求也逐年增高，大型干法选煤设备更有利于选煤生产系统的简化，可以降低人员投人，加大生产效率，更适用于千万吨级的大型选煤厂的建设8。天津美腾科技股份有限公司研制的 TDS32 型射线干选机是目前已取得工业应用的最大型射线类干选机，布料器带宽达 3 200 mm，设备处理能力达 300 t/h，该设备于 2022 年在哈尔乌素露天煤矿投产应用，入料粒度在 20050 mm 之间，平均矸石带煤率为 1.13%，精煤发热量在 21.7722.60 MJ/kg之间，中煤发热量8.37 MJ/kg9。2015 年 中 煤 科 工 集 团 唐 山 研 究 院 有 限 公 司（以下简称唐山研究院）研制出 FX-25 型风力干选机，分选床面积为 25 m2，处理能力为 300 t/h10，随着市场对大型干法选煤设备的需求不断提高，2022 年唐山研究院研制出 SID-500 型风力干选机（图 1），其分选床面积扩大至 32 m2，处理能力达 500 t/h，产能大幅提升。通过对 FX-25、SID-500风力干选机基本数据（图 2）对比可知：有效分选面积由 25 m2提升至 32 m2，提升了近 30%；最大处理能力由 300 t/h 提升到 500 t/h，处理能力增加近1 倍；在能耗方面，SID-500 型风力干选机的吨煤电耗仅为 1.5 kWh，相较于 FX-25 型风力干选机的吨煤电耗降低了 40%。可以看出，SID-500 型风力干选机的性能较好，其节能、高效的优势也更适用于大型露天矿应用。图 1 SID-500 型风力干选机Fig.1 A view of the SID-500 pneumatic separator SID-500 型风力干选成套装备在国家能源集团胜利一号露天煤矿投产应用，分别设计了 2580 mm第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 2块煤分选系统和 025 mm 末煤分选系统，年入选量达 1 000 万 t，是目前国内生产能力最大的褐煤干选提质系统11。对选后产品进行浮沉试验，试验数据见表 1。由表 1 可知，块精煤带矸率为 1.44%，末精煤带矸率为 2.41%，矸中带精率为 3.24%，可见取得了较好的分选效果。35302520151050分选床面积/m2FX-25SID-500设备型号6005004003002001000处理能力/（th1）设备型号3.02.52.01.51.00.50吨煤电耗/（kWh）设备型号（a）分选床面积对比（b）处理能力对比（c）吨煤电耗对比FX-25SID-500FX-25SID-500图 2 FX-25、SID-500 型风力干选机数据对比Fig.2 Comparison of technical data of the FX-25 and SID-500 separator 表 1 选后产品浮沉试验结果Table 1 Float-and-sink analysis data of the products separatedby SID-500 separator产品名称浮前质量/kg浮后产品煤中带矸率/%矸中带精率/%密度级/（gcm3）质量/kg块精煤10.45 2.00.151.44 2.00.272.41 1.413.153.24 1.40.45 2.2细粒级干法分选技术随着采煤机械化程度提高，采煤过程中原煤的过粉粹程度增大，导致原煤中的细粒级含量越来越多，目前常用的几种干法选煤设备对 013 mm细粒级煤炭的分选效果较差，大量的细粒级末煤如果不经分选，势必会造成环境污染12。唐山研究院研制出一种专用于 013 mm 细粒级干法分选机（图 3）。该设备结合了气固两相流化床和重力选矿原理13，可实现细粒级物料干法分选，有效分选粒度下限达 0.5 mm。对细粒级干法分选机进行带煤试验研究，如图 4 所示。试验煤种为内蒙古鄂尔多斯一带不黏煤，试验时将原煤破碎至 13 mm 以下，满足细粒级干法分选机入料要求，经分选后得到精煤、中煤、矸石三种产品。对三种产品进行试验分析，试验结果见表 2。由表2 可知：精煤发热量较原煤提高了9.41 MJ/kg，矸石发热量仅为 0.08 MJ/kg，精煤发热量提高幅度较大，可排出纯净矸石。图 3 细粒级干法分选机Fig.3 Picture of the small coal separator （a）分选床面（b）精煤排料（c）矸石排料（d）选后产品图 4 细粒级干法分选机试验过程Fig.4 Procedure of test on small coal separator第 52 卷 第 1 期贾金鑫等：“双碳”背景下干法选煤技术研究新进展2024 年 2 月 25 日 3 表 2 细粒级干法分选机试验结果Table 2 Results of small coal separator test名称产率/%灰分/%发热量/（MJkg1）原煤100.0056.5210.25精煤42.0025.5519.66中煤36.0065.887.68矸石22.0090.480.08 2.3干选智能化领域建设近几年，国内各大选煤厂均不同程度地进行了智能化升级。斜沟煤矿选煤厂智能化升级涵盖了全厂自动化整合、移动办公 OA、全厂集控优化14；伊泰酸刺沟选煤厂实现了设备在线监控与预测；陕煤张家峁选煤厂在 3D 展示、智能视频安全监控系统、设备在线监测、带式输送机节能调速等方面进行智能化升级。干法选煤作为一种集成式成套装备选煤技术，其智能化建设具有更好的可复制性，更利于市场推广15。射线类干法分选机的智能化程度较高，2020年天津美腾科技股份有限公司完成双源识别算法的改进升级，识别精度进一步提升，该原理是基于图像识别和智能算法技术，利用 X 射线和可见光成像系统获取的物料特征，自动分析识别出煤和矸石，控制高压风对目标进行喷吹，实现原煤全自动分选16。在风力干选设备领域，唐山研究院针对风力选煤智能化进行了大量研究，研究主要集中在以下方面：（1）研制分选床面横向、纵向角度伺服控制系统，实现了床面角度精准调节。（2）增加智能排料装置，实现了煤矸精确切分。（3）设计数字供风系统，智能调节鼓风机的送风压力和流量，提高了干选机床层的稳定性。（4）研发全平衡负压除尘技术，对除尘点的风量进行有效控制，实现除尘系统阻力平衡，提高了除尘效率。（5）建 立 选 煤 过 程 闭 环 控 制 模 型（图 5），根据煤质变化实现了选煤工艺参数智能调节。控制系统数据分析数据存储决策风机风阀振动驱动角度驱动煤质检测煤质检测输送机精煤风力干选机输送机原煤学习分选系统检测系统供风系统图 5 选煤过程闭环控制模型Fig.5 Cleaning process closed-loop Control model （6）建立干法选煤数字孪生平台（图 6），实现了完善、统一的数字化管理，为选煤厂设备管理、生产管理等带来全新的智能化管理模式。3干法选煤技术发展方向在“双碳”背景下，基于我国煤炭资源分布的特殊性，干法选煤技术的大规模推广势在必行，其主要发展方向如下：（1）绿色干法分选。节能降耗，优化现有除尘降噪工艺，减少粉尘排放量，降低噪声，建设健康、文明、环保的绿色干选项目。图 6 干法选煤数字孪生平台Fig.6 The digital twin platform第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 4（2）高效干法分选。进一步提高各类干选机可靠性及分选效率，提升产品质量，加强大型化、全粒级干法分选技术及装备的研究，提高我国原煤入选率。（3）智能干法分选。建立干法选煤智能数据库，完善智能控制系统，并向全过程的智能化感知、控制、管理、决策迈进。4结语在“双碳”背景下，干法选煤技术凭借工艺简单、不用水、投资少、见效快等优势，逐渐成为我国主要的选煤方法之一，近年来迎来了快速发展，涌现出很多新技术、新装备，在我国高寒缺水地区煤炭分选、露天矿煤炭分选、易泥化煤炭分选中起到了关键作用和成效。通过推广应用干法选煤技术，可以提高煤炭资源利用率，降低煤炭分选成本，促进煤炭清洁高效利用，推动煤炭行业转型升级，助力国家能源战略实施。因此，我国应加大对干法选煤技术和装备的研发投入和政策支持力度，推动干法选煤技术的广泛应用，实现我国能源行业的可持续发展。参考文献：张绍强.中国煤炭清洁高效利用的实践与展望J.科技导报，2016，34（17）：5663.1 程子曌，马剑.“双碳”背景下选煤高质量发展研究J.中国煤炭，2022，48（7）：1016.2 石燕峰，卢连永，薛守军，等.干法选煤技术的发展应用J.选煤技术，2006（5）：3942.3 郝新飞.复合式干法选煤技术应用研究J.矿业装 4备，2021（4）：6667.欧战备，张伟.TGS 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