煤炭干选新技术的研发应用和发展趋势_杨飞.pdf

■ 煤炭洗选加工 煤炭干选新技术的研发应用和发展趋势 杨 飞, 李 磊1,2 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 摘 要 结合具体干法选煤工程案例, 分析了我国选煤存在的问题, 扼要阐述了不同干法 选煤设备的原理、 适用范围和应用效果, 归纳分析了干法选煤技术的特点, 展望了干法选煤技 术未来发展趋势, 特别是在井下排矸中的应用前景。 关键词 ZM 矿物高效分离机; 智能分选机; 空气重介分选机; 末煤分选; 易泥化煤; 井 下排矸 中图分类号 TD942. 4 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202011-0001-07 收稿日期 2020-08-17 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 11. 001 作者简介 杨 飞1980, 女, 河北唐山人, 2004 年毕业于华北理工大学机械设计制造及自动化专业, 工学学士, 唐山神州机械有限 公司工程师。 引用格式 杨 飞, 李 磊. 煤炭干选新技术的研发应用和发展趋势 [J]. 煤炭加工与综合利用, 202011 1-7. 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 132232011 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 1 煤炭加工与综合利用 No. 11, 2020 COAL PROCESSING 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 3 2020 年第 11 期杨 飞, 等 煤炭干选新技术的研发应用和发展趋势 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 3070, 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 90105 dBA 之间。 选煤厂主要噪声源设备为溜槽和风机, 声 压级为 95102 dBA。 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 dBA, 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 dBA, 厂界噪声夜间小于 50 dBA, 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 1000 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 130 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 工艺入料粒度/ mm分选密度/ gcm -3 分选 Ep值/ gcm -3 精煤产品外水增加值/ 百分点 重介浅槽6131. 41. 80. 030. 0623 两产品重介旋流器0. 5131. 41. 650. 020. 0458 三产品重介旋流器0. 5131. 72. 00. 0350. 04558 ZM 高效矿物干选机1131. 72. 20. 180. 2801 4 煤炭加工与综合利用2020 年第 11 期 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 25300 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 5 2020 年第 11 期杨 飞, 等 煤炭干选新技术的研发应用和发展趋势 1550、 发热量低12. 5614. 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 1020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 30080 mm 和 800 mm 粒级进行分选。 实现了 3000 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 131 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。 6 煤炭加工与综合利用2020 年第 11 期 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。 参考文献 [1] 苏少龙, 曲晓龙, 钟读乐, 等. 工业烟气脱硫工艺进展 [J]. 无机盐工业, 2019, 5111 13-15, 87. 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