风力干法选煤技术研究现状与展望.pdf

文章编号：1001-3571 (2024)01-0006-07风力干法选煤技术研究现状与展望王峰超1，常博1，陈永科1，郭志宾2,3（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 831400；2.煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116）摘要：介绍了复合式干法分选、风力摇床分选、风力跳汰分选、振动逆流分选及振动螺旋分选等干法选煤技术发展历程与分选原理、技术性能及其适用性，阐述了在“双碳”背景下煤炭高效清洁干法分选技术所面临的难题与困境，提出降低分选粒度下限、提高分选精度、增强对入选原煤外在水分适应性和发展风力选煤智能化的未来干法分选技术发展方向，以为应对新形势下煤炭洗选加工难题提供了解决方案。关键词：干法分选；风力选煤；复合式干法分选机；风力摇床；风力跳汰；分选粒度；分选精度中图分类号：TD942文献标志码：AState-of-the-art and future outlook of the work onpneumatic cleaning of coalWANG Fengchao1，CHANG Bo1，CHEN Yongke1，GUO Zhibin2,3（1.CHN ENERGY Xinjiang Energy Co.Ltd.,Urumqi 831400,China；2.Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Util-ization,Ministry of Education,Xuzhou 221116,China；3.School of Chemical Engineering,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,China）Abstract:Following an introduction to the courses of the development of such coal dry cleaning technologies ascomposite separator,air table,air jig,vibrating counter-flow separator and vibrating spiral separator,as well astheir respective working principle technical features and applicability,the paper goes to elaborate an the knottyproblems and straits involved in the endeavour to effect high-efficiency and clean utilization of coal using thedry cleaning technologies against the backdrop of achieving the carbon peaking and carbon neutrality goals.Itpoints out that the future development of the dry cleaning technologies should be directed toward the followingaspects:further extending down the lower size limit of separation,improving separation sharpness,enhancingadaptability to variation of surface moisture of raw coal treated and developing intelligent dry cleaning process.The study made in the paper provides a solution to the problems encountered in coal cleaning and processing un-der the new scenarions.Keywords:dry cleaning of coal；pneumatic cleaning；the composite dry cleaning separator；air table；air jig；sep-aration size；separation sharpness中国是一个煤炭生产和消费大国，煤炭一直是我国的主体能源，这是由我国“富煤、贫油、少气”的能源结构所决定的。煤炭作为我国能源的“压舱石”与“稳定器”，发挥着重要的兜底和保障作用。2022 年煤炭消费量占能源消费总量 56.2%1，预计未来 20 年煤炭在我国能源消费结构中仍将占据主体地位。改革开放以来，我国经济建设进入高速发展 收稿日期：2023-08-12责任编辑：李梅DOI：10.16447/ki.cpt.2024.01.002基金项目：国家重点研发计划青年科学家项目（2022YFC2905900）作者简介：王峰超（1983），男，黑龙江牡丹江人，工程师，从事煤炭安全生产技术管理工作。E-mail：，Tel：[phone]。引用格式：王峰超，常博，陈永科，等.风力干法选煤技术研究现状与展望J.选煤技术，2024，52（1）：612.WANG Fengchao,CHANG Bo,CHEN Yongke,et al.State-of-the-art and future outlook of the work on pneumatic cleaning of coalJ.Coal Prepara-tion Technology，2024，52（1）：612.第 52 卷 第 1 期选煤技术 Vol.52No.12024 年 2 月COALPREPARATIONTECHNOLOGY Feb.20246阶段，能源需求量大幅增加，但环境问题与资源压力也日益突出。进入新时代后，以习近平总书记为核心的党中央践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，要坚持人与自然和谐共生。2020 年 9 月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出碳达峰、碳中和目标，将力争于 2030 年前达到碳排放峰值，2060 年 前 实 现 碳 中 和23。2022 年 6 月，国 务 院召开的煤炭清洁高效利用专题座谈会上指出，推进煤炭清洁高效利用，切实发挥煤炭的兜底保障作用4。国家“十四五”规划和2035 远景目标纲要将“推动煤炭等化石能源清洁高效利用”列入主要发展目标5。2022 年 10 月 16 日，习近平总书记在党的二十大报告中再次明确指出，积极稳妥推进碳达峰、碳中和，加强煤炭清洁高效利用，加快规划建设新型能源体系6。这为煤炭行业发展指明了方向：在“双碳”背景下，煤炭行业应尽快完成能源转型，顺应绿色发展趋势，实现煤炭清洁高效利用，做到“吃粗粮干细活”，提高煤炭清洁利用水平。选煤作为煤炭加工利用的源头技术，实现煤炭清洁高效利用，必须提高原煤入选比例，有效脱除煤中灰、硫等杂质。选煤技术主要包括湿法分选和干法分选。然而，我国煤炭资源与水资源呈逆向分布，2/3 以上的煤炭都分布于干旱缺水的西部地区，若采用传统湿法选煤技术，则会引起下列问题：分选过程产生的煤泥水后续不易处理，污染环境，且会加大选煤厂基建投资与生产成本；煤炭产品中会带入一定量的水分，影响煤炭质量；褐煤等低阶煤炭遇水易泥化，无法分选；冬季气温低，选煤过程中易结冰，且装卸车困难。因此，迫切需要开发出清洁高效的干法分选技术。干法选煤技术主要根据煤矸物理性质（密度、光谱吸收能力、颜色、介电性质、磁性等）差异实现分选，可以分为风力分选、空气重介质分选、光电分选、摩擦电选、磁选等。其中，空气重介质分选和光电分选技术主要适用于粗粒煤和大块煤颗粒分选，分选粒度下限高，原煤入选率有限7；摩擦电选与磁选技术处于实验室研究阶段，分选成本高，尚未实现工业化应用。风力分选技术入料粒度范围宽，分选粒度下限低，成为煤炭干法分选的主要分选技术，在干法选煤中占有率在 60%以上。文章系统梳理国内外不同风力分选技术的基本原理、设备结构、技术指标与应用情况，对比分析技术差异与煤种适应性，展望未来发展趋势。1风力干法选煤技术发展历程风力干法选煤技术利用空气作为流化介质，物料颗粒在床体内充分松散，根据密度差异自上而下产生分层行为，进而实现煤炭与矸石分离，具有不用水、工艺简单、生产成本相对较低等优势，适用于我国干旱缺水的西部地区的煤炭分选，以及褐煤等易泥化的低阶煤的分选。根据气流给入方式和分选原理不同，可将风力干法选煤技术分为复合式干法分选技术、风力摇床技术、风力跳汰技术、振动逆流分选技术以及振动螺旋分选技术。1.1复合式干法分选技术复合式干法分选机（图 1）主要由分选床面、激振器、空气室以及吊挂装置等部分组成，且床面具有一定的横向倾角和纵向倾角。分选物料由给料机给到床面上，在气流和振动的协同作用下物料颗粒做翻滚运动，下层颗粒受到较大的摩擦力和气流曳力作用而被挤入上层，而上层颗粒受到较大的背板推力，沿表层下滑。低密度颗粒在外侧作螺旋运动，由侧面的排料挡板处排出；高密度颗粒则落到床层底部，沿着背板做螺旋运动向矸石端推移。分选第一阶段主要存在自生介质作用，物料中含有大量微细颗粒，与空气形成气-固混合物，一定程度上运用了气固流化床分选原理；第二、三阶段则主要是颗粒间的浮力作用。在离析作用与风力作用的协同下，颗粒松散与分层更加充分。（a）结构示意图（b）分选原理图（c）颗粒螺旋运动示意图给煤振动方向振动方向风室风管床面排料挡板鼓风矸石中煤精煤精煤中煤矸石矸石原煤精煤背板图 1 复合式干法分选机Fig.1 Structure and working principle of the composite dry cleaning separator第 52 卷 第 1 期王峰超等：风力干法选煤技术研究现状与展望2024 年 2 月 25 日 71989 年，煤炭科学研究总院唐山分院在俄罗斯风选机的基础上，研发出第一代 FGX 复合式干法选煤机，该设备采用激振和气流相结合方式实现物料分选8。唐山神州机械有限公司在此基础上进一步完善创新，开发了一系列 FGX 复合式干选机，目前，单台床面最大处理能力达到 520 t/h。2013 年，为推动煤炭清洁高效利用，唐山神州机械有限公司为改善原有 FGX 复合式干选机分选效果，又进行了大量的优化设计和理论研究，在 FGX 复合式干选机的基础上增加了封闭系统和除尘系统，成功开发了 ZM 系列矿物高效分离机9。2021 年开发出 CZM 系列超级干法分选机，单位面积处理能力增大，有效提高了分选效率，且节能减排效果显著。1.2风力摇床技术风力摇床的床面带有格条，且底部有微小的风孔，物料给入风力摇床后，在上升气流和床体振动的作用下分布均匀，提高物料松散性和物料颗粒与空气的接触效率。由于受到重力、气流曳力和摩擦力的不同，不同密度颗粒运动轨迹存在差异，低密度颗粒向上层迁移，越过格条的阻挡进入下一凹槽，如此反复分选直到从排料边排出，而高密度颗则在物料下层，在激振力和凹槽引导的作用下，向矸石端推移并排出。空气摇床分选原理如图 2 所示。进料阶段颗粒混合因密度差颗粒分层轻颗粒聚集振动方向挡板上升流产品中煤矸石多隔间样品分离器煤炭矸石图 2 空气摇床分选原理图10Fig.2 Working principle of the air table10 1916 年美国最先开发出第一台风力摇床选煤机，用以分选褐煤，后人在此基础上不断改进床面形状和驱动装置，相继出现了 SJ 型风力摇床、Y型风力摇床和 R 型风力摇床等。原苏联在 1931 年引进风力摇床干选机1112。1992 年，在俄罗斯 C-12 型风力摇床的基础上，煤炭科学研究总院唐山分院研发了 FX 干选机，该设备对入选原煤外在水分的适应范围广10。FX干选机结构示意如图 3 所示。分选床激振器支承座支承座鼓风筒接料槽吸尘罩接料槽图 3 FX 干选机结构示意图Fig.3 Illustration of the structure of the FX dry separator 2003 年，我国选煤技术人员在吸取 FX 干选机和 FGX 复合式干选机的优点后，成功研发了 CFX差动式风力干选机，设备主要由分选床面、背板、供风系统、振动电机等组成，其中床面底部有鼓风孔，且有一定横向、纵向倾角。物料进入分选机后作螺旋运动，在上升气流作用下松散、分层，轻物料浮向上层，从侧边排出，重物料在差动振动力作用下从床面尾部排出。CFX 差动式风力干选机单台设备处理能力大，动力消耗低11，其结构示意如图 4 所示。支架分选床吸尘罩提升装置鼓风筒差动式激振器同步带传动图 4 CFX 差动式风力干选机结构示意图Fig.4 Sketch showing the structure of the CFX differential pneu-matic separator 同类型的设备还有韩国研发的 KAT 型空气摇床，主要由分选床面、供风装置、振动装置组成1314。物料进入 KAT 型空气摇床后根据密度分层，下层的重物料在床面偏心振动作用下向排料端迁移，上层轻物料由溢流堰自由流出。JAMBAL 等试验证明，增加床高和自生介质可以显著提高该机分选效率15。1.3风力跳汰技术风力跳汰干法选煤机以压缩空气作为分选介质，利用脉动气流与床体振动共同作用实现物料分选。物料从风力跳汰机的上端给入，在上升气流的作用下产生流化，由于物料在气流中的沉降速度不同而初步分层；松散的物料在气流关闭后发生下落，床层逐渐紧密压缩时进一步分层；经过多次流化、沉降过程后物料在纵向上分层效果显著，低密度精第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 8煤颗粒处于物料上层，高密度颗粒处于下层，从而实现煤炭与矸石的有效分离。分层后的物料由排料机构排出。空气跳汰分选原理如图 5 所示。精煤原煤矸石脉动气流脉动气流图 5 空气跳汰分选原理图16Fig.5 Working principle of the air jig16风力跳汰最早出现于 1874 年，第一台风力跳汰机名为克罗姆跳汰机，后人也开发了不少的跳汰机，如斯塔普风力跳汰机和菲利普跳汰机等。风力跳汰可用于块煤分选，已经实现了工业化应用，PANDA、BOYLU 等将风力跳汰干选机用于分选 6 mm 末煤，结果证明可以有效排矸1718。我国自主研发的 TFX 末煤跳汰机，以空气作为分选介质，工作原理与湿法跳汰类似，是一款有效的末煤分选设备。该机由分选床、布风装置和控制系统等部分组成1921，分选效果好，运行成本低。TFX 末煤跳汰机如图 6 所示。入料口摊平装置集尘罩分选床悬挂装置排料装置机架激振器筛下空气室鼓风筒（a）结构示意图（b）分选原理图振动方向给料方向矸石 1 矸石 2中煤精煤床面下鼓风图 6 TFX 末煤跳汰机22Fig.6 The TFX small coal air jig22 德国 AllMineral 公司研发出 Allair 空气跳汰机，对 Candiota 煤矿的进行煤样分选测试，结果表明有良好的分选效果23。Allair 空气跳汰机分选原理如图 7 所示。入料脉动风恒风煤矸石排风图 7 Allair 空气跳汰机分选原理图Fig.7 Working principle of the Allair jig 国产 TGS 型智能梯流干选机包含给料机构、激振机构、供风机构、分选机构等部件，主要利用“梯度流态化”原理对物料进行分选24，将物料流分为不同梯度，分别加以不同大小的作用力，使物料根据密度差异在纵向上分层，再由排料机构准确排出，从而实现物料分选。1.4振动逆流分选技术2010 年，澳大利亚纽卡斯尔大学基于振动与气流复合作用自行研制的振动逆流干法分选机2526，主要由筛体、供风装置和机架等组成。物料给到筛面后，在定向往复振动的筛面和气流的综合作用下实现松散，由于物料间密度存在差异，从而实现分层，低密度物料浮在上层，高密度物料则沉到下层。下层物料在气流和振动综合作用下沿着筛面向上迁移，从尾煤端排出；上层悬浮物料受到惯性力和进料压力，从精煤端排出。设备结构简单，操作参数易于调节，试验表明该设备对煤种适应性好，分选窄粒级物料时效果更好2729。振动逆流干法分选机结构示意如图 8 所示。1.5振动螺旋分选技术2008 年，针对 6 mm 的黏湿煤粉，中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用重点实验室研发了振动螺旋干法分选机，该设备由激振电机、分选床面、供风系统以及支撑系统等部分组成，其中设备分选床面为螺旋床面，绕干选机内筒中心螺旋向上。给到螺旋床面上的物料，在激振力和气流作用下实现松散、分层，重颗粒沉到料层底部，轻颗第 52 卷 第 1 期王峰超等：风力干法选煤技术研究现状与展望2024 年 2 月 25 日 9粒则停留在料层表面。此外，物料还受到扭转力矩作用，可有效减弱颗粒间的相互黏附作用，改善分选效果3032。角度可调振动电机去旋风除尘器倾斜沉降区入料流化床体布风板空气空气室图 8 振动逆流干法分选机结构示意图Fig.8 Structural sketch of the vibrating counter-flow dry separator 2技术性能与适用性分析经过多年的开发、研究和实际应用，我国风力干法选煤技术发展迅速，因工艺简单、不用水、生产成本较低等优势，在工业中得到广泛应用。目前，在常见的风力干法分选设备中，单位小时处理能力最大的设备是 ZM 复合式干选机，可以达到 1 200 t/h，且入料范围宽，分选精度好，已实现大规模工业应用3334。分选块煤时，FGX 复合式干选机和 CFX 差动式干选机的分选精度较好，可能偏差分别为 0.15，0.17 g/cm3。目前风选设备分选细粒煤的效果均不理想，相比之下，振动逆流干法分选机和振动螺旋干法分选机在细粒煤分选方面有一定优势，但二者尚处于实验室研发阶段。对典型风力干法选煤设备的最大处理能力、入料粒度以及分选精度进行对比，其技术参数对比见表1。表 1 典型风力干选设备技术参数对比Table 1 Comparison of technical parameters of different typical dry separators设备名称最大处理能力/（th1）入料范围/mm分选精度/（gcm3）研发阶段FGX复合式干选机52010000.230.15工业阶段ZM复合式干选机1 20010000.200.15工业阶段FX干选机3008000.25工业阶段CFX差动式风力干选机6008000.17工业阶段KAT型空气摇床312510.200.13工业阶段TFX末煤跳汰机2801300.225工业阶段Allair空气跳汰机6003000.26工业阶段振动逆流干法分选机1300.250.15实验室阶段振动螺旋干法分选机253实验室阶段 3结语与展望煤炭在我国经济发展中起到重要作用。应尊重以煤炭为主要能源结构的基本国情，做好可持续发展的长期规划，深入推进能源革命，实现煤炭清洁高效利用。新形势下，应提高原煤入选比例，结合我国煤炭分布情况，大力发展煤炭干法分选技术，积极稳妥推进“双碳”目标。风力干法选煤技术生产成本低、适应性强且具有较高的分选精度，在动力煤分选或者预排矸中得到广泛应用，但仍存在一些局限性。未来，为应对新形势下的煤炭洗选加工难题，风力分选技术研究重点应侧重于：（1）降低分选粒度下限。我国煤炭资源储量大但禀赋差，煤炭赋存有“贫、细、杂”的特点，随着采煤工作机械化程度的提高，开采的原煤中含有大量的 6 mm 煤粉，个别煤矿煤粉含量达到 50%甚至更高。细粒煤分选一直是风力干选的难题，FGX复合式干法分选机有效分选粒度下限为 6 mm，ZM高效矿物分离机的分选下限为 3 mm，针对末煤研发的末煤干选机分选粒度为 131 mm，迫切需要开发出针对 3 mm（1 mm），细粒煤分选的专业风力选煤设备。（2）提高分选精度。与传统的湿法分选不同，风力干法分选技术使用空气作为分选介质。空气和水的密度相差 800 倍，黏度相差 55 倍，不同密度颗粒在空气中的沉降速度差异较小，无法精准实现以阿基米德原理为基础的分离，分选精度较差。（3）增强对入选原煤外在水分适应性。采煤工作面、储煤场以及选煤厂等地为了抑尘往往采取喷洒清水的做法，使得原煤含水量升高，微细颗粒表面互相黏附，形成液桥，即便在风力作用下物料也无法充分松散与分层，导致分选效果下降。研发出一种有效避免物料间相互黏附、提高入选物料外在水分上限的设备，是风力干法选煤技术未来的发第 52 卷 第 1 期选煤技术2024 年 2 月 25 日 10展方向之一。（4）发展风力选煤智能化。随着德国“工业4.0”和“中国制造 2025”的实施，智能制造成为全球公认的最具竞争力的核心技术。目前风力干法选煤的智能化程度仍较低，选煤厂整体的劳动效率提升不够明显，尚未真正实现“有人巡视，无人值守”。选煤厂的智能化对煤炭行业绿色转型、提升工效有着重要意义，实现选煤厂智能化的重点在于建立丰富的数据库，选择合适的生产控制模型，实现生产工艺优化。参考文献：国家统计局.中华人民共和国 2022 年国民经济和社会发展统计公报N.人民日报，2023-03-01（9）.1 胡文娟.中国长期低碳发展战略与转型路径研究成果发布J.可持续发展经济导刊，2020（10）：12.2 刘华军，石印，郭立祥，等.新时代的中国能源革命：历程、成就与展望J.管理世界，2022，38（7）：624.3 新华社.韩正在煤炭清洁高效利用工作专题座谈会上强调加强统筹谋划确保安全保供推动煤炭清洁高效利用不断迈上新水平EB/OL.（2022-03-23）2023-05-02.https:/ 中国共产党中央委员会.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要N.人民日报，2021-03-13（6）.5 中国煤炭工业.高举思想旗帜汇聚奋进力量开创煤炭 工 业 高 质 量 发 展 新 局 面 J.中 国 煤 炭 工 业，2023（2）：45.6 李思维，常博，刘昆轮，等.煤炭干法分选的发展与挑战J.洁净煤技术，2021，27（5）：3237.7 周恩会.细粒煤振动重介质分选流态化过程的强化机理研究D.徐州：中国矿业大学，2018.8 陈建强，常博，刘昆轮，等.煤炭干法分选技术应用与展望J.煤炭加工与综合利用，2021（6）：2428.9 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