干法选煤技术在霍林河南露天矿的应用

董瑞荣，付合英，付 强，李增鑫

(国家电投内蒙古公司 霍林河南露天煤矿，内蒙古 霍林郭勒 029200)

我国褐煤资源丰富，已探明的褐煤保有储量1 311.42亿t，占已探明煤炭储量的13%左右，是未来可利用的主要能源之一[1-2]。科学合理地利用褐煤资源，对我国煤炭行业可持续发展具有重要意义[3-5]。煤炭分选有利于提高资源回收率，从各项指标上提升煤炭质量，是实现节约能源和清洁利用的重要手段。传统的湿法选煤技术已经无法满足现代化选煤行业发展的需要[6]。适应某些煤质特点的干法选煤技术，主要是利用煤与矸石的物理性质差别进行分选，如密度、粒度、形状、光泽度、导磁性、导电性和辐射性、摩擦系数等特性[7]。干法分选主要包括风选、磁选、电选、摩擦选、微波选、空气重介质流化床选等方法[8]，目前已投入工业应用的最广泛的干选方法为风选[9-11]。该方法具有成本低、工艺简单、占地面积小、能耗低、能有效分选褐煤等易泥化煤的优点[12-13]。

1 项目背景

霍林河南露天矿煤质为中低灰、特低硫、低磷，符合环保要求，平均发热量为13.37 MJ/kg，是较好的动力用煤。但由于该煤矿体赋存产状复杂，煤层数较多，在境界范围内矿体薄厚变化不均，部分煤层夹层矸较多；为保证煤质，采煤时加大了对煤顶、底板的处理强度，产生部分顶、底板杂煤，煤质较差，平均发热量在8 778 kJ/kg，没有合适的用户需要，均按低热值煤岩混合物排至排土场掩埋。低热值煤岩混合物堆存过程中易氧化放热，热量不能及时散出，且不断积累，煤堆温度会逐渐升高，存在自燃的隐患。因此，煤岩混合物堆存既浪费资源，又污染环境。而干法选煤技术可有效回收精煤，增加经济效益，分选后的低热值煤发热量可达到用户要求的发热量指标，可作为商品电煤出售。同时排弃物料中可燃物含量下降，减少了发生自燃的几率，降低了对环境的污染，具有良好的社会效益。

2 干法选煤技术介绍

褐煤干选主要目的是为提高其发热量，一般从降水和降灰两方面进行，分别为干燥提质和分选提质。本设计主要研究对象是露天矿低热值煤岩混合物，其水分(Mt)为21.25%，灰分(Ad)为52.96%，如采用干燥无法完全达到提质回收的目的。根据投产的褐煤煤矿生产实际情况，褐煤易碎，原生煤泥量大，并且遇水极易泥化，用水作为介质洗选极易造成洗水浓度大，煤泥水系统处理困难，甚至无法正常生产。常规选煤方法需要利用水介质进行分选，对于褐煤遇水泥化，会恶化分选效果，达不到理想的分选目标。目前应用于褐煤分选的选煤工艺主要为风力分选以及X射线分选，两种分选方式均可避免褐煤遇水泥化的现象，并能节约水资源，而且解决了动力煤产品水分高、冬季易冻结的问题。经调研考察，霍林河矿决定采用唐山神州机械有限公司生产的X射线智能干选机和复合式干选设备。

2.1 块煤射线智能分选

X射线智能分选设备是利用X射线穿透煤和矸石时，由于各自的密度不同、尺寸不同，对X射线的衰减也不同来进行识别的。该设备主要由X射线源、探测器、综合控制装置、执行机构等组成。当输送带上的煤或矸石经过射线源下方时，探测器采集到一系列相关数据并传输到综合控制装置，综合控制装置经过相关计算，判定出煤或矸石，若判定为矸石，经过一定的延时，当煤矸石经过执行机构时，执行机构动作，完成煤与矸石的分离。其结构原理示意见图1。

图1 X射线智能分选系统结构示意

智能分选设备采用高灵敏度探测器、一体化射线源、先进的智能识别系统和可靠的执行机构，识别准确率高达95%以上；设计时充分考虑了煤矿多煤尘、机械振动等不良的工作环境，设备可靠性高，处理量可选范围20～300 t/h，用于块煤分选，可完全取代人工手选。

2.2 混煤风力分选

风力选煤是利用空气作为分选介质，可避免褐煤遇水泥化的现象，节约水资源；并可解决动力煤产品水分高、冬季易冻结问题；其投资仅为同规模湿法选煤厂的 1/5～1/10，加工费用仅为洗选的1/3。

我国自行开发的复合式干法分选设备，突破了传统风选单一的分选机原理，集多种分选作用于一体。其分选原理(见图2)如下：

一是采用自生介质(入选原煤中所含细粒煤)与空气组成气固两相混合介质分选，形成具有一定密度、相对稳定的气固悬浮体。物料通过悬浮体时，密度低的煤上浮，而密度高的矸石下沉。

二是借助机械振动使分选物料做螺旋翻转运动，形成多次分选。

三是充分利用逐渐提高的床层密度，高密度物料颗粒相互作用产生的浮力效应强化了煤矸分离，使矸石产品更加纯净。

图2 风力分选机结构示意

在高密度排矸条件下，复合式干法分选在80～6 mm有效分选粒级范围内，其分选数量效率大于90%；但风力分选的粒度下限较高，对于6 mm以下粒级物料分选效果差，因此比较适用于低热值煤岩混合物的排矸降灰。南露天矿选择块煤射线智能分选+混煤风力分选的方法，作为低热值煤岩混合物提质回收的主要手段。

3 项目规模确定

根据霍林河南露天矿实际生产情况统计，低热值煤岩混合物数量如下：

(1)顶底板：10号、14号、17号、21号等主采煤层的顶底板每年产生的煤岩混合物53.18万m3。

(2)薄煤层：18号、19号等薄煤层每年产生的煤岩混合物20.24万m3。

(3)混杂煤：11号煤层的煤岩混杂煤层每年产生煤岩混合物33.59万m3。

低热值煤岩混合物的排弃量约为1.50 Mt/a，则项目建设规模为：1.50 Mt/a。

4 厂址选择

褐煤干选项目为南露天矿配套项目。按照尽可能缩短原料煤和产品煤运输距离的原则，从水源、电源、公共交通和通讯设施等方面考虑，决定厂址选在现场工业试验场地，位于一号破碎站北侧底帮平台(见图3)。

图3 项目厂址位置示意

(1)水源。工业场地生活用水依托南露天矿工业场地已有给水设施。

(2)电源。南露天矿环坑电源线路引自霍林河66 kV变电站。环坑分布有近20座66/6.3 kV箱式变压器，距褐煤干选项目西侧500 m处有1座66/6.3 kV箱式变压器，专为褐煤干选项目供电，无其他负荷。

(3)交通运输。矿区内公路已基本形成运输网。已有的矿山公路运输系统是沿采掘场的东、南两侧布设。褐煤干选项目外部运输条件全部依托露天矿原有矿山公路，能满足该项目产品煤及矸石的运输，具有方便的运输环境。

(4)通讯设施。褐煤干选项目行政电话依托露天矿行政通讯网。

5 运行效果

南露天矿褐煤干选系统自2018年11月投入生产以来，主要加工的原煤为南采区18号、北采区11号、配采区17号等煤层产生的低热值煤岩混杂物。到2018年底，共计处理原煤164 622 t，生产精煤67 608 t，精煤产率为41.07%。对生产的精煤按照粒级采样、化验，并选取其中15个批次的化验数据进行分析：

(1)0～6 mm煤样，全水分为19.7%～26.5%；灰分为40.64%～69.66%；热值在5 016～9 965 kJ/kg范围内波动，甚至有的煤样无法点火，这是由于大量岩粉混入而造成热值较低。基本确定该粒级产品没有利用价值，可直接排弃。

(2)6～80 mm煤样，全水分为23.30%～29.60%；灰分为30.66%～42.40%；热值在10 964～14 036 kJ/kg范围内波动，绝大部分热值在12 540 kJ/kg左右。

(3)大于80 mm煤样，全水分为21.4%～31.20%；灰分为22.39%～45.94%，绝大部分灰分在30%左右；热值在10 634～15 094 kJ/kg范围内波动，绝大部分热值在13 794 kJ/kg左右。

热值作为褐煤最重要的指标之一，可以明显从化验数据中观察到，相比原料煤岩混合物的热值8 778 kJ/kg，选后得到的精煤热值大幅度提高。0～6 mm粒级煤样无利用价值，可直接排弃。6～80 mm和大于80 mm煤样可回收，两粒级热值差别不大，可混合回收。

6 经济效益

(1)年销售额。本项目达产(每年加工1.50 Mt原料)时，按照每年回收50万t商品煤，根据选煤产品和煤炭质量及发热量价格指标，依据近3 a煤炭市场的平均价格，由于6～80 mm和大于80 mm煤样混合回收，回收后的产品热值能满足电煤需求，售价为123.48元/t(不含税)；产品为0～6 mm末煤不作为产品回收，直接排弃，不计算销售收入；矸石为选煤废料，直接排弃，不计算销售收入。由此计算，在正常生产年份煤炭年销售收入为6 174万元。

(2)成本。目前生产模式下，主要成本项目包括煤岩混合物加工费、生产用电电费、成品煤采装费用和胶带系统变动成本。其中的煤岩混合物运输费为以前正常生产过程中同样需要发生的费用，属于必须发生的成本，因此不参与成本计算。

经测算，吨煤生产成本49.68元，吨煤产生的利润73.8元，考虑增值税附加及资源税13.04元/t，吨煤产生的净利润60.76元。按年产50万t精煤计算，本项目每年可产生经济效益3 038万元。

7 结 论

(1)南露天矿褐煤采用干法分选的方法选择合理可行：块煤采用智能分选设备，通过射线自动识别进行煤矸分离，混煤采用风力选煤，以空气作为分选介质进行分选。两种分选方式均可避免褐煤遇水泥化的现象，节约水资源，解决了动力煤产品水分高、冬季易冻结问题，且投资加工费用低。

(2)环保效益显著：分选后煤与矸石分离，排弃的物料数量减少，从而减少了低热值煤岩混合物的占地；同时排弃物料中可燃物的含量下降，减少了发生自燃的几率和二氧化硫排放量，降低了对环境的污染。

(3)通过建设干法选煤设施，每年可以多回收约50万t产品煤，剥采比可以降低0.1，回采率增加3%，根据目前产能计算，可以延长矿山服务年限1.5 a。干法选煤设施的建设对于回收煤炭资源、增加企业的经济效益都具有积极的意义。

(4)0～6 mm粒级产品无利用价值，可直接排弃。6～80 mm和大于80 mm煤样符合电厂需要，两粒级热值差别不大，可混合回收。