中国选煤研究热点与技术需求分析

2018-02-19杨建国周立习

选煤技术 2018年1期

杨建国，周游，周立习

(1.中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221008；2.国家煤加工与洁净化工程技术研究中心，江苏徐州 221008)

煤炭是中国的主要能源和碳资源，连续多年在一次能源结构中所占比例超过70%[1]。预计到2030年，煤炭占一次能源消费的比例约为60%；至2050年，煤炭在一次能源消费中的比例仍将保持在50%左右的高位[2]。

煤炭的大规模开发也带来了煤炭加工技术和相关基础理论研究的快速发展。随着全社会整体科学技术的发展以及煤炭用途的变化，对选煤技术及其相关应用的基础研究也在不断提出新的需求。这些需求有的作为现实的技术需要已经形成了相应的热点研究方向，有的则有可能会成为未来的研究热点。

1 选煤过程基础理论研究的热点方向

博士学位论文的选题在一定程度上反映了国内基础理论研究的基本方向。

1.1 浮选过程机理研究

从中国知网(CNKI)上查得近三年(2015—2017)选煤方向博士学位论文31篇。其中，浮选机理研究9篇，占29%，截至2017年底，被引1 703次，是选煤领域当之无愧的热门方向。

国内浮选基础理论研究主要瞄准浮选过程中的药剂强化作用展开，包括煤用反浮选药剂的作用机理与分子动力学过程，煤用乳化剂在煤粒表面的吸附及其对浮选过程的促进作用，煤源微生物(来自于肥煤和褐煤)对被选颗粒表面的改性作用等[3-5]。相比之下，国外浮选理论的研究则更多地关注气泡的矿化过程，如探讨水化膜脱水薄化直至破裂的过程[6-7]。

1.2 流态化重选过程研究

致力于重选过程研究的博士学位论文有7篇，占23%，截至2017年底，被引712次。研究主要集中在干法的空气重介流化床和湿法的粗煤泥干扰床(teetered bed)分选过程的强化作用方面[8-10]。工业上广泛使用的湿法重介分选过程及配套工艺过程研究很少。

1.3 煤炭脱硫机理及过程强化研究

煤炭脱硫方向仍然得到了大家的关注，虽然博士论文数只有3篇，但引用量却高达649次[11-13]。论文主要从高硫煤资源形态、性质和强化微细粒分选脱除黄铁矿等几个方向进行研究。注重研究煤系与矿系黄铁矿在表面性质上的差异及其根源，运用量子化学理论模拟煤系黄铁矿表面与药剂间的化学吸附过程，通过煤系黄铁矿与药剂间化学吸附的作用机理，寻找改善浮选脱硫效果的技术措施。业内广泛关注的有机硫脱除方面，未见相关基础理论研究的博士论文发表。

1.4 低阶煤提质处理研究

前几年比较热门的关于低阶煤的处理研究有6篇(被引47次)，主要包括空隙结构分析、表面亲水基团分析、药剂作用机理分析、热力学脱水及复吸过程分析等内容。通过对选择性絮凝反浮选、油泡浮选等过程机理的研究，探索了解决低阶煤可浮性差、浮选药剂消耗巨大等技术难题的新途径；在低阶煤热力脱水方面，探索了褐煤在微波干燥过程中的动力学特性，以及在低阶煤热力干燥过程中颗粒的碎解机理；考察了具有不同特征基团的表面活性剂在褐煤表面的吸附机理及其对褐煤重新吸水的防护作用[3-5,14-16]。

低阶煤处理方面的论文近年来的引用次数不高，在一定程度上反映了在煤炭产能过剩的情况下，质地相对较差的低阶煤开发受到了更大的冲击。

1.5 煤岩组分分离富集研究

近三年发表的博士论文中，关于煤岩组分分离富集的论文2篇，被引93次。研究的目标是为煤的气化和液化提供不同煤岩组分的原料煤，主要研究煤岩组分的嵌布特征、物理特性、选择性破碎与分离富集方法。

赵世永[17]采用光学显微镜、红外光谱、低温氮气吸附等研究方法，系统研究了神府煤煤岩组分的嵌布特征，不同煤岩组分的可磨性、润湿性、表面结构；研究了煤岩组分选择性破碎机理，以及在重介旋流分选、浮选作业中的分离富集规律。张磊[18]分析了不同变质程度、不同煤岩显微组分含量的煤岩显微组分富集物的挥发特征和粘结特征，表征了煤岩显微组分富集物的结构组成特征和热性质，揭示了煤岩显微组分在不同热解温度下的变化规律及形貌特征。

除了上述主体方向外，近三年的选煤博士论文还有筛分分级2篇(被引212次)，管理与信息化2篇(被引247次)，体现了人们对传统研究方向的持续关注[19]。

2 选煤技术领域的热点技术问题

《选煤技术》杂志是国内唯一以选煤为主要报道内容的专业性科技期刊，得到国内选煤界的广泛关注。近几年，《选煤技术》杂志把报道的重点放在实用技术方面，论文选题(特别是来自于选煤厂的论文)体现了选煤界对应用选煤技术的关注点。

2.1 选煤过程自动化控制技术

在《选煤技术》杂志2017年发表的130篇学术文章中，选煤过程自动化类的文章共有22篇，占16.9%。相关研究主要集中在集控系统搭建与改造、胶带运输机监控以及灰水检测等；采用模糊控制技术进行重介过程控制；采用神经网络技术进行浮选精煤灰分预测；煤的灰分检测则采用了天然射线(无源)检测法。仅个别论文涉及到智能化内容，但智能化程度有限。

2.2 选煤工艺方法与装备研发

2017年度，《选煤技术》有关湿法重介论文20篇，占15.4%；浮选共有15篇，占11.5%；干法选煤6篇，占4.6%。

湿法重介技术主要关注目前常用的块煤浅槽分选机和重介质旋流器。有关浅槽分选机的研究侧重于应用研究，通过操作参数的优化，降低其有效分选下限[20-21]。对重介旋流器的研究侧重于基础理论研究，采用数值模拟方法对重介旋流器的内部流场进行分析[22-23]。也有部分论文关注重介工艺系统的优化和生产经验的总结。

在浮选方面的论文中，关于浮选工艺、浮选设备和浮选药剂的论文数量相当，总体上表现为传统技术的应用，没有突破性的创新。

2.3 选煤厂设计与工艺改造

选煤厂设计及工艺改造专栏每期1篇，主要介绍选煤厂储运系统设计及围绕产品结构优化所进行的工艺改造。此外，还有关于煤泥水处理方面的论文6篇，占4.6%，主要围绕煤泥水中高灰细泥积聚问题，通过絮凝剂和凝聚剂的优选和加药制度的优化，提高沉淀效果[24-25]。

2.4 选煤厂辅助设备

关于设备的设计与改造16篇，占12.3%。这个方面选题十分广泛，几乎涵盖了包括如压滤机、脱介筛、介质泵等选煤厂所用的所有设备。论文普遍围绕相关设备在生产过程中出现的工程技术问题而提出相应的改进措施。

3 选煤生产对技术的需求分析

从煤炭企业的角度来看，在市场经济条件下，选煤的目的就在于从原煤中分离出适销对路的煤炭产品，从而获得更大的经济效益。经济效益最大化是企业生产经营的目标，生产适销产品、降低生产成本、采用智能化和无人化管理是煤炭企业实现利益最大化的主要途径。选煤生产对技术的需求可以从以下三个方面进行分析。

3.1 生产适销商品方面的需求

生产适销对路产品是企业运行的基本条件，而产品结构优化则是获得最大经济效益的重要手段。

3.1.1 炼焦煤中煤破碎解离精选技术

在中国选煤的发展历程中，早期主要是为钢铁工业生产炼焦的原料煤，与提高炼焦煤质量、降低产品灰分相关的技术是广大科研工作者的攻关目标。焦煤和肥煤资源仅占我国煤炭资源的9%左右，用占世界煤炭资源总量2%的主焦煤和肥煤资源支撑占世界一半以上的钢铁产量，使我国焦煤和肥煤资源比例正迅速减少。与资源短缺不相适应的是，由于我国原煤可选性差，中间密度物含量高，致使大量炼焦煤以中煤或洗混煤的形式被降格作为动力煤燃用。因此，中煤破碎解离再选提高冶炼精煤产率技术是我国炼焦煤选煤厂的迫切需求。

就单个选煤厂而言，其迫切程度尚有较大的差异。总体上来说，在当前的价格体系下，动力煤和炼焦煤有着显著的价差，进行中煤破碎再选具有较好的经济效益。特别是在国家压缩原煤产能的大环境下，一些原煤产量不足的选煤厂，可以将中煤再选作为煤炭企业内部挖潜的重要途径。

当然，中煤破碎再选的经济效益也受到原料煤性质的影响，有些中煤需要破碎到0.25mm以下，甚至更细，才能达到有效地解离。巨大的浮选和脱水成本会抵消甚至超过精煤产率增加所带来的经济效益。

在市场经济条件下，进行中煤破碎再洗的关键技术包括中煤的适度破碎和破碎后(细粒)物料的高精度分选两个方面。适度破碎是指既要保证破碎到低灰组分与高灰组分的有效解离，同时又要尽可能减少过粉碎带来的浮选和脱水成本的增加。开发中煤适度破碎技术可以有效降低中煤解离再选成本。

作为沉积岩的煤炭不同于晶体或隐晶结构的金属矿，在破碎解离中不能解离出“纯净”晶体组分，只能分解为不同矿物含量的颗粒(混合物)。破碎解离后的中煤颗粒之间相似性很高，颗粒密度和颗粒表面接触角差异都很小，表现为重选可选性很差，浮选分离的难度也很大。分选精度与精煤产率之间相关度极高，因此开发适合细粒级的高精度分选技术具有显著的经济效益。

3.1.2 高硫煤脱硫降灰技术

20世纪90年代末，原煤中高硫煤的比例迅速增加，高硫炼焦煤和动力煤的脱硫技术得到广泛重视。重庆中梁山选煤厂脱硫降灰示范工程的顺利投产运行标志着重介脱除黄铁矿硫技术的逐渐成熟。此后，人们又进行了流膜分选和离心重选等方法的探索性研究。研究结果表明，物理方法对黄铁矿硫的脱除效果明显，但对有机硫几乎没有脱除作用[26]。

严格来说，早期的煤炭脱硫实质上是在高硫炼焦煤资源中提取部分中低硫精煤，其中煤硫分仍然较高。随着我国浅层低硫煤资源的逐渐耗竭，原煤硫分有明显上升的趋势。与此同时，燃煤硫分作为重要的环保指标要求越来越苛刻，因此以脱除煤中黄铁矿硫为代表的“有害元素”的燃前脱除技术，以及高效燃中固硫、(燃后)烟气脱硫脱硝技术，将逐渐上升为决定煤炭资源能否开发利用的瓶颈技术。

煤中有机硫的脱除问题困扰了选煤界多年，目前仍有巨大的技术需求。以山西焦煤集团为首的一些单位进行了大量有益的探索，也取得了一些阶段性成果，但在大规模工业化之前，仍有许多工作要做。

3.1.3 化工用特种原料煤生产技术

在严格限制民用散煤的情况下，化工用煤是除了动力用煤和炼焦用煤之外洗选煤产品的第三个重要应用方向。煤炭作为原材料在化工领域的应用主要是造气、液化和煤基炭材料(包括传统的炼焦)生产。现代煤化工的发展也对其原料煤的加工提出了新的技术要求。

传统的煤气化采用高阶煤(主要是无烟煤)固定床气化技术，对原料煤的粒度有较高的要求，形成了高阶煤在粒度上的较大价差。防破碎保块选煤技术在此类选煤厂一直有着较大的需求。只要这种气化炉不被淘汰，这方面的需求就将继续存在。

现代煤化工多采用水煤浆气化或粉煤气化技术，对粒度方面的要求不再严苛。但在大规模的煤气化(包括煤炭间接液化的气化阶段)生产中，煤中无机矿物质成分对气化炉的结渣和水处理中的除盐有着重要的影响。此外，一些研究结果表明[27-29]，不同的煤岩组分在气化和液化过程中的转化率有一定的差异。可以预见，进行煤岩组分分离和成灰矿物调质在现代煤化工领域具有巨大的潜在经济效益。相关研究已逐渐开始，如赵伟[30]和张磊等人[18]成功地采用浮选法对显微煤岩组分进行了富集。

在煤基炭材料生产中，原料煤的超纯制备是优质炭材料生产的基础。刘炯天和杨建国先后采用浮选法和重选法成功制备了“超低灰纯煤”，并实现了工业化示范，带动了高档煤基材料制备的快速发展。随着煤基碳素、煤基石墨等高附加值煤基材料的快速发展，瞄准进一步降低洗精煤灰分、提高超低灰纯煤产率的相关研究，将在未来的煤基材料生产中起到举足轻重的作用。

3.2 降低成本方面的需求

在市场经济条件下，降低成本、提高效率是企业永恒的追求。降低选煤成本的途径有：选择适宜的选煤方法(包括优化不同选煤方法的入选比例)、选煤作业的集约化与选煤设备的大型化、操作管理的智能化与无人化等。具体技术包括动力煤煤泥减量化技术、高效节水选煤技术、大型选煤装备可靠性提高技术、低阶煤高效脱水提质技术等。

3.2.1 动力煤煤泥减量化技术

降低生产成本一直是企业关注的焦点，尤其对低附加值的动力煤分选更为重要。业内周知，块煤分选比末煤分选成本低，重选比浮选成本低，因此适当降低块煤分选下限和末煤(重选)分选粒度下限是降低生产成本的有效途径。特别是以煤泥减量化为特征的动力煤选前脱泥技术和煤泥水处理技术，有望为动力煤选煤厂带来显著的经济效益。

动力煤选前干法脱粉，从早期的概率筛到近期的博后筛、弛张筛，相关技术的研发一直未停，但至今还远没有达到人们期待的水平，潮湿煤炭的细粒干法分级效率和单机处理能力的矛盾仍未得到很好地解决。巨大的经济效益将继续推动动力煤选前干法脱粉技术发展。

在强大的环保压力下，燃煤灰分常被错误地用作商品煤的准入指标，其结果已经导致不少选煤厂浮选尾煤无法处置的尴尬境地。就当前的煤价和加工水平而言，动力煤的煤泥浮选脱水作业本身并没有经济效益可言，但即使是脱粉入洗，仍会产生一定量的煤泥水需要进行后续处理。因此，动力煤煤泥水低成本合理化处理技术也有着巨大的现实需求。

3.2.2 高效节水选煤技术

随着我国东部煤炭资源的逐步耗竭，西北缺水地区的煤炭开发逐渐成为我国煤炭生产的主战场。对适合缺水地区的节水选煤技术需求比以往更为迫切。

作为低成本的块煤分选方法，机械拣选近年来发展迅速，相关技术也成为企业竞争的核心。下一步的研发将在采用非放射性分辨方法、提高单机处理能力和分选精度等几个方面进行。

复合干法分选和空气重介分选技术作为目前仅有的两种工业化粒煤干法分选技术，其在西北缺水地区的逐步推广应用，必将带来相应的工艺和装备完善方面的技术需求。

粉煤炉、燃煤炉前粉碎为脱硫脱灰创造了充分的解离条件，与炉前磨煤相结合的粉煤干法脱灰降硫技术在燃煤电厂有着潜在的技术需求。

3.2.3 选煤装备可靠性提高技术

生产的集约化和设备的大型化是降低生产成本的重要途径，也一直是相关研究的热点领域。近十几年来，我国(包括一些中外合资企业)在选煤装备大型化方面取得了举世瞩目的成就。大型跳汰机、大型浅槽重介分选机、超级重介旋流器、大型浮选机、大型煤用离心脱水机、大型压滤机、大面积加压过滤机、大流量介质泵(渣浆泵)等一系列国产大型选煤装备相继问世，并快速投入工业性运行。

伴随着选煤设备的大型化，选煤厂的分选系统数量逐渐减少。不少选煤厂采用了单系统，并且系统内一个环节往往也只有一台设备，一旦某台设备发生故障，将直接导致整个系统乃至全厂停产。因此，伴随着生产系统的简约化，对装备的可靠性要求越来越高。显著提高设备可靠性已逐渐成为选煤装备研发的重要目标。

3.2.4 低阶煤高效脱水提质技术

随着优质煤炭资源的逐步耗竭，低阶的褐煤在原煤中所占比例必将逐步增长，以高内水、易泥化为特征的低阶煤采用常规选煤方法无法达到高效利用的要求。低阶煤的高效脱水技术、成型与防(水分)复吸技术，以及低成本分选脱灰技术研发已逐渐兴起。尽管最近一两年因压缩煤炭产能等原因，其热度有所降低，但从长远来看，其需求仍将十分旺盛。

3.3 选煤过程智能化方面的需求

国务院发布的《中国制造2025》，是中国政府实施制造强国战略的第一个十年的行动纲领。文件提出实行包括智能制造工程在内的五大工程，用信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个制造业的发展。“中国制造2025”是在新的国际与国内环境下，中国政府立足于国际产业变革大势，作出的全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署，俗称“工业4.0”。“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。

在全国制造业逐步实现智能化的大环境下，选煤厂已具备实现“工业4.0”的条件。形成中的智能化选煤主要包括：工艺参数智能化检测技术(特别是基于机器视觉的现代检测技术)、设备状态智能化诊断以及基于物联网的选煤装备在线监控服务技术、智能化安全监控技术和基于大数据分析的选煤厂智能化管理技术。

3.3.1 选煤过程参数智能化检测技术

过程参数的准确检测是自动控制和智能控制的基础。传统的参数检测技术为选煤厂集中控制和参数自动控制(如悬浮液密度、介质桶液位、浮选入料浓度自动控制)奠定了基础。但还有一些重要的过程参数(如入料和产品的粒度组成、密度组成、硫分、发热量、分选精度及实际分选密度等)，很难采用传统的方法进行在线实时检测，已经成为制约选煤生产过程智能化操控的技术瓶颈。

在已有检测技术中，还有一部分采用了放射性检测方法，如煤水分、灰分在线检测技术，尽管这些检测仪表都标称为安全级别，但人们对放射性的普遍担忧，以及政府安全部门频繁的检测检查，使选煤厂迫切需要寻找更安全的非放射性替代技术。

未来选煤厂的智能检测还将包括一个新的内容——安全监控。在现有安全监控的基础上，能模拟人工巡查过程，对区域内的高温点进行实时监测；通过对视频图像分析，对人员进入非人员工作区域等可能出现的机械或人员伤害的其他情形进行监测和预警。

3.3.2 设备状态智能化诊断及基于物联网的选煤装备在线监控服务技术

现场操作工人的重要工作之一就是对设备的运行状态进行观察，判断和估计已经发生或可能将要发生的设备故障，并及时采取相应措施进行处理。未来的选煤厂，将在PLC系统故障自诊断的基础上，通过综合分析声频、音频、振动等信息，对主要装备的工作状况逐步实现在线监测和故障诊断，例如：振动筛筛板松动监测、筛面漏料监测、激振器油温监测、轴承工作状态监测、弹簧断裂监测、皮带松动监测、梁断帮裂监测等。类似的装置在化工装备、汽车等领域已经基本普及，但在选煤行业还处于起步阶段，相关技术需求已开始陆续出现在神华集团等大型煤炭企业的技术招标项目中。

伴随着装备制造技术的提高和装备智能化的实现，装备维修保养的技术要求和技术难度也会越来越高。装备的竞争将从简单的价格竞争进化到全生命周期可靠服务的竞争。汽车4S店已开遍全球，这标志了人们对设备制造商承担专业维护的普遍认可。在物联网逐渐走向应用的大环境下，制造厂及时掌握装备实时工作状态，并对可能发生的故障进行预先评估和适当处理已经在一些专用装备(如某些型号的挖掘机)上开始商业化应用。选煤装备制造商对相关技术的需求指日可待。

3.3.3 基于大数据分析的选煤厂智能化操控与经营管理技术

一旦煤质组成等关键参数在线智能控制技术取得突破，构建基于入料和产品组成在线检测结果的重介生产过程智能化控制、基于煤泥水特性(浓度、细度、离子度等)及浮选泡沫特性(气含率、泡沫大小、泡沫粘度等)在线检测结果的浮选过程智能化控制，甚至以市场需求为约束条件、以最大经济效益为目标的智能控制系统就将水到渠成。

在选煤厂管理方面，涵盖装备实时运行状况、物资消耗、零配件仓储、物流、采购、供货商信息共享的大数据分析系统，以及基于智能手机App的信息共享模式，将成为选煤厂管理系统开发的重点。

4 结论与分析

综上所述，不难得出如下结论：

(1)选煤领域基础理论研究的热点主要是浮选过程机理研究、流态化重选过程研究、脱硫机理及过程强化研究，以及煤岩组分分离富集研究等几个方向。

(2)国内选煤界对应用选煤技术的关注点主要集中在选煤过程自动化控制技术、选煤方法与选煤工艺优化、选煤工艺方法与装备研发、选煤厂设计与工艺改造，以及选煤厂辅助设备故障处理等方向。

(3)当前，选煤生产对技术的需求可以分为生产适销产品的需求、降低生产成本的需求，以及智能化与无人化操作管理方面的需求。具体包括：炼焦煤中煤破碎解离精选技术、高硫煤脱硫降灰技术、化工用特种原料煤生产技术，动力煤煤泥减量化技术、高效节水选煤技术、与大型化相适应的选煤装备高可靠性技术、低阶煤高效脱水提质技术，选煤过程参数智能化检测技术、设备状态智能化诊断及基于物联网的选煤装备在线监控服务技术、基于大数据分析的选煤厂智能化操控与经营管理技术等。

分析出现上述局面的原因在于，高校、科研院所和涉煤企业所处环境不同，研究经费的获取及评价标准不同，从而在很大程度上决定了其关注的侧重点不同，因而形成了一系列应用基础研究和工程化研究的热点方向：

(1)在现行评价体系中，获得国家和地方政府自然科学基金的数量和列入SCI(Science Citation Index，科学论文索引)的论文数作为高校的学科建设和职称晋升的重要评价指标，迫使高校研究更侧重基础理论研究。具体选题在一定程度上有迎合基金评审者的倾向，同时还受到高科技检测手段的限制。如近年来微观检测技术的发展为界面矿化过程研究提供了现代化的检测手段，这也是浮选理论研究成为选煤基础理论研究主攻方向的原因之一。

(2)煤炭企业作为选煤生产的组织者，仍将继续关注现行工艺装备在生产过程中存在问题的解决。

(3)国有研究院所的企业化已使其逐渐从应用基础研究转移到先进技术和装备的研发中[3]，以获得更多的经费资助和经济效益。长期的研发经验和人才积累使此类企业(包括不少由此分化出来的民营企业)成为目前引导创新潮流的生力军，但大投入的应用基础研究明显较弱。

无论如何，选煤生产对技术的巨大需求，必将促使煤炭相关高等院校、科研单位、装备研发企业和各大煤炭集团不断完善煤炭科技创新体系，搭建产学研用联合创新平台，从而发挥各自优势，促进选煤理论与技术水平的进步，提升我国煤炭行业整体科技水平和核心竞争力。

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