刘炯天院士眼中的选煤
编者按：本文藉由刘炯天先生20年来五篇具代表性文章入手，带领读者走进院士眼中的选煤天地……
刘炯天，1963年1月生，河南南阳人，工学博士、教授、博士生导师、中国工程院院士。
1979年9月至1983年7月，就读于东北工学院选矿工程专业，获学士学位。1983年8月至2007年7月，在中国矿业大学工作，历任选矿教研室主任、能源化工系副主任、化工学院院长，期间在职获得工学硕士、博士学位。2007年7月至2013年5月，任中国矿业大学副校长。2012年1月至今，兼任国家煤加工与洁净化工程技术研究中心主任。2013年5月任郑州大学校长。
主要研究领域为矿物加工工程，长期从事分离过程强化与微细粒矿物分选、矿山废水净化与循环、低品质矿产资源开发方面的理论研究与工程实践。先后主持国家“973计划”、“863计划”、国家科技支撑计划、国家杰出青年科学基金等国家级项目20余项，获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖3项，发表研究论文近200篇，授权发明专利31件，出版著作与教材5部。先后荣获全国五一劳动奖章、何梁何利基金科学与技术进步奖、孙越崎科技教育基金能源大奖、第七届光华工程科技奖、新世纪百千万人才工程国家级人选、全国模范教师、全国优秀科技工作者、中国青年科技奖、国家级教学团队带头人等荣誉称号与学术奖励。
兼任科技部资源领域技术预测及“十三五”规划专家召集人、第七届国务院化学工程与技术学科评议组召集人、中国工程院第六届主席团成员、中国科学技术协会第八届全国委员会委员、河南省科学技术协会副主席等职务。
1、《低品质煤大规模提质利用的基础研究》，科技创新导报，2016，13(6):173-173.
低品质煤是指矿物、硫、水等杂质含量高的煤炭或煤炭分选产品，无论它是什么样的煤阶与煤种，都由于高含杂而利用效率极低甚至无法利用。煤炭是我国的主体能源，约占一次能源消费量的70%，然而我国煤炭资源禀赋条件差，低品质煤资源约占煤炭资源总量的40%。因此，这部分资源的大规模提质利用对于实现我国以煤为主的能源持续供给，保障经济快速持续发展具有重大战略意义。低品质煤提质是指利用物理和化学方法脱除其中矿物、硫和水等杂质，使之成为可有效利用的燃料或高品质原料。但是，由于对低品质煤中矿物、硫、水等杂质的赋存状态、复杂的体相结构和界面环境认识不够，对低品质煤提质利用的多相多尺度动力学机制与工程基础研究不足，严重制约了我国低品质煤资源的大规模开发。该报告围绕以下3个科学问题开展研究：
该研究主要开展了以下工作：(1)完成了我国典型低品质煤的基本指标分析，初步查明典型低品质煤中主要成灰矿物、硫和水的赋存特征；初步阐明表面含氧官能团和孔隙结构。(2)建立了热压揭煤脱水系统平台、热水提质揭煤装置，CO2超临界萃取仪，建立了热烟气（氮气）干燥褐煤的实验装置。(3)建立了电磁特性分析测试平台；通过全组分分离、索式萃取分离等分析方法和手段认知了炼焦煤表面结构及有机硫的分布特征；利用电磁特性测试系统获取了新峪炼焦煤样在不同频率下的复介电常数；初步认知微波脱硫的最佳频段。
2、《关于我国煤炭能源低碳发展的思考》，中国矿业大学学报(社会科学版)，2011，13(1):5-12.
（1）实现以煤炭分选为主体的煤炭整体提质
我国终端能源消费中直燃原煤比例过大是造成煤炭浪费及污染严重的主要原因之一，因此，提高商品煤产品质量，是对煤炭污染实行全程控制的关键，也是从源头减少燃煤污染的有效措施。我国煤炭质量问题突出，煤炭灰分、硫分含量高，有约占煤炭资源总量的40%低品质煤，因高含灰、高含硫、高含水，是造成煤炭利用能效低、污染严重的直接原因，因此低品质煤提质是实现节能减排的重要手段。
煤炭分选加工是洁净煤源头，也是世界公认的一项最经济有效的清洁煤炭生产过程。可以有效减少原煤中的含灰量和含硫量，可除去煤中60%以上的灰分和50-70%的黄铁矿硫。可实现燃烧前的脱硫除灰，入选1亿吨原煤可减少SO2排放量100-150万吨，成本仅为烟气洗涤脱硫的1/10。同时，运输费用已经占到终端用户煤炭价格的55-60%，每分选1亿吨煤，可平均排除1500-2000万吨矸石，可以减少大量无效运输，大大降低运输费用，同时对综合利用煤矸石创造条件，还可降低二次污染等。煤炭分选加工还可提高煤炭后续利用效率。据冶金行业统计，炼焦煤灰分每降低1个百分点，焦炭灰分可降低1.33个百分点，生铁产量可提高3个百分点;焦炭硫份降低0.1个百分点，生铁产量可提高2个百分点。发电用煤灰分每降低1%，每度电的标准耗煤减少2-5g，全国每年可减少CO2的排放量约1500-3750万吨，可有效提高燃煤发电效率，减少排灰量和环境污染。
煤炭分选加工能够实现煤岩分离和煤基材料的制备。煤中过量灰分引起气缸结渣，制约着代油水煤浆的发展；以活性炭为代表的煤基材料，更对原料煤中的灰分杂质有着严格的要求。近年来，环境问题越来越受到世界的广泛关注，活性炭的需求量也急速增加，以生物质和石油为原料生产碳材料的昂贵费用，为高档煤基材料发展带来了前所未有的契机。受洗选精度限制，常规洗选方法无法提纯出更高纯度的超纯煤，通过煤炭超纯制备工艺与设备研究，采用了梯级精选分布脱灰新工艺，并在终端分选环节采用等密度精选工艺，以实现临近密度物料分离。目前已形成的超纯煤下游产品主要有：高级铸造焦、高档活性炭、阴极炭块和电极弧、高品质增碳剂、精细水煤浆、人造石墨、碳化硅等，在国民经济多个行业领域得到了广泛的应用。
通过煤炭分选，还能够提高煤炭产品附加值。煤系共伴生矿物资源主要有高岭岩、膨润土、硅藻土、铝土矿和粉煤灰等。煤系共伴生矿物资源综合利用可形成“资源—产品—废弃物—再生资源”反馈式循环经济发展模式，实现“首—末端全过程治理”，已成为构建矿区循环经济园区重要组成部分。
2009年，我国原煤入洗率为43%，动力煤入洗率为20%，分别比美国、南非、俄罗斯等煤炭行业发达的国家低12和20个百分点。如果将动力煤入洗率提高到40%，每年将节约3400万吨标煤，节约运输耗煤近1000万吨。原煤提质的最有效途径就是要加大原煤洗选的比例，减少灰分、硫分等。目前我国铁路运输平均运距为600公里，每入洗1亿吨原煤，可节省运力96亿吨公里。通过煤炭分选加工将煤炭中的杂质除掉并且生产出质量均匀、用途不同的各种产品，达到煤炭高效、洁净、经济利用的目的，是节能减排、保护环境的重大技术举措，对于建设资源节约、环境友好型社会将起到重要作用。
（2）切实解决低品质煤利用
低品质煤是指高含灰、高含硫、高含水（褐煤）的煤炭或煤炭产品，由于品质差而难利用或无法利用。我国煤炭质量总体较差，低品质煤资源约占煤炭资源总量的40%。高含灰、高含硫、高含水是造成煤炭利用能效低、污染严重的直接原因，低品质煤提质是实现节能减排的重要手段。
目前，我国已少量开发的褐煤90%以上用于燃烧发电，但高含水使得褐煤的发热量低，再加上燃烧过程消耗和带走的热量，褐煤利用效率极低，经济效益也难以保障。煤的内在水分通常不能在洗选过程中改变，但表面水分大部分可以脱除。煤炭过高的表面水分不仅影响其使用价值，而且会给电厂的安全运行造成威胁。电厂对表面水分过高的煤炭产品是难以接受的。因此，褐煤脱水提质是褐煤利用的前提条件。
据统计，我国SO2年排放量高居世界首位，酸雨已覆盖国土面积40%左右。2010年第1季度，SO2自2007年以来第一次出现了不降反升的局面，其中燃煤造成的SO2排放量占总排放量的85%。电厂宜使用硫分不大于1%的低硫煤。硫分1%～3%的中硫煤，通常应洗选降硫（如果硫分构成以黄铁矿硫为主，洗选可有效排硫），力求产品全硫分不超过1%。硫分大于3%的高硫煤，需采用高效选硫工艺，以求最大限度排硫。通过洗选过程除硫，其费用要比电厂采取固硫、脱硫措施少得多。为达到环保要求，燃煤电厂都增设脱硫装置，对于高硫煤从源头上进行脱硫最为合理。但从整体上讲，还没有解决高硫煤的开发与利用问题。此外，大量炼焦煤资源由于硫分高，成为一种呆滞的资源。然而，高硫煤仍是我国重要的煤炭资源，降低含硫量对于开发利用高硫煤和控制SO2的污染具有现实意义。
随着煤炭的大规模开采，原煤灰分越来越高，相当一部分矿井达到30-40%。随着灰分的增高，锅炉热效率降低，特别是当灰分超过40%时，热效率与灰分将以反比线性关系急剧下降。据粗略统计，我国电煤的分选每年可节约2000-3000万吨商品煤，减少CO2排放约5000万吨，减少SO2排放约520万吨左右。对于焦炭生产来说，若炼焦煤灰分降低1%，焦炭灰分可降低1.33%，生铁产量可提高3%。
煤炭是我国的主体能源，我国也是世界上少有的以煤炭为主要能源的国家，但我国用12%的煤炭储量来支撑占世界40%的煤炭产量，来支撑经济的快速发展。因此，低品质煤资源的开发利用具有重大的战略意义。
3、《浮选柱技术的研究现状及发展趋势》，选煤技术，2006(5):25-29.
简要论述了国内外浮选柱技术的研究现状及发展趋势，指出浮选柱技术是进行微细物料分选的先进技术，主要表现为：①柱分选技术成为研究重点；②柱分选设备的研制成绩显著；③柱分选工艺取得重大突破；④浮选柱自动控制迈上新台阶；⑤柱分选技术应用领域不断拓展。
4、《中小选煤厂煤泥分选与回收工艺系统分析》，煤炭科学技术，2000，28(11):41-43.
(1)在目前精煤质量要求不断提高，总精煤产率严重下降的前提下，煤泥分选是降低选煤生产成本提高盈利的有效途径。(2)通过简化分选工艺，降低生产成本，使得煤泥浮选在中小选煤厂的应用成为可能。(3)浮选柱-压滤机工艺采用了目前最先进的煤泥分选技术，其成套工艺系统既保证了高质量精煤，又实现了低成本生产。(4)根据不同的规模与现场条件，可建立不同的简洁煤泥分选系统。切实贯彻煤泥水闭路循环标准，杜绝煤泥流失和环境污染。
5、《煤泥回收流程的分析与探讨》，选煤技术，1994(4):16-19.
低品质煤是指矿物、硫、水等杂质含量高的煤炭或煤炭分选产品，无论它是什么样的煤阶与煤种，都由于高含杂而利用效率极低甚至无法利用。煤炭是我国的主体能源，约占一次能源消费量的70%，然而我国煤炭资源禀赋条件差，低品质煤资源约占煤炭资源总量的40%。因此，这部分资源的大规模提质利用对于实现我国以煤为主的能源持续供给，保障经济快速持续发展具有重大战略意义。低品质煤提质是指利用物理和化学方法脱除其中矿物、硫和水等杂质，使之成为可有效利用的燃料或高品质原料。但是，由于对低品质煤中矿物、硫、水等杂质的赋存状态、复杂的体相结构和界面环境认识不够，对低品质煤提质利用的多相多尺度动力学机制与工程基础研究不足，严重制约了我国低品质煤资源的大规模开发。该报告围绕以下3个科学问题开展研究：
该研究主要开展了以下工作：(1)完成了我国典型低品质煤的基本指标分析，初步查明典型低品质煤中主要成灰矿物、硫和水的赋存特征；初步阐明表面含氧官能团和孔隙结构。(2)建立了热压揭煤脱水系统平台、热水提质揭煤装置，CO2超临界萃取仪，建立了热烟气（氮气）干燥褐煤的实验装置。(3)建立了电磁特性分析测试平台；通过全组分分离、索式萃取分离等分析方法和手段认知了炼焦煤表面结构及有机硫的分布特征；利用电磁特性测试系统获取了新峪炼焦煤样在不同频率下的复介电常数；初步认知微波脱硫的最佳频段。
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