2024-10-10
分析了现阶段选煤厂智能化建设中存在的主要问题，包括提质增效目标不明确、干法智能分选工艺重视不够、管理决策处于初级阶段和选煤智能化建设标准严重匮乏等方面，提出了需要重点突破干法智能分选、全局协同优化、选煤流程数字孪生、选煤智能管理与决策等关键技术，制定并构建科学完善的选煤智能化标准体系，在新质生产力助推下，选煤厂智能化建设必将迈入新阶段，建成具有显著提质增效的高级智能化选煤厂，实现真正意义上的数字化转型和高质量发展。文章来源：《智能矿山》2024年第9期“选煤厂智能化建设探索与实践”专题
作者简介：高建川，博士，正高级工程师，山西焦煤洗选管理中心一级专家，中国煤炭加工利用协会副理事长，山西省煤炭加工利用学会理事长、国家能源局、国家矿山安全监察局首批煤矿智能化专家。E-mail：gaojianchuan@163.com引用格式：高建川，王然风.选煤厂智能化建设的挑战与思考[J].智能矿山，2024，5（9）：26-32.点击文末左下角“阅读原文”，免费下载阅读pdf全文关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展
煤矿智能化建设是煤炭行业数字化转型和高质量发展的重要抓手，2021 年国家能源局在 《国家能源局智能煤矿建设指南 2021 版》 中将煤矿智能化建设分为 3 个板块，选煤厂智能化建设是重要组成部分。2023 年年底，国家能源局评定了 71 家智能示范煤矿，其中 36 家选煤厂通过了智能化建设验收，29家评定为中级智能化选煤厂，7 家评级为初级智能选煤厂。继 《智能化选煤厂建设通用技术规范》 团体标准颁布后，2023 年 9 月，中国煤炭加工利用协会再次颁布 《智能化选煤厂分级评价规范》 团体标准。上述政策、标准和示范煤矿建设评定，为选煤厂智能化建设指明了方向，也提供了可供借鉴的依据与参考。围绕智能化选煤厂建设，太原理工大学、中国矿业大学、中煤科工唐山研究院、中煤天津设计工程有限责任公司、天津德通电气有限公司、天津美腾、山西智卓电气有限公司、英飞智信、泰戈特、业恒达、平顶山中选自控等一大批高校和智能化服务公司开展了卓有成效的研究与开发工作。围绕基础平台建设、基础自动化、分选过程智能控制、选煤智能化综合管控与决策、采制样智能化、煤质在线检测仪表，及整体实施均提出了切实可行的解决方案，并在各种类型的选煤厂进行了较为成功的应用，同时针对目前一些“卡脖子”技术难题持续攻关。代表性的应用场景包括曹家滩、小保当、大海则、巴拉素、潘集等选煤厂。
截止目前，全国各大煤炭洗选企业都在积极探索选煤厂智能化建设，国家能源局公示的选煤厂智能化示范建设也取得较大进展，36 家智能化选煤厂中 30 家达到中级智能化水平，6 家达到初级智能化水平，智能化示范选煤厂为我国其他煤炭洗选企业智能化建设提供了有益借鉴。对照智能化选煤厂建设提质增效的目标，统筹考虑新质生产力的飞速发展，目前智能化选煤厂建设仍然存在不少问题与挑战，分述如下：2.1 缺少深入思考煤质和选煤工艺适应性，导致智能化建设实现提质增效的目标大打折扣，甚至无法实现智能化选煤厂建设为系统工程，体现在信息基础设施、基础自动化、智能过程控制和智能管理决策 4 个模块上，深层次更应首先考虑选煤的煤质与现行工艺适应性。国家能源局提出的 《国家能源局智能煤矿建设指南 2021 版》 未提及选煤厂煤质和现行工艺的适应性问题。事实上，从选煤行业角度出发，煤质和工艺的适配性是选煤生产的根本性问题，诸如多煤源洗选、原煤均质化、重介分选工艺适应性 （主再洗、三产品重介、脱泥不脱泥等）、浮选工艺优化 （转变单一浮选为串联浮选、药剂选择、高效浮选装备等）、煤泥水药剂适应性等问题，此类问题智能化实施前已制约选煤高效生产，若不能根本性解决，将严重影响后续智能化建设效果。2.2 干法选煤技术、工艺与装备如何为智能化建设增光添彩近年来， 煤炭干选技术通过创新和技术进步，干选设备在国内选煤厂及煤矿得到系列应用。面对“双碳”新形势和智能化持续推进，干法选煤理应成为智能化建设中重要选择，干法分选工艺简单、设备少、工艺流程短，基建投资、建设周期、运行成本都很低，占地少、管理方便、耗能低、不产生煤泥也是其有别于湿法选煤的优势。但把干选作为智能化建设的必要选项，目前尚未达成共识。动力煤选煤厂和炼焦煤选煤厂各自的产品定位不同，工艺差别大，在此条件下，将干法选煤技术、工艺与装备应用于现有选煤厂及新建选煤厂，是选煤厂智能化建设需要解决的重大选煤课题。2.3 数字孪生与全流程协同优化控制处于初级阶段，无法发挥全部优势按照国家能源局 《国家能源局智能煤矿建设指南 2021 版》 中选煤厂智能化建设要求，3D 可视化系统要求为：以三维立体形式显示选煤厂内的场景结构、设备布局，并设置完善的视频感知、安全监测系统，对入选原煤杂物、人员不安全行为、设备运行危险状态等进行监测，并实现智能预测、预警。本部分要求没有关注选煤是典型的流程工业，流程工业数字孪生很重要的部分是基于煤质变化和工况变化条件的选煤生产数质量平衡的动态变化，以及以此引入的对工艺、设备、控制和决策带来的新挑战，因此现有数字孪生无法发挥出其全部优势。此外由于现有验收标准，单独列出分选环节，导致目前智能化建设均按单元分选环节智能化进行建设和验收，同样忽视了选煤生产的流程工业特点，以此为契机的全分选过程协同优化尚未开展建设。因此，上述两个建设项目本身制定的验收标准低，导致了建设水平无法达到，而提质增效、智能决策和柔性生产乃至数字化转型，均需要上述技术的强力支撑。2.4 智能管理与决策在现有智能化选煤厂建设中，处于有形式无实质性内容的尴尬境地智能管理与决策既是智能化建设的重要内容，也是智能化建设的重要体现，目前从现场验收情况看，包括取得中级智能化选煤厂，智能管理和决策处于建设的低级阶段，仅实现了选煤生产数据的采集、可视化展示及简单统计分析，与具有实操性的管理重构、基于大数据和人工智能的量化智能决策，还有太大差距，也是现有选煤厂智能化建设的短板。2.5 选煤智能化建设标准建设势在必行，选煤标准缺失导致现阶段建设无所适从目前智能化建设方案资金投入差异很大，从一两千万到一两个亿都有，导致很多选煤厂对于智能化建设投入很茫然，设计院存在直接采用智能化业务厂家提供的方案，此类方案参差不齐，价格差异大，技术路线各异，给选煤厂智能化建设带来较大困惑，根本原因是选煤厂智能化建设缺乏标准，功能定义没有标准化，智能化建设效果无法保证。随着选煤厂智能化的大批建设项目启动，迫切需要制定选煤智能化建设的系列标准，为智能化建设保驾护航。继 《智能化选煤厂建设通用技术规范》团体标准颁布，2023 年 9 月，中国煤炭加工利用协会再次颁布 《智能化选煤厂分级评价规范》 团体标准，该标准提供了完整、系统的智能化选煤厂建设评价体系，但重点关注于湿法选煤工艺，对干选较少提及，还需进一步完善。
3.1 注重工艺诊断先行，煤质与工艺高效结合是智能化建设的前提条件，也是夯实智能化建设的关键技术环节
针对我国煤炭资源日益变差的苛刻条件，研究老旧厂智能化改造的煤质和工艺适配性技术是做好智能化建设的先决条件，也是保证智能化建设目标和成效的重要一环。工艺诊断应该成为选煤厂智能化建设的关键技术储备，同时也应在理念上予以引导，更好的发挥选煤工艺人员全员参与的积极性和热情，具体包括以下 4 方面：
（1） 煤质方面：重视煤种、粒度密度组成、可选性、配煤、均质化、产品结构与市场对煤质的匹配度要求等，为工艺诊断提供必要的煤质分析基础。
（2） 工艺方面：研究现行工艺对煤质变化、工况波动、市场需求存在的局限性，研究通过设备更新、工艺改造，提升煤质和市场的适应性，并预留较高的洗选回旋能力，提出适应于煤质的工艺调整和优化方案，为智能化建设提供必要的工艺改造配套。
（3） 技术检查方面：联合进行基础煤质检查、单机试验和关键工艺运行参数检查，量化工艺诊断，为工艺改造提供科学、详实和可靠的数据支撑，为智能化建设方案制定提供技术数据需求。（4） 现场操作调研方面：选煤厂运行细节，在于现场一线操作工人的具体操作，也是工艺诊断最有说服力的群体，要高度重视现场操作所反映出的细节与 “异常”，深入剖析操作背后的理论与技术，为智能化建设方案制定提供第一手素材。3.2 干选装备与工艺应成为智能化建设的必要组成部分近年来，煤炭干选技术在设备处理能力、分选精度、环保节能效果和智能化方面，均取得重要进展，复合式干法分选机、光电 （智能） 干选机、新一代干法重介质流化床分选机等系列干选设备，在国内选煤厂及煤矿获得大规模应用。国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会 2019 年发布了 GB 29446-2019 《选煤电力消耗限额》 国家标准。标准中规定了动力煤选煤厂电力消耗限额指标见表 1。现有的动力煤选煤企业电力单耗限定值应符合表 1 中的 3 级，新建或改扩建的动力煤选煤厂电力单耗准入值应符合表 1 中的 2 级。干选在缺水地区和电耗节能方面具有突出优势。（1） 动力煤分选方面：我国煤炭资源开发条件差，褐煤和低变质程度烟煤占 55%，由于其水洗困难，动力煤仍有 50% 以上未经任何洗选加工提质，原煤灰分高。由于电煤质量较差，煤炭利用效率低，发电及供热平均综合利用效率约为 40%，比发达国家低约 10%，因此实现动力煤高效分选，特别是推广动力煤干选工艺，对于煤炭洗选节能提效是实现碳达峰、碳中和的优先选项。（2） 炼焦煤方面：随着大规模综采技术推进，煤质变差正在成为常态，选前排矸成为工艺的必要选择，智能干选技术的演进，炼焦煤选前预排矸技术乃至深度预排矸，正成为智能化选煤厂建设亟需重视的环节。围绕深度预排矸，需解决其目标、排矸粒度选择、排矸采用地面还是井下，以及排矸预期效果等系列关键技术和核心命题，如图 1 所示。
图 1 干法分选的核心命题
深度预排矸应成为炼焦煤选煤厂下一步改造重点，因开采下层煤/下组煤，使用智能化、新型采煤工艺和设备等，亟需挖掘智能干选潜力，以应对原煤劣化的现状。同时为提升干选水平，需要依据不同原煤特性，研究和开发不同粒级智能干选设备优化组合新工艺，以实现降低排矸粒度下限，实行深度预排矸。深度预排矸可明显提高炼焦煤选煤厂各环节的分选 （离） 效率，进一步稳定产品质量，提高精煤产率。通过干法分选装备、工艺和技术革新，提高分选精度及降低入料粒度，上述技术的突破，煤炭分选更加清洁高效、节能降耗，符合双碳目标，同时也满足高级智能化的内在需求。随着选煤厂智能化建设推进，国内外在单个分选环节 （如重介、浮选、粗煤泥分选） 的智能控制方面，取得较多研究与工程实践，但全局协同优化目前少有涉足。单一分选环节存在诸多“卡脖子”难题，制约了全局协同优化的研究与大规模应用分选全过程协同优化面临的基本问题为炼焦煤选煤厂和动力煤选煤厂具备不同的目标优化函数，需不同优化技术支撑，此外面对国际大形势，需研究开发具有自主知识产权选煤生产控制与决策工业软件，以保障我国煤炭洗选产业的安全。围绕综合效益最大化，针对动力煤选煤厂和炼焦煤选煤厂各自不同产品定位，提供全过程协同优化的结构和框架如图 2 所示。
图 2 基于综合效益最大化的选煤厂全过程分选协同优化技术框架
上述技术的研发将进一步为选煤生产定制化，提供最适宜的辅助工具，并为智能决策、精细分选与效益最优奠定坚实的技术基础。
目前数字孪生技术主要针对设备应用，模型主要为几何三维模型，流程工业的特点是产品的形成是由多种设备配套连续工艺共同作用的结果，对于流程工业，数字孪生需要设备级，更需要工序级和全厂级。选煤属于典型的短流程行业，分选过程涉及重介、粗煤泥和浮选多个环节，重介分选、粗煤泥分选和浮选间存在耦合特性。目前单一分选环节智能控制很难保证分选过程的全局协同优化，进而最大程度提高精煤产率和经济效益的目标，选煤的核心是生产流程中的数质量平衡。现有选煤厂设计采用的静态数据，对煤质波动和工况波动适应性存在较大局限性，实际运行中，只能通过现场实际运行累积经验，指导生产。在煤质变化、工况波动与多分选环节组合条件下，无法实现全局优化。数字孪生技术可提供三维几何模型，也可提供反映选煤生产的数质量动态模型，且可实现数字选煤厂条件下的全局优化，动态迭代。数字孪生联合分选过程全局协同优化，为智能化选煤厂向更高级迈进提供重要技术支撑。数字孪生与全过程协同优的技术框架如图 3 所示。
图 3 流程性选煤生产数字孪生的架构
选煤生产过程数字孪生演进包括 4 个阶段：
（1） 由实向虚：建立数字化 （虚拟化） 选煤厂。（3） 虚实互映：物理选煤厂与数字选煤厂相互印证。（4） 由虚控实：实现数字选煤厂的数据使能，智能决策于物理选煤厂，最终实现选煤厂数字化转型的历史跨越。通过流程数字孪生技术，实现分选全过程耦合建模，基于虚实交互，实现煤质波动和工况变化场景并行，在线仿真与智能预测，实现分选全过程全局协同优化与智能决策，保障分选高效精准，同步为选煤柔性生产提供最佳决策与执行，助力选煤厂智能化建设向更高级阶段演进。3.5 集团级组织架构下选煤智能管理与决策功能的研发我国煤炭加工利用协会注册的选煤企业超过 1200 家，随着我国煤炭资源进一步整合，目前大部分煤炭洗选企业隶属大型煤企集团。该种组织架构下，充分发挥集团资金、管理优势，构建统一架构的煤炭洗选管理与决策支持中心势在必行，集团可统一部署、统一设计、统一标准，统一平台、确保打破集团内洗选生产的数据孤岛，实现数据互联互通和数据共享，各选煤厂通过煤炭洗选管理决策平台，研发适合于自身运行的选煤管理决策 APP，灵活部署，高效运用。有利于实现集团内洗选板块的专业化管理、精细化管理和精益管理，最终达到从管理要效益的目标，架构如图 4 和图 5 所示。
图 4 集团级三级管理与决策平台网络架构
图 5 集团级三级管理与决策工业 APP 管理模式
3.6 加快智能化选煤厂建设标准制定，保障智能化建设的质量与成效
为切实保障选煤厂智能化建设成效，国家能源局、中国煤炭工业协会、中国煤炭加工利用协会，正积极推进选煤厂智能化建设标准的建设。发布了2 项选煤智能化国家行业标准，支撑选煤厂智能化建设距离尚远。2023 年山西省为切实发挥好标准对煤矿智能化建设的支撑和引领作用，认真落实 《关于贯彻落实〈国家标准化发展纲要〉 的实施意见》，推动煤炭产业与数字技术一体化融合发展，制定了 《山西省煤矿智能化标准体系建设指南 （2023 版）》。 其中选煤厂智能化标准涉及共 59 项，如图 6 所示。就目前而言，选煤智能化标准已发布国家团体标准 2 项，地方标准 2 项，在研 2 项，另外 53 项待研制标准，可以看出，选煤厂智能化建设标准尚需加大制定力度。
图 6 选煤厂智能化标准体系图谱
2023 年 12 月全国能源工作会议部署了 2024 年能源重点任务：要更好地统筹高质量发展和高水平安全，加快建设新型能源体系，坚决守住能源安全底线，坚决推动能源清洁转型，扎实推进能源标准化工作，为高质量发展提供有力支撑保障。煤炭洗选企业要利用好政策的引领与支撑作用，加快选煤厂智能化相关建设标准的制定和落地，有力支撑选煤厂智能化向高级阶段发展。
选煤厂智能化建设在新质生产力助推下，一定会迎来更好的发展机遇，伴随着对选煤智能化认识的深化，围绕上述关键核心技术和“卡脖子”技术难题持续攻关，快速推进，预计在未来的 5～10 a，选煤厂围绕选煤工艺优化配置、核心分选智能控制、分选全流程协同优化与决策、虚实交互的数字孪生、集团级智能管理与决策、智能化选煤厂建设标准的细化和完善等方面，都将取得长足进步，选煤厂将向高级智能化迈进，必将为我国煤炭洗选企业数字化转型和高质量发展奠定坚实的基础。
责任编辑：宫在芹
