吉郎德露天礦超低灰“硅煤”分選工藝研究

陳警衛(wèi)

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

吉郎德露天煤礦位于新疆哈密市巴里坤縣大紅柳峽鄉(xiāng)，建設(shè)規(guī)模為3.0Mt/a，2017年12月配套建成地面生產(chǎn)系統(tǒng)，其主要包括原煤倉、一級(jí)篩分車間、二級(jí)篩分車間、塊煤儲(chǔ)煤場、末煤儲(chǔ)煤場及相關(guān)棧橋，可實(shí)現(xiàn)原煤的破碎、篩分，生產(chǎn)80～40mm大塊煤、40～25mm中塊煤、25～15mm小塊煤、-15mm末煤，建設(shè)初期由于升坑原煤灰分已達(dá)到超低灰(4%左右)，因此，未配套洗選系統(tǒng)[1，2]。

2018年在烏魯木齊進(jìn)行煤炭市場調(diào)研時(shí)，發(fā)現(xiàn)新疆單晶硅生產(chǎn)企業(yè)將灰分小于2%、粒度為15～5mm超低灰動(dòng)力煤用作還原劑，且需求量較大，其市場價(jià)格高出動(dòng)力煤1倍多。吉郎德煤礦原煤灰分在4%左右，具備生產(chǎn)灰分小于2%特低灰煤的優(yōu)勢，市場前景較好，隨即啟動(dòng)研究吉郎德15～5mm特低灰動(dòng)力煤分選工藝的工作。

1 煤質(zhì)特征及可選性

1.1 煤質(zhì)特征

吉郎德露天煤礦井田面積14.89hm2，露天可采儲(chǔ)量1.48億t，設(shè)計(jì)規(guī)模3.00Mt/a，可采煤層8層，平均可采煤層總厚39.21m，原煤主要為41號(hào)長焰煤，水分(Mad)為3.17%，灰分(Ad)為3%～4%，硫分(St，d)為0.36%，發(fā)熱量(Qnet，ad)為28.16～32.32MJ/kg，揮發(fā)分41.02%，焦油產(chǎn)率9.97%，灰融性(ST)1250℃。煤質(zhì)具有特低灰、特低硫、特低磷、高～特高熱值、富油煤、中等結(jié)渣性、高熱穩(wěn)定性、化學(xué)活性強(qiáng)、半焦產(chǎn)率高等特點(diǎn)，是優(yōu)良的動(dòng)力用煤，可作為煤化工用煤和煉油用煤[1，2]。

1.2 原煤篩分特性

原煤自然級(jí)篩分試驗(yàn)見表1。由表1可知：①原煤中+50mm級(jí)含量較大，占全樣的57.33%；②+13mm塊煤含量大，占全樣的82.13%，且灰分低；③-0.5mm原生煤泥含量為2.38%，灰分6.53%，高于原煤灰分，說明矸石易碎。

1.3 15～5mm原煤浮沉資料分析

15～5mm浮沉資料見表2，由表2可知：①主導(dǎo)密度級(jí)為-1.30kg/L，占本級(jí)的65.50%，灰分為1.02%；次主導(dǎo)密度級(jí)為1.30～1.40kg/L，占本級(jí)的29.81%，灰分為1.33%，說明可以選出大量超低灰精煤；②15～5mm入洗煤中1.40～1.80kg/L密度級(jí)含量占本級(jí)的0.06%，含量非常少，說明原煤的可選性非常好。15～5mm入洗煤可選性曲線如圖1所示。

表1 原煤自然級(jí)篩分試驗(yàn)

表2 15～5mm粒級(jí)浮沉試驗(yàn)綜合

圖1 15～5mm粒級(jí)入洗原煤可選性曲線

由圖1可知：①原煤中基元灰分曲線(λ)急劇下降后，趨向平緩，表明煤中低灰分與高灰分煤能較好的分離；②當(dāng)分選密度為1.40～1.70g/cm3時(shí)，可選性為易選，當(dāng)分選密度為1.80g/cm3時(shí)，可選性為中等可選，當(dāng)分選密度為1.90g/cm3時(shí)，可選性為難選，當(dāng)分選密度為2.0g/cm3時(shí)，可選性為極難選。

2 選煤方法論證

2.1 選煤方法

結(jié)合吉郎德原煤特性及用戶對(duì)產(chǎn)品要求，當(dāng)要求精煤灰分≤2%時(shí)，為了獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，必須采用分選密度大于2.0g/cm3的高密度分選。為此，設(shè)計(jì)對(duì)15～5mm原煤的分選工藝選擇能夠到達(dá)分選密度大于2.0g/cm3的無壓三產(chǎn)品重介旋流器分選、跳汰選、風(fēng)選三種選煤方法進(jìn)行比選[3-6]。

2.1.1 產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量對(duì)比

三產(chǎn)品重介旋流器、跳汰、風(fēng)選三種分選工藝產(chǎn)品平衡對(duì)比見表3(平衡表包括篩分和分選)，由表3數(shù)據(jù)可知，采用重介旋流器工藝時(shí)洗精煤產(chǎn)率36.00%最高，跳汰工藝精煤產(chǎn)率35.84%次之，風(fēng)選工藝精煤產(chǎn)率30.84%最低[7-10]。

表3 三種分選工藝產(chǎn)品平衡表對(duì)比 %

2.1.2 投資對(duì)比

三種分選工藝系統(tǒng)投資對(duì)比見表4。通過表4可知，采用重介工藝時(shí)投資3253.52萬元最高，跳汰工藝3171.95萬元次之，風(fēng)選工藝系統(tǒng)投資946.92萬元最低[7-9]。

表4 分選工藝系統(tǒng)投資對(duì)比 萬元

2.1.3 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

三種分選工藝經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見表5。重介工藝每年可增加收入7326.6萬元，跳汰工藝每年可增加收入7680.9萬元，風(fēng)選工藝分選時(shí)每年可增加收入5603.8萬元[4，5]。通過對(duì)三產(chǎn)品重介旋流器、跳汰、風(fēng)選三種選煤方法從產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量、投資及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比分析可知，跳汰分選完全可以滿足用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求，且該工藝系統(tǒng)投資相對(duì)較低，精煤產(chǎn)率相對(duì)較高，通過設(shè)計(jì)模擬計(jì)算，初步認(rèn)為5～15mm分選采用跳汰分選工藝比較合適。為了使選擇的工藝更加可靠，進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)研和試驗(yàn)。

表5 三種分選工藝經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

2.2 產(chǎn)品調(diào)研及風(fēng)選試驗(yàn)

為了驗(yàn)證推薦跳汰分選選煤工藝的合理性，設(shè)計(jì)對(duì)巴里坤縣哈密宏鑫佳源能源有限公司選煤廠和新疆東方希望有色金屬有限公司了進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，同時(shí)對(duì)15～5mm進(jìn)行干法分選試驗(yàn)。

1)宏鑫佳源能源有限公司選煤廠對(duì)吉朗德露天礦篩選的15～5mm洗選加工，采用跳汰分選工藝；產(chǎn)品煤(硅煤)在露天堆場晾曬“瀝水”，不采用離心機(jī)脫水，避免產(chǎn)生過多的限下物影響合格硅煤質(zhì)量。

2)硅煤用戶調(diào)研結(jié)果表明：①產(chǎn)品灰分2%以內(nèi)；②產(chǎn)品粒度5～15mm(用戶稱為籽煤)，小于5mm的限下率不超過8%，大于15mm的超限率不超過10%；③精煤產(chǎn)品中鐵元素含量小于0.15%，越低越好；④吉郎德煤粉含鐵量比籽煤含鐵量高，顆粒越大含鐵量越低，如果不采用水洗方法，籽煤表面粘的煤粉含鐵量將影響硅煤品質(zhì)，而且煤質(zhì)波動(dòng)不可控，這些因素都將影響單晶硅品質(zhì)；⑤吉郎德周邊硅煤產(chǎn)品的年需求量約為100萬t。

3)風(fēng)選試驗(yàn)表明：要想使得風(fēng)選的精煤產(chǎn)品灰分小于1.8%，須采用兩段分選，且風(fēng)選不能完全將籽煤表面粘的煤粉除掉，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

綜上，吉朗德選煤廠采用跳汰選煤工藝，主要因素為：①跳汰可以實(shí)現(xiàn)密度大于2.0g/cm3高密度分選，且精煤灰分能保證≤1.8%；②重介旋流器分選，脫介效率會(huì)影響硅煤的鐵含量，不能保證分選密度>2.0g/cm3、產(chǎn)品煤鐵含量低于0.15%；③風(fēng)選產(chǎn)品煤表面粘附煤粉，不能保證煤鐵含量低于0.15%。基于上述因素，最終確定選用跳汰分選工藝。

2.3 工藝流程

2.3.1 洗選規(guī)模的確定

根據(jù)對(duì)吉郎德礦煤質(zhì)分析可知，該礦產(chǎn)品煤作為硅煤銷售至高端用戶，用戶的要求灰分Ad≤1.80%，粒度為15～5mm，煤質(zhì)穩(wěn)定，因此將入洗粒級(jí)定為15～5mm，滿足用戶需求。

結(jié)合現(xiàn)有篩分系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)際，原煤中15～5mm產(chǎn)率為13%，按照3.00Mt/a的規(guī)模，15～5mm粒級(jí)為每年39萬t，與1.20Mt/a的洗選系統(tǒng)不匹配，此時(shí)應(yīng)將二級(jí)篩分車間25～15mm粒級(jí)破碎至-15mm，15～5mm粒級(jí)數(shù)量每年可增加50萬t，當(dāng)5mm篩分效率為90% 時(shí)，每年有11.51萬t -5mm粒級(jí)末煤進(jìn)入分選系統(tǒng)，此時(shí)洗選系統(tǒng)入洗量為每年101萬t，結(jié)合市場用量調(diào)查，最終確定洗選系統(tǒng)規(guī)模為1.20Mt/a。當(dāng)原煤粒度組成發(fā)生變化，為保證入洗量，設(shè)計(jì)留出將一級(jí)篩分車間原煤分級(jí)篩25mm篩板去掉，將40～15mm粒級(jí)產(chǎn)品破碎至15mm以下進(jìn)行篩分，保證15～5mm粒級(jí)的入洗量。

2.3.2 工藝流程

根據(jù)推薦的跳汰選煤方法，露天礦一破的破碎粒度為80mm，分出80～40mm塊煤銷售，40mm以下二次破碎到15mm以下，進(jìn)行5mm深度篩分，15～5mm原煤采用跳汰分選，0.5～0.25mm粗煤泥采用“分級(jí)旋流器+直線振動(dòng)篩”回收，-0.25mm細(xì)煤泥采用壓濾機(jī)回收。工藝系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 原則工藝流程

3 設(shè)備選型及工藝布置

3.1 主要設(shè)備選型

主要設(shè)備選型表見表6。

3.2 工藝布置

跳汰機(jī)前設(shè)置5mm原煤脫粉篩，既能保持跳汰機(jī)入料穩(wěn)定，又能脫除入料中-5mm部分，控制硅煤產(chǎn)品限下率。5mm原煤脫粉篩篩下物料通過轉(zhuǎn)載進(jìn)入粉煤儲(chǔ)存場，篩上15～5mm物料進(jìn)入跳汰分選機(jī)，洗選精煤進(jìn)入雙層直線脫水分級(jí)篩，篩孔為1mm和5mm，篩下水進(jìn)入煤泥水桶，15～5mm硅煤產(chǎn)品運(yùn)至硅煤儲(chǔ)煤場儲(chǔ)存。5～1mm精煤進(jìn)入精煤離心機(jī)進(jìn)一步脫水進(jìn)入粉煤儲(chǔ)煤場。跳汰機(jī)重產(chǎn)物經(jīng)斗式提升機(jī)提升，經(jīng)過直線振動(dòng)篩脫水后作為混煤產(chǎn)品[11-15]。

精煤脫水篩篩下水以及離心機(jī)離心液進(jìn)入煤泥桶中，通過煤泥水泵打入分級(jí)旋流器。分級(jí)后底流通過直線振動(dòng)篩脫水作為混煤。旋流器溢流進(jìn)入深錐濃縮機(jī)，濃縮機(jī)溢流返回循環(huán)水系統(tǒng)復(fù)用，濃縮機(jī)底流壓濾回收。

表6 主要設(shè)備選型表

3.3 工藝布置特點(diǎn)

吉郎德選煤廠本次增加15～5mm洗選工藝布置主要有以下特點(diǎn)：

1)當(dāng)原煤煤質(zhì)情況變化時(shí)，預(yù)留了25～15mm或40～15mm破碎至-15mm的可能性，增加系統(tǒng)靈活性，保證硅煤的正常生產(chǎn)產(chǎn)量。

2)15～5mm原煤進(jìn)入跳汰機(jī)分選前，首先經(jīng)5mm原煤脫粉篩篩分，既保持跳汰機(jī)入料穩(wěn)定，又控制硅煤產(chǎn)品限下率。

3)精煤脫水篩選用雙層直線脫水分級(jí)，上層篩孔為5mm再次嚴(yán)格控制硅煤產(chǎn)品限下率。

4)5～15mm精煤脫水僅采用直線篩，未采用離心機(jī)，避免精煤產(chǎn)品二次破碎。

4 結(jié) 語

吉郎德選煤廠于2020年10月投產(chǎn)，生產(chǎn)期間各系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，選煤廠達(dá)到了設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，2021年選煤廠入選15～5mm原煤120萬t，洗選精煤105萬t，精煤灰分Ad<2%，小于5mm 的限下率<5%，大于15mm的超限率<10%；產(chǎn)品中鐵元素含量小于0.15%，精煤產(chǎn)品質(zhì)量滿足用戶需求。吉郎德選煤廠設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了本煤礦原煤特低灰優(yōu)勢，為國內(nèi)單晶硅制造行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)還原劑(特低灰動(dòng)力煤)，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，降低了單晶硅的生產(chǎn)成本。