三錐角水介質(zhì)旋流器在化工用煤分選工藝中的應(yīng)用研究

馬佳偉，崔廣文，隋文浩

(山東科技大學(xué) 化工與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的升級，我國正在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)煤化工向現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化，尤其是煤直接液化技術(shù)、煤間接液化技術(shù)、煤制烯烴技術(shù)、煤制乙二醇技術(shù)、煤制天然氣技術(shù)和煤制芳烴等技術(shù)相繼獲得突破[1]，在推動國民經(jīng)濟(jì)增長的同時(shí)，大幅度提升了化工用煤的需求量。同時(shí)，由于我國焦煤和肥煤資源比例逐年下降，可用于鋼鐵企業(yè)的原煤越來越少，而且我國原煤可選性較差，中間密度物含量高，致使許多選煤廠將此類煉焦煤以中煤或洗混煤的形式作為動力煤燃用。因此，對中煤的解離破碎再選以提高洗選精煤產(chǎn)率，是我國煉焦煤選煤廠的迫切需求[2]。

三產(chǎn)品重介旋流器分選流程是目前選煤廠采用較多的重選流程，具有分選效率高、精煤產(chǎn)率大等優(yōu)點(diǎn)[3]。但由于重介旋流器直徑大、細(xì)粒煤與粗粒煤分選密度差異較大等因素影響，導(dǎo)致三產(chǎn)品重介旋流器分選的中煤灰分大約在30%～40%。而化工用煤的煤質(zhì)灰分要求小于20%，因此利用傳統(tǒng)重選方法分選的中煤質(zhì)量已無法有效適應(yīng)煤化工企業(yè)的用煤需求。另外我國正處于壓縮原煤產(chǎn)能的環(huán)境中，部分選煤廠原煤產(chǎn)量不足，單獨(dú)洗選加工生產(chǎn)化工用煤，勢必影響稀缺的焦化用煤需求量。因此有必要開發(fā)一種在線生產(chǎn)現(xiàn)代化工用煤的分選工藝。本文介紹的工藝就是在不影響煉焦煤正常生產(chǎn)條件下，將中煤破碎解離后進(jìn)入三錐角水介旋流器再次分選，生產(chǎn)出化工用煤和高灰中煤兩種產(chǎn)品。這不僅利于發(fā)展新型煤化工企業(yè)，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)升級，降低能耗和培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，而且對保護(hù)環(huán)境和提高煤炭綜合利用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 化工用煤的現(xiàn)狀

化工用煤是除了動力用煤和煉焦用煤之外選煤產(chǎn)品的第三個(gè)重要應(yīng)用方向，主要用于煤化工領(lǐng)域，包括高爐煉鐵、高爐噴吹、煤炭直接液化和煤炭間接液化，是以煤作為原料，生產(chǎn)固體產(chǎn)品、液體產(chǎn)品、氣體產(chǎn)品和其他化工產(chǎn)品。目前，我國化工用煤的產(chǎn)區(qū)主要分布在以產(chǎn)無煙煤為主的山西晉城和以產(chǎn)煙煤為主的陜西神木等地，其次還分布于山西陽泉、潞安，河南焦作、永城和寧夏汝箕溝等礦區(qū)；主要消費(fèi)地在山東和河南等地區(qū)，運(yùn)輸以鐵路和公路互補(bǔ)運(yùn)輸為主[5]。據(jù)《煤化工產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量控制及其政策研究執(zhí)行報(bào)告》稱[6]，隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)的突破，我國煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，已成為世界上現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)量最大的國家?；び妹旱南牧空w呈增長態(tài)勢，占總煤炭的比例和利用率不斷提高，預(yù)計(jì)到2020年，化工用煤將比2015增長20%左右。以下是預(yù)計(jì)后期化工用煤呈現(xiàn)的特征：

(1)煤炭主產(chǎn)地自產(chǎn)自轉(zhuǎn)化率提高，將導(dǎo)致內(nèi)陸化工用煤愈發(fā)緊張。

(2)煤炭主產(chǎn)地洗選設(shè)施建設(shè)滯后、工藝流程不當(dāng)和優(yōu)質(zhì)運(yùn)輸資源有限均影響化工用煤的生產(chǎn)量。

(3)化工用煤的原料煤種類單一是影響煤化工發(fā)展需求的主要因素。

(4)化工用煤的多元化也將利于控制原煤價(jià)格，對煤化工行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展起到重要作用。

2 三錐角旋流器應(yīng)用于某選煤廠的試驗(yàn)研究

2.1 中煤粒度組成實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)某選煤廠工藝流程的優(yōu)化，進(jìn)行中煤解離再選生產(chǎn)化工用煤的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)煤樣取自某選煤廠中煤脫介篩篩上物料。為了解該煤樣粒度組成，根據(jù)《煤炭篩分試驗(yàn)方法》對煤樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到其粒度組成見表1和表2。

表1 煤樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 煤樣中小于3 mm粒級篩分結(jié)果

從表1可以看出，煤樣各粒級分布較均勻，除13～25 mm粒級產(chǎn)率為26%以外，其余各粒級組成約為19%左右。另外，各粒級灰分也較接近，通過分級的方法很難從煤樣中分離出灰分為20%以下的化工用煤。

從表2可以看出，小于3 mm粒級中大于0.15 mm粒級的累計(jì)產(chǎn)率為86.56%，累計(jì)灰分為34.55%；小于0.15 mm粒級的物料僅占13.44%；極細(xì)粒級中小于0.074 mm粒級占比較少，僅為1.47%。細(xì)粒級灰分相對較高，符合中煤脫介篩上物料性質(zhì)。

2.2 煤樣密度組成分析

為了解煤樣密度組成情況，根據(jù)《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》對破碎前煤樣進(jìn)行各粒級浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 破碎前煤樣篩分浮沉試驗(yàn)綜合表

由表3可以看出，各粒級的密度組成變化較大，各粒級灰分隨密度的增大而增大，其中小于3 mm和3～6 mm粒級中灰分小于20%時(shí)，理論產(chǎn)率約占本級60%，而其他粒級灰分小于20%時(shí)，理論產(chǎn)率約占本級40%左右。從表3可以看出，解離前煤樣灰分小于20%時(shí)，理論產(chǎn)率為45%，而且該密度δ±0.1(臨近密度物)含量約為60%，根據(jù)《煤炭可選性評定方法》，此煤屬于難選煤[7]。

2.3 解離后小于3 mm煤樣性質(zhì)分析

將原樣中大于3 mm粒級煤樣破碎至小于3 mm后，與原樣中小于3 mm粒級混勻后進(jìn)行篩分和浮沉試驗(yàn)，結(jié)果分別見表4和表5。為了考查三錐角水介旋流器的分選效果，對破碎后大于0.2 mm粒級進(jìn)行浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

從表4可以看出，破碎后篩分的各粒級灰分相差不大，均為33%左右，可見通過篩分方法難以得到灰分20%以下的化工用煤產(chǎn)品。從表5可以看出，通過破碎解離可以得到低灰精煤(化工用煤)，其中20%以下灰分的煤約占本級60%。此時(shí)分選密度δ±0.1含量為45%，盡管也屬于極難選煤，但與解離前60%的含量相比還是易選些。

表4 破碎后煤樣小篩分試驗(yàn)結(jié)果

表5 破碎后小于3 mm粒級浮沉試驗(yàn)結(jié)果 %

表6 煤樣破碎后大于0.2 mm粒級小浮沉試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，當(dāng)灰分小于20%時(shí)，精煤主要集中在小于1.5 g/cm3的密度級中，此時(shí)理論產(chǎn)率占本級約為61%。若分選效率為70%，此時(shí)灰分小于20%的化工用煤產(chǎn)率占本級約為42.7%。

3 粗煤泥分選設(shè)備及工藝流程

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)選煤廠提供的煤樣及其解離后煤質(zhì)分析，本試驗(yàn)采用山東科技大學(xué)自主研發(fā)的三錐角水介旋流器進(jìn)行分選試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)見圖1。該旋流器是利用離心力場及重力場實(shí)現(xiàn)分選的設(shè)備，本身沒有運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單。該設(shè)備具有特殊的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用水作為分選介質(zhì)，有別于傳統(tǒng)的粗煤泥重介分選旋流器和分級旋流器，也叫自生介質(zhì)旋流器。該設(shè)備可對0.3～3 mm的粗煤泥按密度進(jìn)行有效分選，得到底流和溢流，對溢流進(jìn)行脫水、脫泥可以獲得合格的精煤產(chǎn)品(灰分小于6%～20%)。此外，該設(shè)備對入料粒度組成要求不嚴(yán)格，入料煤泥粒度可以是0～3 mm(直徑500 mm旋流器入料粒度上限可以達(dá)到6 mm)[8-9]。

該設(shè)備可以用于原煤分級入洗工藝中細(xì)粒煤部分的分選，也可以用于煤泥水系統(tǒng)中粗煤泥的分選回收。該設(shè)備可利用原有分級旋流器入料泵，使技術(shù)改造更加簡便，易于實(shí)現(xiàn)，在新建或老選煤廠煤泥水系統(tǒng)工藝改造中可以廣泛應(yīng)用。

圖1 三錐旋流器結(jié)構(gòu)示意

3.2 試驗(yàn)過程

針對選煤廠提供的粗煤泥，設(shè)計(jì)使用實(shí)驗(yàn)室直徑為100 mm的三錐角水介旋流器對該煤泥進(jìn)行如下分選試驗(yàn)：將粗煤泥煤樣配制到160 g/L濃度，設(shè)定好初始結(jié)構(gòu)參數(shù)；開動礦漿泵，調(diào)整旋流器入料壓力；物料循環(huán)5 min后，對溢流、底流、入料分別采樣；改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)，即錐體型號、溢流管直徑、溢流管插入深度等，重復(fù)上述試驗(yàn)?？紤]到目前選煤廠設(shè)備對細(xì)粒煤分級狀況，將獲得的樣品進(jìn)行濕式篩分，分出大于0.2 mm和小于0.2 mm粒級，分別測定灰分和質(zhì)量，再利用灰分平衡法計(jì)算精煤產(chǎn)率及綜合產(chǎn)率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)煤質(zhì)資料，應(yīng)用三錐角水介旋流器對該煤樣進(jìn)行了探索性分選試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中通過改變錐體型號、入料壓力、溢流管插入深度等參數(shù)，得到了大量的數(shù)據(jù)，從中選出分選效果最好的試驗(yàn)，結(jié)果列于表7。試驗(yàn)得知：不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)下的三錐角水介旋流器對該煤泥具有不同的分選效果，且三錐角水介旋流器對該煤樣具有較好的分選效果，可以得到不同要求的產(chǎn)品灰分。

表7 三錐角旋流器分選試驗(yàn)結(jié)果

注：大于0.20 mm粒級綜合產(chǎn)率為精煤占旋流器入料比率。

從表7看出，溢流中大于0.2 mm粒級灰分為19.06%，產(chǎn)率達(dá)到了37.20%，產(chǎn)率相對較高。此時(shí)，根據(jù)可選性曲線得知，大于0.2 mm粒級產(chǎn)品理論產(chǎn)率(占煤泥總樣)為45.01%，數(shù)量效率為82.65%?？梢源_定在此試驗(yàn)參數(shù)下，三錐角水介旋流器的分選效果最好，且分選效率較高，滿足了煤化工用煤要求。

3.4 生產(chǎn)化工用煤工藝流程設(shè)計(jì)

基于三錐角水介旋流器的特點(diǎn)，根據(jù)化工用煤指標(biāo)要求和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)合選煤廠施工圖紙和現(xiàn)場管道布置情況[10]，設(shè)計(jì)如下生產(chǎn)工藝流程：三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選出的中煤經(jīng)弧形篩脫水處理得到篩上物和合格介質(zhì)；篩上物經(jīng)脫介篩脫介處理后得到中煤稀介質(zhì)和中間產(chǎn)物；中煤稀介質(zhì)經(jīng)磁選機(jī)磁選得到中煤磁尾和合格介質(zhì)；中間產(chǎn)物經(jīng)破碎機(jī)破碎至粒徑6 mm以下，得到破碎中間產(chǎn)物；破碎中間產(chǎn)物和中煤磁尾按照質(zhì)量比4∶1在混合桶中混合形成濃度為160 g/L的入料，然后進(jìn)入三錐角水介旋流器分選得到溢流和底流；溢流經(jīng)弧形篩進(jìn)行一次脫泥，得到一次煤泥和一次煤泥水；一次煤泥經(jīng)離心機(jī)脫水處理得到化工用煤和二次煤泥水；一次煤泥水和二次煤泥水混合，進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)；底流經(jīng)弧形篩二次脫泥得到二次煤泥和三次煤泥水；二次煤泥經(jīng)離心機(jī)脫水處理得到高灰中煤(最終中煤)和四次煤泥水；三次煤泥水和四次煤泥水混合，進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 化工用煤生產(chǎn)工藝流程示意

該工藝流程的特點(diǎn)：① 充分利用三錐角旋流器的特殊結(jié)構(gòu)，在不需要添加介質(zhì)的條件下，能夠提高重介分選設(shè)備的入料粒度下限，從而提高重介設(shè)備的分選精度，增加精煤產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)煤炭資源合理利用；② 具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、入料粒度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)的三錐角水介旋流器不僅簡化了選煤工藝流程，而且彌補(bǔ)了其他粗煤泥分選設(shè)備投資和運(yùn)行成本高等不足之處；③ 此流程可以降低重介質(zhì)旋流器入料壓力，減小設(shè)備磨損和能耗，提高脫介篩處理能力和脫介效率，降低介耗，減少浮選入浮量，提高企業(yè)效益；④ 一定程度上解決了化工用煤生產(chǎn)量不足的問題，對于發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)及煤炭產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

4 結(jié) 論

通過一系列試驗(yàn)研究和流程設(shè)計(jì)，對中煤解離再選試驗(yàn)可得到如下結(jié)論：

(1)該中煤在解離到小于3 mm條件下，其中灰分小于20%的物料含量相對較多，通過分選可以得到灰分小于20%的化工煤產(chǎn)品。中煤約占原煤25%，改造后化工用煤產(chǎn)率可達(dá)9.3%(占原煤)，若每年處理1/3焦煤120萬t，則每年可生產(chǎn)化工用煤10.84萬t，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)通過試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，使用實(shí)驗(yàn)室三錐角旋流器能夠取得較理想的分選效果，且可以選出不同灰分的產(chǎn)品。在產(chǎn)品灰分為19.06%時(shí)，大于0.20 mm粒級綜合產(chǎn)率(占入料)為37.2%，數(shù)量效率為82.65%。

(3)將中煤破碎解離，配合使用新型三錐角水介旋流器分選設(shè)備，通過工藝技術(shù)創(chuàng)新改造，簡化分選工藝，可有效提高化工用煤的產(chǎn)量，更加有效的合理利用煤炭資源，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)升級。

(4)用三錐角水介旋流器分選煤泥，易于實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造，且改造周期短，投資少，改造過程中不影響正常生產(chǎn)?？蛇M(jìn)一步完善選煤廠工藝體系，為選煤廠中煤再選提供了一種新的技術(shù)選擇。