煤制油選煤廠提升有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選效果的研究與實(shí)踐

王 偉

(神東煤炭集團(tuán)，陜西 榆林 719315)

煤制油選煤廠設(shè)計(jì)處理能力4.50 Mt/a，為用戶型選煤廠。生產(chǎn)工藝采用：原煤分級(jí)破碎，小于30 mm原煤脫泥后，進(jìn)入有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，出精煤和矸石兩種產(chǎn)品，其中精煤用于煤液化原料；煤泥水經(jīng)水力分級(jí)旋流器分級(jí)后，粗煤泥經(jīng)弧形篩、離心機(jī)脫水后作為發(fā)電用煤，細(xì)煤泥經(jīng)濃縮池濃縮后，進(jìn)入加壓過濾機(jī)脫水后作為發(fā)電用煤。

1 目前選煤廠生產(chǎn)現(xiàn)狀

煤制油選煤廠承擔(dān)著為煤制油公司提供灰分小于5%的精煤產(chǎn)品的任務(wù)，但生產(chǎn)過程存在分選密度不穩(wěn)定，操作難控制的現(xiàn)狀。選煤廠通過生產(chǎn)實(shí)踐和單機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器存在跑煤現(xiàn)象和分選效果較差的問題，對(duì)精煤回收率和產(chǎn)品質(zhì)量合格率影響較大，造成經(jīng)濟(jì)效益損失，影響品牌信譽(yù)度。

1.1 矸石帶煤率高

在實(shí)際生產(chǎn)中，煤制油選煤廠有壓兩產(chǎn)品重介旋流器大約每隔5 min會(huì)出現(xiàn)一次底流排料量突然增大的情況，導(dǎo)致整個(gè)底流物料脫介篩篩面覆蓋較厚物料層，且具有一定的規(guī)律性。

為了掌握實(shí)際情況，采集了矸石產(chǎn)品進(jìn)行浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 大于1.5 mm粒級(jí)矸石密度組成

由表1可知，實(shí)際分選密度約1.60 kg/L，而矸石產(chǎn)品中小于1.60 kg/L密度級(jí)產(chǎn)率高達(dá)15.22%，灰分為17.29%。其中精煤占4.23%，灰分4.92%；中煤占10.99%，灰分22.05%。由此可見，有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器生產(chǎn)中存在“跑煤”現(xiàn)象。

1.2 工藝性能達(dá)不到要求，影響產(chǎn)品合格率。

按照GB/T 15715—2014《煤用重選設(shè)備工藝性能評(píng)定方法》[1]對(duì)煤制油廠有壓兩產(chǎn)品重介旋流器開展了單機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出重介質(zhì)旋流器工藝性能評(píng)價(jià)核心指標(biāo)E值，各粒級(jí)及大于1.5 mm綜合粒度級(jí)E值指標(biāo)見表2。

表2 有壓兩產(chǎn)品重介旋流器不同粒級(jí)分選指標(biāo) kg/L

由表2分析可知：大于50 mm、50～25 mm粒級(jí)E值為0.039～0.049 kg/L，分選效果較好；25～13 mm、13～6 mm、6～3 mm粒級(jí)E值為0.052～0.061 kg/L，分選效果有所下降；而6～3 mm、3～1.5 mm、-1.5 mm粒級(jí)E值為0.094～0.141 kg/L，分選效果急劇惡化。

煤制油選煤廠有壓兩產(chǎn)品重介旋流器大于1.5 mm綜合粒級(jí)E值為0.066 kg/L，未達(dá)到GB 50359—2016《煤炭洗選工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中E值為0.03～0.05 kg/L的規(guī)定要求，分選效果較差。

針對(duì)上述問題，為了有效解決有壓兩產(chǎn)品重介旋流器間歇性跑煤現(xiàn)象，改善設(shè)備工藝性能，通過研究原煤性質(zhì)，從有壓兩產(chǎn)品重介旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件兩方面入手，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)原煤的適應(yīng)性，不同操作條件下設(shè)備分選效果，從而優(yōu)化有壓兩產(chǎn)品重介旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，提高整個(gè)分選系統(tǒng)的適用性和匹配度。

2 入料性質(zhì)分析

對(duì)有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料性質(zhì)的分析，主要從粒度組成、密度組成及可選性3個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)。

2.1 入料粒度組成

根據(jù)GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》[3]對(duì)有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，入料粒度組成見表3。

由表3分析可知：煤制油選煤廠重介旋流器入料中大于50 mm粒度級(jí)產(chǎn)率17.71%，50～3 mm產(chǎn)率80.08%，3～1.5 mm粒度級(jí)產(chǎn)率1.22%，小于1.5 mm粒度級(jí)產(chǎn)率0.99%。

分析可知：50～25 mm產(chǎn)率41.99%，占主導(dǎo)粒級(jí)，小于1.5 mm產(chǎn)率僅0.99%，說明脫泥效果比較好，很好的控制了進(jìn)入旋流器的煤泥量；各粒度級(jí)灰分隨著粒度變小基本呈下降趨勢(shì)，說明煤質(zhì)易碎，而小于1.5 mm粒度級(jí)灰分明顯高于附近粒度級(jí)，說明存在一定矸石泥化現(xiàn)象。

表3 有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料粒度組成

2.2 入料密度組成及可選性分析

根據(jù)GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》[4]對(duì)有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料做了浮沉試驗(yàn)。入料密度組成見表4，入料可選性曲線見圖1。

由表4可知，入料灰分為12.88%，灰分較低，原煤煤質(zhì)較好。其中小于1.60 kg/L密度級(jí)產(chǎn)率高達(dá)90.50%，說明原煤中低密度產(chǎn)物占比非常高。

由可選性曲線可知：當(dāng)精煤灰分為4.78%時(shí)，理論分選密度為1.58 kg/L，理論精煤產(chǎn)率為88.77%，±0.1含量為5.10%，由此可判斷原煤可選性為易選。

表4 有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料密度組成

圖1 入料可選性曲線

3 優(yōu)化改造方案

通過對(duì)入料性質(zhì)的分析可知，原煤具有可選性易選、煤泥含量低及低密度產(chǎn)物含量高等特點(diǎn)。針對(duì)這些特性，需制定一套整體性方案去研究解決，而有壓兩產(chǎn)品重介旋流器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)是研究和優(yōu)化改造的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究與優(yōu)化

煤制油選煤廠采用直徑1 450 mm的有壓兩產(chǎn)品重介旋流器，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：錐角20°，柱長(zhǎng)1 460 mm，溢流管直徑624 mm，底流口直徑435 mm，溢流管插入深度760 mm。

旋流器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)與原煤特性存在一定的適配性，與分選效果密切相關(guān)。通過對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，使其更適應(yīng)入選原煤性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身的高度匹配。

3.1.1 進(jìn)料方式

旋流器的進(jìn)料體與圓柱體相貫連接方式一般為切向，進(jìn)料體主要有切向進(jìn)料體、漸開線型進(jìn)料體、螺旋線型進(jìn)料體、大包角進(jìn)料體，離心蝸殼進(jìn)料體等形式。

根據(jù)煤制油選煤廠旋流器結(jié)構(gòu)，對(duì)包角進(jìn)料體，漸開線進(jìn)料體，離心蝸殼進(jìn)料體作數(shù)值對(duì)比。其中離心蝸殼進(jìn)料體為給礦口入料曲線為類漸開線，總體包角約270°；包角進(jìn)料體為給礦口入料曲線亦為類漸開線，總體包角約為180～360°，在入口與旋流器直筒段相交后，有下旋曲線，下旋長(zhǎng)度約為旋流器直徑的1/10。

針對(duì)給礦口對(duì)旋流器能量消耗、器壁磨損、流場(chǎng)干擾的影響，對(duì)上述3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。最終得出：離心蝸殼方式耐磨材料所承受的沖擊小，流場(chǎng)相對(duì)較均勻，四周流場(chǎng)情況不會(huì)像大包角型、漸開線型出現(xiàn)局部紊亂，能夠避免由于局部紊亂而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備錯(cuò)配物的增加，從整體上提高設(shè)備的使用效果。

圖2 三種結(jié)構(gòu)入料壓力、入口速度對(duì)比圖

3.1.2 圓柱段長(zhǎng)度

有壓兩產(chǎn)品重介旋流器一般為圓柱圓錐形結(jié)構(gòu)，旋流器的長(zhǎng)度和容積主要取決于圓柱體的長(zhǎng)度。當(dāng)旋流器柱體長(zhǎng)度較大時(shí)，在旋流器內(nèi)部產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度降低，壓降較小，從而降低了旋流器內(nèi)部外旋流與內(nèi)旋流的密度分層差值，即密度場(chǎng)分層梯度減小；而短柱段內(nèi)部流場(chǎng)壓強(qiáng)較大，整體密度場(chǎng)分層梯度高，有利于提高物料分選精度。

針對(duì)煤制油選煤廠原煤性質(zhì)，根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定重介質(zhì)旋流器圓柱體長(zhǎng)度為(0.8～1.0)D范圍，既能保證現(xiàn)有旋流器的處理能力，也能提高旋流器分選精度。

圖3 圓柱段長(zhǎng)度對(duì)渦流強(qiáng)度的影響

3.1.3 溢流管及插入深度

旋流器的溢流管直徑在(0.40～0.5)D左右?？紤]到煤制油選煤廠旋流器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，及溢流管直徑的增大對(duì)處理能力及能耗的影響，設(shè)計(jì)的溢流管直徑確定在(0.4～0.42)D范圍內(nèi)。

溢流管插入深度較短時(shí)，在旋流器內(nèi)產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度較低，壓降較小。而溢流管插入深度的增加，延長(zhǎng)物料在旋流內(nèi)的停留時(shí)間，即延長(zhǎng)了分選時(shí)間，提高了分選精度。該旋流器溢流管的插入深度改為(0.8～1.0)h范圍，其中h為圓柱長(zhǎng)度。

圖4 溢流管插入深度對(duì)渦流強(qiáng)度的影響

3.1.4 底流口直徑

當(dāng)?shù)琢骺诳s小時(shí)，被分選物料的實(shí)際分離密度明顯增大，底流口密度也明顯增大，精煤產(chǎn)量增多。但底流口直徑過小，物料不能順暢外排，造成擠壓分離，分選效果變壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成底流口堵塞。另外，小底流口旋流器切向速度較高，旋流器內(nèi)的渦流強(qiáng)度較大，引起較高的壓力降，增加了能耗與磨損。

常規(guī)設(shè)計(jì)底流口直徑一般在(0.24～0.32)D范圍內(nèi)選取。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際旋流器應(yīng)用情況，該重介旋流器底流口改為(0.28～0.30)D。

圖5 底流口直徑對(duì)渦流強(qiáng)度的影響

3.2 操作參數(shù)

煤制油選煤廠要求：精煤產(chǎn)品灰分Ad不大于5.0%，懸浮液密度1.43～1.47 kg/L，處理能力800 t/h，入料壓力0.19 MPa。

3.2.1 處理能力及液固比

重介質(zhì)旋流器的直徑是標(biāo)定旋流器規(guī)格和生產(chǎn)能力的主要指標(biāo)，旋流器的直徑越大，處理能力與原煤入料粒度上限越高[5-6]。

重介質(zhì)旋流器的處理能力一般由如下經(jīng)驗(yàn)公式說明：

Q1=(700～800)D2.5

(1)

Q2=(200～400)D2

(2)

式中：Q1——給入旋流器懸浮液流量，m3/h；

Q2——給入旋流器處理原煤量，t/h；

D——旋流器圓柱直徑，m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算：該有壓兩產(chǎn)品重介旋流器設(shè)計(jì)處理能力為420～841 t/h，最大處理能力841 t/h，實(shí)際處理能力約800 t/h，處于旋流器能力上限區(qū)間。但由于該廠入料中低密度產(chǎn)率占比非常高，會(huì)一定程度上影響旋流器處理能力。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算：該有壓兩產(chǎn)品重介旋流器給入懸浮液流量應(yīng)在1 772～2 025 m3/h，實(shí)際中最大懸浮液量2 025m3/h，懸浮液與煤之比為2.53∶1，低于1 t煤3～4 m3懸浮液比例的要求，對(duì)分選造成不利影響。

在保證生產(chǎn)效率和分選效果前提下，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，該有壓兩產(chǎn)品重介旋流器實(shí)際處理能力調(diào)整為650～750 t/h，液固比維持在3∶1左右。

3.2.2 入料壓力

當(dāng)有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料壓力適當(dāng)增加時(shí)，可改善分選效果，特別是對(duì)3～0.5 mm粒度級(jí)。但是如果入料壓力過高，將造成旋流器內(nèi)密度分布更加不均勻，反而造成分選效果變差，并且能耗也會(huì)增加。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，有壓兩產(chǎn)品重介旋流器入料壓力由0.19 MPa調(diào)整為0.16 MPa。

4 效 果

有壓兩產(chǎn)品重介旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件優(yōu)化改造后，再次對(duì)有壓兩產(chǎn)品重介旋流器進(jìn)行了單機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)。如表6、表7所示。

表6 有壓兩產(chǎn)品重介旋流器優(yōu)化前后可能性偏差對(duì)比表(kg/L)

表7 有壓兩產(chǎn)品重介旋流器優(yōu)化前后工藝性能對(duì)比表

由表6、表7可知：優(yōu)化后，有壓兩產(chǎn)品重介旋流器大于1.5 mm粒度級(jí)，可能偏差為0.029 kg/L，提高了0.037 kg/L，分選效果得到明顯改善，數(shù)量效率為98.69%，提高了2.37%，精煤回收率大幅提高，總錯(cuò)配物含量降為1.00%。

改造后有壓兩產(chǎn)品重介旋流器各粒度級(jí)E值大幅度減小、數(shù)量效率提高、總錯(cuò)配物含量降低，說明有壓兩產(chǎn)品重介旋流器工藝性能顯著提高。

5 結(jié) 語

基于理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐，通過對(duì)原煤性質(zhì)的分析，提出了優(yōu)化重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件的改造方案，解決了該廠有壓兩產(chǎn)品重介旋流器“跑煤”現(xiàn)象，改善了設(shè)備工藝性能，提高了分選效果，精煤回收率和產(chǎn)品合格率顯著增加，為公司創(chuàng)造了更多經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)也說明，針對(duì)煤制油選煤廠的原煤的特性，選擇適合的定制化分選設(shè)備，有針對(duì)性地提高設(shè)備性能、操作參數(shù)與原煤性質(zhì)的匹配度，是選煤精準(zhǔn)化的一次成功實(shí)踐，更是踐行精細(xì)化管理理念的一次嘗試，為選煤行業(yè)提供了寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，值得同行們借鑒和研究。