亭南選煤廠煤泥截粗回收工藝優(yōu)化研究

韓 臻

(1.山東博選礦物資源技術開發(fā)有限公司，山東 濟寧 272073；2.陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西 長武 713602)

重介選煤工藝產生的煤泥水是個很棘手的問題，濃度低、水量大，需要分選、分級、脫水等多個工藝環(huán)節(jié)綜合解決，煤泥的回收處理成為選煤行業(yè)的熱點問題。當前煤泥處理設備主要有水介旋流器、弧形篩、浮選設備、角錐池、疊層篩、浮選柱、壓濾機、濃縮機等，每種設備都有其技術優(yōu)勢與不足，需根據煤泥特性及現場需求進行合理選擇[1]。亭南選煤廠處理能力為5.0 Mt/a，屬于大型礦井型重介選煤廠，生產工藝流程為原煤破碎到150 mm以下，150～25 mm淺槽重介分選，生產150～75 mm洗大塊和75～25 mm的洗中塊，<25 mm采用兩產品重介質旋流器分選，粗煤泥采用TBS分選，細煤泥濃縮壓濾，主導產品為優(yōu)質動力煤。在原煤泥處理環(huán)節(jié)，該廠采用水介旋流器組(處理量為1 200 m3/h左右，截粗粒級為<0.25 mm，煤泥入料濃度在160 g/L左右)，僅對底流進行弧形篩截粗回收，而溢流直接(濃縮+壓濾)形成煤泥產品，沒有解決溢流跑粗問題。生產中，水介旋流器底流經弧形篩、離心機脫水，作為中煤產品回收；溢流先經過濃縮機濃縮，再由壓濾機脫水形成煤泥產品(濕煤泥或細煤泥)。但實際生產中，水介旋流器溢流有“跑粗”現象，不僅影響濃縮池的工作效率，而且粗顆粒多是低灰優(yōu)質煤，還造成資源浪費。在煤泥量增大時，該廠煤泥產量也會增大，約占原煤的10%以上，每小時就有上百噸煤泥產出，其中低灰粗顆粒產量就更明顯，本應屬于精煤產品，卻隨煤泥售出，影響經濟效益。由于煤泥儲裝運銷成本都比較高，加上國家環(huán)評政策越來越嚴，因此煤泥截粗是急需解決的課題。

1 煤質特性分析

根據GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》規(guī)定，亭南礦井原煤屬于低灰、低硫、低磷、含油、中高揮發(fā)分、中等軟化溫度灰、高熱值不黏煤，是一種優(yōu)質動力煤。煤的視密度變化在1.25～1.43 g/cm3之間，平均值為1.36 g/cm3，真密度變化在1.14～1.50 g/cm3之間，平均值為1.47 g/cm3，煤層硬度普氏系數為1.95，屬于中硬度煤。通過大篩分試驗來分析亭南選煤廠煤質特性，結果見表1。

表1 亭南選煤廠原煤大篩分試驗結果Table 1 Raw coal screening analysis %

由表1可以看出： >25 mm粒級產率為22.18%，灰分為33.61%，比原煤灰分高，說明矸石較硬，大塊中存在大量的可見矸；原煤各粒級灰分隨著粒度的減小，整體呈降低趨勢，說明煤和矸石存在硬度差異，但<0.5 mm粒級灰分有所提升，說明矸石略有有泥化現象；<1.0 mm粒級含量占全樣的21.53%，總煤泥量較大。

亭南選煤廠煤泥采用水介旋流器進行分選處理，水介旋流器底流和溢流篩分試驗數據分別見表2和表3。

表2 亭南選煤廠水介旋流器底流篩分試驗結果Table 2 Hydrocyclone underflow size analysis %

表3 亭南選煤廠水介旋流器溢流篩分試驗結果Table 3 Hydrocyclone overflow size analysis %

由表2可以看出： 主導粒級為1～0.5 mm，產率為37.93%； >0.25 mm粒級粗煤泥占比較高，產率達到86.37%； 隨著煤泥粒度的降低，煤泥灰分逐級遞增，1 mm以上煤泥灰分為12.16%，<0.075 mm粒級細泥灰分達到74.18%；水介旋流器截粗粒度為0.25 mm，則>0.25 mm粒級粗煤泥灰分為14.17%，<0.25mm粒級細煤泥灰分為52.13%。

由表3可以看出：>0.25 mm粒級粗煤泥含量為22.89%，水介旋流器溢流跑粗明顯；隨著粒度逐漸變小，灰分逐漸增高。

試驗還發(fā)現，水介旋流器溢流中>0.25 mm粒級物料含量較多，并且灰分較低，問題根源在于溢流量非常大、濃度非常低。水介旋流器底流口為140 mm(可選150 mm或130 mm)，溢流口為280 mm，入料泵額定流量為1 500 m3/h(結構設計目的是底流>0.25 mm粒級含量最高，占總煤泥量50%以上)。正常情況下在1 300 m3/h左右時，經驗測算底流與溢流為1∶4的關系，溢流量為1 040 m3/h，低流量為260 m3/h。因此，可采取同底流工藝一樣的截粗回收方式，達到降低細煤泥排放量的目的。

經過深入研究旋流器、弧形篩工作原理及功能特性，通過改變設備工況條件，挖掘設備潛能，發(fā)揮設備各自優(yōu)勢，形成一套搭配優(yōu)良的煤泥截粗工藝，最終達到高精度高效率回收>0.25 mm粒級煤泥的目的。

2 水介旋流器組

2.1 水介旋流器分選原理

水介旋流器工作原理是通過增加離心力提高沉降效率，屬于按密度分選設備。由于煤泥組分特性比較復雜，不僅粒度多樣而成份也比較多樣，不是單一的煤，其中泥巖較多。通常認為顆粒大的重量就大，而忽視物質成份。煤的特性是煤質與灰分成反向關系，而灰分與密度成正向關系。煤泥成分顆粒小，沉降速度慢，需增加離心沉降提高分選效率。煤泥水沿切線方向進入水介旋流器，形成內外雙螺旋結構模型，粗重顆粒物質被拋向器壁并形成外螺旋流體自上而下，從底流口排出；細輕顆粒物質跟隨內旋流體自下而上從溢流口排出，從而達到分離分級目的[2]。

利用離心分離技術分析水介旋流器的工作過程，假設顆?？山浦睆?d)的球形粒子作半徑(r)勻速圓周運動，將速度下沉運動方向分解為切線速度(離心沉降速度V1)和徑向速度(V2，下沉徑向外運動不參與沉降分析)，粒子密度(ρ1)及流體密度(ρ2)達到運動平衡，受到慣性離心力、向心力、阻力三力必然平衡，由此可得出公式[3]：

式中：μ為流體介質黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2；ω為粒子角速度，rad/s；t為變化時間，s；x為位移變化量，m。

該公式表明，運動顆粒在做圓周運動時，離心速度與粒徑平方、密度差成正比，與流體的黏度成反比。單獨從粒度大小來看，大粒度顆粒應沿徑向外向下呈密集性梯度分布。

2.2 產生溢流跑粗的根本原因

旋流器的錐體結構使其產生濃縮功能，由上到下濃度梯度逐級增大，底流口處最大。正常情況下，煤泥密度為1.05～1.10 g/cm3，濃縮后的密度超過1.20～1.30 g/cm3。從煤質特性得知，煤的密度為1.14～1.50 g/cm3，公式中的密度差會出現正、負值[3-4]，說明顆粒在運動過程中出現有換向現象，只要密度差正負反轉，運動顆粒必然會調轉運動方向，本來沿向下方向運動，突然反向上運動，這是水介旋流器溢流跑粗的根本原因。顆粒在流體中的運動速度不同，存在螺旋剪切湍流運動，且濃度越高這種運動越嚴重，使部分輕質粗顆粒更易于改變運動軌跡，濃度高是粗顆粒進入內螺旋流體中上浮的重要原因之一，一般應控制在16%以內[5]。

2.3 影響旋流器分選精度的因素

水介旋流器作為煤泥分選設備，從分選原理來看，對粒度分選沒有可控條件，這是溢流跑粗的主因，除此之處還存有以下干擾因素：

(1)旋流器結構參數對旋流器分選效率起決定性作用，要嚴格設計并滿足生產要求。

(2)定期檢查設備磨損程度，特別是底流口最容易遭受磨損，對分選密度也比較敏感。

(3)入料壓力、入料濃度、入料黏度及系統(tǒng)穩(wěn)定性等對會分選精度及效率產生不同程度的影響。

上述干擾因素在生產過程中只能降低，卻無法根治[6]。

3 弧形篩功能特點

3.1 弧形篩種類及工作原理

弧形篩按照給料方式分為兩種：一種是無壓力給料的自流式弧形篩；另一種是壓力給料的壓力弧形篩。篩條為梯形篩條，與物料運動方向垂直。篩條一般由不銹鋼制作，也有使用尼龍制作，切邊鋒利，脫泥效果佳[7-8]。

當料漿以一定速度沿切線方向給至篩面上，在離心力、重力和摩擦力的作用下，使料漿緊貼著篩面運動，物料層由一根篩條流到另一根篩條，因篩條的邊棱對物料層產生切割作用，所以便有一部分水和細粒被分離，在離心力作用下，經篩縫排出，成為篩下產品；未被切割的這部分物料層，在篩面上流過，成為篩上產品，篩條邊棱鋒利程度決定脫水分級效果[9]。每根篩條切下的流體厚度，一般為縫隙寬度的1/2～1/4，篩下產物中的最大顆粒約為篩縫的1/2?；谶@個原因，亭南選煤廠煤泥分級粒度為0.25 mm，故選用篩縫尺寸為0.35 mm、曲率半徑為2 m、弧角為45°自流式弧形篩，以滿足離心機的入料要求[10]。

3.2 弧形篩特點

弧形篩具有篩分脫水的特點，最大的特點是泄水能力大。由于弧形篩結構簡單，分級精度高，產品粒度均勻，單位面積處理量可達振動篩的10～50倍，而水介旋流器溢流量為1 000 m3/h，為此通過分析測算，需采取多級脫水濃縮才能回收其中粗顆粒[11]。

弧形篩工作條件比較容易達到要求，入料具備一定的速度，方向沿弧切線給入。為此設計了截粗裝置專門用來安裝弧形篩?；⌒魏Y入料方式如圖1所示。

圖1 弧形篩入料方式

弧形篩箱體設計必須滿足弧形篩的要求，該箱體采取密封設計，保證出料有一定壓力，為下一級脫水提供足夠的初始速度。由于來料管路至上而下為5 m高度，且有足夠壓力和初始速度沿入料口切入弧形篩。截粗裝置主脫水箱內置兩塊垂直入料弧形篩，來自預脫水箱的溢流，并達到較好的泄水效果[5]?；⌒魏Y入料箱示意圖如圖2所示。

圖2 弧形篩入料箱示意圖

3.3 弧形篩脫水能力測算

弧形篩采用曲率半徑為2 000 mm，角度為45°的篩面，篩面寬度為1 500 mm，因此，弧形篩有效篩分面積為1.57×1.5=2.355 m2，三塊弧形篩面積為3×2.355=7.065 m2。

弧形篩的處理能力按經驗公式：

Q=160×F×u×K，

式中：Q為弧形篩的處理能力，t/h；F為弧形篩的有效篩網面積，7.065 m2；u為礦漿的給入速度，2.5 m/s；K為脫水系數，取0.4(K=0.3～0.4)[12-13]。

Q=160×7.065×2.5×0.4=1 130.4 t/h，煤泥密度為1.1 g/cm3，折算成體積量為1 027 m3/h左右，能滿足水介旋流器溢流量的處理能力?；⌒魏Y脫水效率一般在60%～80%范圍內，由于處理量超出弧形篩篩面容量，取60%計算，三塊弧形篩每小時可脫去616 m3煤泥。根據表3，水介旋流器溢流產物中>0.25 mm粒級的物料含量為22.89%，經過脫水濃縮，濃度提高到57%[14]。

4 煤泥截粗工藝流程

4.1 改造后細煤泥特性

煤泥水經過水介旋流器一級分選后，濃縮的底流經過兩組弧形篩篩分脫水，再經煤泥離心機終級脫水形成低水分的中煤產品；溢流經過改造后的截粗裝置(截流量70%)，充分發(fā)揮弧形篩的工作效力，解決了處理量大而濃度低的難題，經過弧形篩篩分脫水后，使篩上粗顆粒煤泥濃度得到提高，達到滿足煤泥離心機的條件，經煤泥離心機脫水成為精煤產品。試驗結果見表4。由表4可以看出：>0.25 mm粒級含量明顯下降，篩上物含量僅為沒有截流前的三分之一，截粗率達到三分之二，達到了預期效果。

表4 截粗后煤泥篩分試驗結果Table 4 Coal slime size analysis after recovery of coarser sizes %

4.2 煤泥截粗工藝

經過理論分析，設計了煤泥截粗回收工藝，煤泥截粗工藝原理流程如圖3所示。圖3中虛線部分為改造環(huán)節(jié)，該工藝中水介旋流器組共分三組，通過調節(jié)達到滿足處理量的要求；采用兩并兩串底流弧形篩組進行篩分脫水，解決底流夾細的問題；采取水平有壓三并聯弧形篩解決了溢流跑粗的問題。

圖3 煤泥截粗工藝原則流程

5 結語

實踐證明，水介旋流器與弧形篩搭配組合是煤泥截粗的有效路徑，能最大程度地減少煤泥量的排放，提高粗煤泥回收量。在沒有粗顆粒的影響下，濃縮池的工作效率得到了提高，絮凝劑的聚合效果得到了改善?；⌒魏Y與水介旋流器都屬于無運動部件設備，自制組裝方便，特別是弧形篩組和旋流器組，應用靈活，適應性強，可根據需要改變組數，滿足不同煤泥截粗工藝的需要。