末煤干選工藝在陽煤五礦的工業(yè)化應(yīng)用

夏云凱，李 磊，翟繼鵬

(1.唐山市神州機械有限公司；2.河北省煤炭干法加工裝備工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063001；3.陽泉煤業(yè)集團股份有限公司 五礦選煤廠，山西 陽泉 045000)

1 煤源介紹

陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司是中國最大的無煙煤生產(chǎn)基地，五礦是其主要生產(chǎn)礦井之一。 五礦選煤廠實際入選能力6.80 Mt/a，選煤工藝采用大于13 mm塊煤跳汰水洗，小于13 mmm末煤不分選。主要產(chǎn)品包括13 mm以上塊精煤、末精煤，末煤(末原煤)、中煤和煤泥。精煤產(chǎn)品由優(yōu)質(zhì)末原煤與水洗塊精煤摻配而成，發(fā)熱量要求大于21.34 MJ/kg，供市場銷售；配電煤由一部分劣質(zhì)末原煤與跳汰機中煤摻配而成，發(fā)熱量要求大于15.48 MJ/kg，供煤矸石電廠。受退出保護區(qū)等因素制約，根據(jù)五礦采煤規(guī)劃，采區(qū)將集中在南翼和中央?yún)^(qū)，南翼采區(qū)采量大幅增加后整體煤質(zhì)進一步惡化。2018年以來末煤(小于13 mm)平均灰分基本維持在35%左右，對應(yīng)低位發(fā)熱量在19.25 MJ/kg左右。末煤煤質(zhì)惡化帶來的后果包括：

(1)影響原煤分級效果。受原煤水分影響，13 mm分級篩篩分效率不穩(wěn)定，稍有波動，就會有大量煤泥進入水洗系統(tǒng)造成煤泥水惡化，循環(huán)水濃度升高。

(2)煤泥水系統(tǒng)已經(jīng)超負荷運行，利用現(xiàn)有水洗系統(tǒng)挖潛改造不能滿足末煤分選需要。

(3)末精煤質(zhì)量不達標。實際銷售時為保證末煤發(fā)熱量，摻入了大量的水洗塊精煤。如不能找到適合末原煤分選的工藝，則需要將全部水洗塊精煤摻入到末原煤中，才能滿足末煤發(fā)熱量大于21.34 MJ/kg的質(zhì)量要求，降低了選煤廠的洗選效益。

由于原煤中泥巖的存在，末原煤入水泥化嚴重，末煤水洗會造成精煤水分高和煤泥脫水困難等難題[1-3]。煤炭產(chǎn)品的水分是一個重要指標[4-7]，水洗容易增加精煤水分，降低發(fā)熱量，部分抵消了降灰提質(zhì)效果。動力煤洗選發(fā)展的一個主要方向是通過末煤預(yù)脫粉實現(xiàn)水洗煤泥減量化[8，9]或末煤干選無水洗煤泥產(chǎn)生[10]。目前干選技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于動力煤高密度排矸[11]、煉焦煤水洗前預(yù)排矸、臟雜煤和工程煤等高灰原料煤分選。選擇適合五礦末原煤煤質(zhì)特征的干選設(shè)備和工藝具有重要的現(xiàn)實意義。

2 原煤煤質(zhì)分析

以礦方提供的南翼采區(qū)末原煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)為例(表1和表2)，原煤屬于低水、高灰、中高硫煤，隨著粒度減小灰分降低，說明煤質(zhì)較軟，原生煤泥含量6.67%，小于1 mm煤粉質(zhì)量較好。原煤低位發(fā)熱量與水分和灰分之間回歸分析如下：

Qnet,ar=34.936-0.385Ad-0.3035Mt

式中，Qnet，ar——低位發(fā)熱量，MJ/kg；

Ad——干基灰分，%；

Mt——全水分，%。

表1 南翼采區(qū)小于13 mm末原煤篩分分析

表2 13～0.5 mm級浮沉試驗綜合結(jié)果

分析表2可知，大于0.5 mm粒級的浮沉組成中，小于1.3 g/cm3密度級為主導(dǎo)粒級，1.5～1.8 g/cm3中間密度級含量較少。當(dāng)?shù)兔芏确诌x(小于1.4 g/cm3)生產(chǎn)精煤灰分小于8.0%時，原煤可選性為難選。但在分選密度為1.7 g/cm3時，分選密度±0.1臨近物含量為9.1%，原煤可選性變?yōu)橐走x。因此高密度下分選，小于13 mm原煤可選性為易選和中等可選，適合采用干法分選。

3 ZM末煤干選機的特點

ZM礦物高效分選機為新一代復(fù)合式干選機，采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)應(yīng)用成熟，ZM系列末煤干選機已在沈煤集團堿廠礦和永煤集團高山礦成功應(yīng)用。用于末煤干選的ZM分選機具有以下特點：① 分選效果好；② 全系統(tǒng)封閉負壓運行，多級除塵，環(huán)保效果好，粉塵排放濃度低于20 mg/m3；③ 自動化程度高。

4 模擬計算

參考原煤可選性數(shù)據(jù)，模擬計算了常用末煤干選效果。小于13 mm原煤不脫粉干選，分選粒度下限設(shè)定為1 mm。13～1 mm粒級干選，假設(shè)精煤和中煤段分選密度為1.75 g/cm3，中煤和矸石段分選密度為1.95 g/cm3，除塵系統(tǒng)煤粉混入末精煤中。干選機生產(chǎn)精煤、中煤、矸石3個產(chǎn)品，產(chǎn)品平衡表見表3。

表3 小于13 mm末煤干選產(chǎn)品分析

表3表明，在小于13 mm末原煤灰分為34.71%條件下，干選精煤灰分為26.61%，產(chǎn)率為84.14%，干選精煤發(fā)熱量達到了大于21.34 MJ/kg的提質(zhì)目標。因此，考慮到五礦末原煤的可選性特點、投資成本和運營成本問題，建議采用干法分選工藝。

利用表1和表2 中數(shù)據(jù)，對灰分進行修正，模擬不同原煤灰分下干選結(jié)果。原煤灰分分別為35%，40%，45%，50%，55%時的產(chǎn)品平衡表見表4。由表4可知，當(dāng)小于13 mm末煤不脫粉分選時，只要原煤發(fā)熱量高于18.42 MJ/kg，干選精煤發(fā)熱量即可以滿足大于21.34 MJ/kg的煤質(zhì)要求。當(dāng)煤質(zhì)較差時，由于大量低發(fā)熱量的小于1 mm煤粉混入干選精煤，降低了精煤發(fā)熱量。

表4 不同原煤灰分下小于13 mm末煤干選產(chǎn)品平衡

5 干選工業(yè)性試驗結(jié)果

使用ZM10型末煤復(fù)合式分選機對小于13 mm高灰末煤進行干選半工業(yè)性試驗，結(jié)果見表5。當(dāng)原煤灰分為38.98%時，精煤產(chǎn)率為62.93%，精煤灰分為30.17%，干選后精煤相對原煤灰分降低8.81個百分點，低位發(fā)熱量提高了3.28 MJ/kg，精煤低位發(fā)熱量達到20.56 MJ/kg。當(dāng)原煤發(fā)熱量達到17.99 MJ/kg及以上時，精煤發(fā)熱量可以達到21.34 MJ/kg及以上。

6 改造工程的應(yīng)用效果

改造前五礦選煤廠生產(chǎn)工藝流程：毛煤經(jīng)過90 mm分級，篩上大于90 mm塊煤手選后破碎，再和小于90 mm篩下物經(jīng)過13 mm分級，90～13 mm塊煤由跳汰機分選，小于13 mm末煤不選。主要分選設(shè)備有4臺27 m2跳汰機。小于0.5 mm 煤泥水先進入角錐池分級，溢流進入一次濃縮機，濃縮機溢流為循環(huán)水，底流經(jīng)分級旋流器分級，旋流器底流進入高頻煤泥篩脫水回收粗煤泥。煤泥篩、高頻篩篩下水及分級旋流器溢流進入二次濃縮機，底流壓濾回收細煤泥。改造前，為保證末煤和配電煤質(zhì)量，全部水洗的小于13 mm末精煤、全部優(yōu)質(zhì)末原煤以及大部分劣質(zhì)末原煤混合作為末煤產(chǎn)品；全部水洗中煤以及部分劣質(zhì)末原煤混合可作為配電煤。

表5 小于13 mm末煤干選半工業(yè)性試驗結(jié)果

干選改造工程不涉及原水洗系統(tǒng)，只增建末煤干選系統(tǒng)處理部分劣質(zhì)末原煤。末煤干選系統(tǒng)設(shè)計能力為2.00 Mt/a，由原煤受煤系統(tǒng)、主機、除塵系統(tǒng)組成。末原煤通過受煤系統(tǒng)進入干選車間，干選系統(tǒng)生產(chǎn)精煤、中煤、矸石3個產(chǎn)品。干選后的精煤、中煤和優(yōu)質(zhì)末原煤混合可作為末精煤，通過膠帶輸送機運輸至北煤臺，鐵路裝車外運。改造后，水洗塊精煤單獨銷售，不再摻入末精煤中；水洗中煤、干選矸石以及剩余未選劣質(zhì)末原煤混合可作為配電煤。同時選煤廠設(shè)有矸石單獨外排通道，當(dāng)矸石電廠需求量降低時，可以單獨外排矸石。

系統(tǒng)采用落料點密封、噴霧降塵和引風(fēng)除塵聯(lián)合降塵除塵工藝，粉塵無外溢。主機除塵系統(tǒng)采用主機負壓操作，兩級布袋除塵，粉塵排放濃度滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求(粉塵排放濃度小于20 mg/m3)，除塵器回收的煤粉混入干選精煤。

末煤分選系統(tǒng)設(shè)計處理能力為2.00 Mt/a，要求小時處理能力378 t，選用1臺ZM400型末煤分選機，原煤來自于五礦小于13 mm末原煤。末煤干選系統(tǒng)自2020年9月投入使用后，原煤發(fā)熱量在11.92～18.83 MJ/kg范圍波動，平均發(fā)熱量提高3.35 MJ/kg以上。

圖1原煤發(fā)熱量和精煤發(fā)熱量相關(guān)關(guān)系

7 經(jīng)濟效益分析

技術(shù)改造前，為提高末煤發(fā)熱量，全部水洗塊精煤摻入末煤。改造后末精煤可直接銷售，水洗塊精煤單獨銷售不再摻配，干選中煤和矸石可作為電煤供應(yīng)坑口電站。參考近期山西動力煤市場煤價，末原煤發(fā)熱量分別為21.56 MJ/kg、18.28 MJ/kg、12.70 MJ/kg 時，銷售價格分別為342.9元/t、249.6元/t、191.6 元/t。

末煤干選經(jīng)濟效益計算如下：

干選加工費按15 元/t計算，含投資運營方承包運營費用，電費和煤礦管理費等。

表6 小于13 mm末煤干選產(chǎn)品指標分析

噸原煤干選毛利潤 =(改造前后產(chǎn)品綜合售價差值-分選加工費)= 62.93%×342.6+37.07%×191.6-249.6-15= 22.18 元

噸原煤干選凈利潤=毛利潤-所得稅(稅率取25%)-增值稅(稅率取17%)-城市維護建設(shè)稅

(稅率取17%×7%)-教育附加費(稅率取17%×3%)=22.18×(1-25%-17%-17%×7%-17%×3%)=12.49 元。

純收入=凈利潤×(1-法定盈余公積金(比率取10%))=12.49×(1-10%)=11.24 元/t。

末煤干選廠處理能力為2.00 Mt/a，在目前煤炭價格體系下，年增加純收入為2 248萬元。 末煤干選項目總投資約為4 200萬元，投資回收期約1.87 a，干選經(jīng)濟效益顯著。

8 結(jié) 語

針對陽煤五礦小于13 mm無煙煤高灰、矸石易泥化等特點，采用ZM礦物高效分離機為核心的干選分選技術(shù)和工藝。干選模擬計算和工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)果均表明，小于13 mm末原煤采用干法排矸，既大幅提高和穩(wěn)定了精煤發(fā)熱量，又避免了水洗產(chǎn)生煤泥的問題。陽煤五礦選煤廠首次采用ZM400礦物高效分離機分選劣質(zhì)末原煤獲得成功，精煤發(fā)熱量大幅提高后，塊精煤單獨銷售而不再摻配電煤，經(jīng)濟效益顯著。同時新增末煤干選系統(tǒng)和原有塊煤分選系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了原煤全粒級分選。