寧東礦區(qū)粉煤變徑脈動(dòng)氣流干法提質(zhì)聯(lián)合工藝研究

韋魯濱，張 振，朱長勇，楊永峰，連永強(qiáng)，，陳 龍，周頎峰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011 )

寧東礦區(qū)的煤種以不粘煤為主，探明地質(zhì)儲(chǔ)量270億t，是國家億噸級(jí)煤炭生產(chǎn)基地及重點(diǎn)煤化工基地。選煤可從源頭治理煤炭引起的污染，是潔凈煤技術(shù)中最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。但現(xiàn)行的煤炭分選普遍采用濕法，需要消耗大量的水，寧東礦區(qū)下屬洗煤廠年耗水量超過50萬m3。寧東礦區(qū)煤種變質(zhì)程度低，表面孔隙多，吸水性強(qiáng)，洗選后的產(chǎn)品灰分雖有所降低，但產(chǎn)品水分增加較多，發(fā)熱量甚至不升反降；此外，寧東礦區(qū)原煤易碎，煤和矸石極易泥化，濕法分選會(huì)產(chǎn)生大量次生煤泥，煤泥水處理系統(tǒng)的負(fù)荷大、能耗高，造成基建投資大、運(yùn)營成本高、產(chǎn)品水分高、煤泥銷售難等問題。

鑒于寧東礦區(qū)原煤特點(diǎn)，目前洗選中心下屬洗煤廠的分選下限控制在8mm或6mm，小于該粒級(jí)的粉煤一般不經(jīng)分選直接作為動(dòng)力煤銷售。由于綜采技術(shù)等的采用，原煤細(xì)粒含量增多，-6mm粉煤占原煤量超30%，如果對(duì)這部分粉煤進(jìn)行分選，精煤產(chǎn)品作為煤化工用煤，將顯著提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

根據(jù)寧東礦區(qū)原煤的特點(diǎn)，細(xì)粒級(jí)粉煤宜采用干法分選。干法選煤是濕法選煤的有效補(bǔ)充，具有工藝簡(jiǎn)單，投資和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。目前工業(yè)應(yīng)用的干法選煤技術(shù)主要有空氣重介質(zhì)流化床、復(fù)合式干選機(jī)和X射線智能干選機(jī)。X射線智能干選機(jī)分選下限+13mm，多用于40～200mm塊煤排矸[3-6]；空氣重介質(zhì)流化床中煤粉含量會(huì)影響流化效果[7-9]且加重質(zhì)與粉煤分離回收困難，分選下限大于6mm[10]；復(fù)合式干選機(jī)入料中細(xì)粒物料作為自生介質(zhì)用以改善粗粒分選效率[11，12]，粉煤自身缺乏足夠的按密度分離效應(yīng)；上述方法均難以實(shí)現(xiàn)-6mm粉煤的有效干法分選。脈動(dòng)氣流是一種新的干法分選方式，能夠促進(jìn)物料按密度分離[13-16]，變徑脈動(dòng)氣流分選技術(shù)采用變徑結(jié)構(gòu)和脈動(dòng)氣流方式強(qiáng)化顆粒在脈動(dòng)流場(chǎng)中按密度分離[17-20]，具有操作氣速范圍寬，分選時(shí)間短等特點(diǎn)，適用于-6mm粉煤干法分選。本文在實(shí)驗(yàn)室前期研究基礎(chǔ)上開展中試研究，針對(duì)寧東礦區(qū)粉煤煤質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分選與分級(jí)聯(lián)合工藝流程，分步脫除其中高灰顆粒，實(shí)現(xiàn)粉煤脫灰提質(zhì)，為變徑脈動(dòng)氣流干法分選工業(yè)應(yīng)用和推廣奠定基礎(chǔ)。

1 變徑脈動(dòng)氣流粉煤干法分選技術(shù)

1.1 變徑脈動(dòng)氣流分選原理

粉煤的分選難度在于粒度細(xì)、煤與矸石的密度差小。傳統(tǒng)氣流分選在恒定氣流場(chǎng)中進(jìn)行，只是單一依賴顆粒的沉降速度差異分離，導(dǎo)致分選效率低、適應(yīng)性差。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)提出了變徑脈動(dòng)氣流粉煤分選方法，粉煤不僅依賴沉降速度差異分離，而是更多地依賴顆粒密度差異而形成的加速度效應(yīng)進(jìn)行分離；分選機(jī)變徑段結(jié)構(gòu)如圖1所示。脈動(dòng)氣流與錐形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，流場(chǎng)同時(shí)具有遷移加速度和當(dāng)?shù)丶铀俣?；氣速沿?cái)U(kuò)展段床高漸小分布，同時(shí)強(qiáng)化了加速度和沉降末速的密度分離效應(yīng)；氣速沿縮小段床高漸大分布，可保證輕產(chǎn)物的快速排出；低密度顆粒與高密度顆粒相比，在變徑段脈動(dòng)氣流場(chǎng)內(nèi)始終獲得更大的向上加速效應(yīng)，變徑結(jié)構(gòu)和脈動(dòng)氣流的協(xié)同變速效應(yīng)保障了粉煤的高效分選。

圖1 分選機(jī)變徑段結(jié)構(gòu)

1—螺旋給料器；2—變徑分選機(jī)；3—矸石緩沖倉；4—矸石卸料器；5—旋風(fēng)分離器；6—精煤緩沖倉；7—精煤卸料器；8—恒定風(fēng)閥門；9—恒定風(fēng)流量計(jì)；10—恒定風(fēng)引風(fēng)機(jī)；11—旋轉(zhuǎn)蝶閥；12—脈動(dòng)風(fēng)流量計(jì)；13—脈動(dòng)風(fēng)引風(fēng)機(jī)；14—?dú)怏w分布器；15—脈動(dòng)風(fēng)閥門圖2 中試連續(xù)分選系統(tǒng)示意圖

1.2 中試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中試連續(xù)分選系統(tǒng)如圖2所示，由供風(fēng)、給料、分選、排料和除塵五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)過程中，-6mm粉煤通過螺旋給料器進(jìn)入分選機(jī)，空氣在脈動(dòng)引風(fēng)機(jī)和恒定引風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)氣體分布器進(jìn)入分選系統(tǒng)，脈動(dòng)風(fēng)由旋轉(zhuǎn)蝶閥產(chǎn)生，蝶閥旋轉(zhuǎn)速度由變頻器控制；不同密度顆粒在變徑結(jié)構(gòu)和脈動(dòng)氣流的共同作用下實(shí)現(xiàn)分離，重產(chǎn)物向下運(yùn)動(dòng)經(jīng)由矸石星型卸料器排出，輕產(chǎn)物隨氣流運(yùn)動(dòng)至旋風(fēng)除塵器，通過底部精煤星型卸料器排出；含塵氣體采用布袋除塵器過濾凈化。分選過程在負(fù)壓下進(jìn)行，降低了環(huán)境中粉塵濃度。

1.3 工藝流程

變徑脈動(dòng)氣流技術(shù)可用于6～1mm粒級(jí)粉煤脫灰提質(zhì)，但現(xiàn)有篩分技術(shù)很難以1mm粒度進(jìn)行分級(jí)，因此入料一般為6～0mm。分選時(shí)，-1mm粒級(jí)大部分會(huì)隨氣流進(jìn)入輕產(chǎn)物中，當(dāng)-1mm粒級(jí)為低灰組分時(shí)，分選效果不受影響，其分選工藝流程如圖3所示。

圖3 分選工藝流程圖

若-1mm粒級(jí)灰分較高則會(huì)污染精煤，影響脫灰效果，尤其對(duì)于矸石易泥化煤質(zhì)。對(duì)于-1mm粒級(jí)含量高且灰分高的粉煤，設(shè)計(jì)了氣流“分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝，分步降低粉煤灰分。聯(lián)合工藝流程如圖4所示，粉煤經(jīng)變徑脈動(dòng)氣流分選，脫除6～1mm粒級(jí)中高密度顆粒；分選所得輕產(chǎn)物采用恒定氣流分級(jí)，分離出-1mm粒級(jí)中高灰粉煤，布袋除塵器收集的除塵粉煤灰分較高，不進(jìn)入精煤產(chǎn)品。聯(lián)合工藝最終所得精煤可用于煤化工；分選所得重產(chǎn)物、分級(jí)所得高灰粉煤以及除塵系統(tǒng)收集的除塵粉煤仍可作為動(dòng)力煤使用，稱為混粉煤。

圖4 “分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝流程

以上2種粉煤干法工藝可與現(xiàn)有工藝靈活對(duì)接，對(duì)于濕法分選下限是6mm的洗煤廠，其粉煤可以直接入選，對(duì)于濕法分選下限是13mm的洗煤廠僅需要加弛張篩分級(jí)即可。

2 結(jié)果及討論

2.1 煤質(zhì)分析

中試所用原料為寧東礦區(qū)羊場(chǎng)灣分廠6mm弛張篩下粉煤，其工業(yè)分析指標(biāo)見表1。變徑脈動(dòng)氣流分選入料全水分適用范圍寬，變徑結(jié)構(gòu)和脈動(dòng)氣流能夠促進(jìn)物料在分選機(jī)內(nèi)分散，當(dāng)粉煤全水分低于20%時(shí)分選機(jī)內(nèi)物料無團(tuán)聚結(jié)塊現(xiàn)象，精煤灰分降低幅度不受影響。該粉煤全水分為18.81%，滿足分選要求。

表1 粉煤工業(yè)分析

通過篩分和浮沉試驗(yàn)分析煤質(zhì)特征。6～1mm粉煤浮沉試驗(yàn)結(jié)果見表2，其中1.30～1.40g/cm3密度級(jí)產(chǎn)率最高為71.11%，中間密度級(jí)含量少，矸石主要集中在+1.8g/cm3密度級(jí)，產(chǎn)率為10.69%。分別對(duì)6～0mm和1～0mm兩個(gè)粒級(jí)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)果見表3，6～1mm粉煤中各粒級(jí)灰分相差不大，總灰分為14.07%；-1mm粒級(jí)灰分最高為19.38%，含量也最高為40.28%。小篩分結(jié)果見表4，-1mm粉煤灰分隨粒度的降低而升高，其中-0.25mm粒級(jí)灰分和產(chǎn)率均最高，分選過程中這些高灰細(xì)粒隨氣流進(jìn)入輕產(chǎn)物污染精煤，因此對(duì)于氣流分選來說該粉煤屬于難選煤。

2.2 脈動(dòng)氣流分選結(jié)果

影響脈動(dòng)氣流分選效果的操作參數(shù)主要有總風(fēng)量、給料速度、脈動(dòng)風(fēng)量、脈動(dòng)風(fēng)頻率。其中總風(fēng)量決定分選密度，給料量、脈動(dòng)風(fēng)量、脈動(dòng)風(fēng)頻率影響分選精度。在給料速度130kg/h、脈動(dòng)風(fēng)量15m3/h、脈動(dòng)風(fēng)頻率0.5Hz時(shí)，開展單元試驗(yàn)，探究中試連續(xù)分選系統(tǒng)不同總風(fēng)量下的分選效果，總風(fēng)量選擇范圍為200～260m3/h，每組單元試驗(yàn)所得重產(chǎn)物由星型卸料器底部收集分析；輕產(chǎn)物由旋風(fēng)除塵器下方星型卸料器和布袋除塵器共同收集，其中旋風(fēng)除塵器下方星型卸料器產(chǎn)物可在每組單元試驗(yàn)結(jié)束后單獨(dú)采樣分析，布袋除塵器內(nèi)細(xì)灰的產(chǎn)率和灰分通過差減計(jì)算得到。試驗(yàn)結(jié)果見表5，隨著風(fēng)量的增加，重產(chǎn)物產(chǎn)率降低，灰分升高；輕產(chǎn)物產(chǎn)率增加，灰分先降低后升高。當(dāng)風(fēng)量較低時(shí)，粉煤未得到充分分選，一部分精煤損失在重產(chǎn)物中，風(fēng)量為200m3/h時(shí)，輕產(chǎn)物中6～1mm粒級(jí)精煤含量只有26.9%；隨著風(fēng)量增加，精煤損失降低，因此輕產(chǎn)物灰分降低；當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)增加，重產(chǎn)物產(chǎn)率下降，一部分高密度顆粒進(jìn)入輕產(chǎn)物中，使得輕產(chǎn)物灰分升高，當(dāng)風(fēng)量為260m3/h，重產(chǎn)物產(chǎn)率僅為5.63%。

表2 6～1mm粉煤浮沉試驗(yàn)表

表3 6～0mm粉煤篩分試驗(yàn)表

表4 1～0mm粉煤篩分試驗(yàn)表

對(duì)輕產(chǎn)物進(jìn)行1mm篩分，得到其中6～1mm粒級(jí)灰分，可見隨著總風(fēng)量降低，該部分灰分逐漸降低，其中最低灰分為9.26%，脈動(dòng)氣流對(duì)該粒級(jí)降灰效果明顯。但由于輕產(chǎn)物中含有大量的-1mm粒級(jí)高灰組分，分選效果受影響，導(dǎo)致所得輕產(chǎn)物灰分均高于14%，當(dāng)-6mm粉煤灰分從16.21%降至14.17%，精煤產(chǎn)率為87.74%。

表5 不同總風(fēng)量分選結(jié)果

2.3 脈動(dòng)氣流分級(jí)結(jié)果

針對(duì)寧東粉煤細(xì)粒級(jí)灰分高的煤質(zhì)特點(diǎn)，增加氣流分級(jí)流程，脫除-1mm粒級(jí)中細(xì)粒高灰粉煤，可輔助實(shí)現(xiàn)6～0mm粉煤脫灰提質(zhì)。采用恒定與脈動(dòng)氣流方式分別對(duì)-1mm粒級(jí)分級(jí)，脈動(dòng)氣流頻率為0.5Hz，比較不同方式的分級(jí)效果。對(duì)分級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行篩分分析，得到粗產(chǎn)物中各粒級(jí)分配率結(jié)果見表6。

表6 恒定與脈動(dòng)氣流分級(jí)結(jié)果表

以分配率50%為分級(jí)粒度，采用漢考克分離效率評(píng)價(jià)分級(jí)效果：

式中，α為入料中小于分級(jí)粒度的細(xì)粒級(jí)含量；β為細(xì)產(chǎn)物中小于分級(jí)粒度的細(xì)粒級(jí)含量；θ為粗產(chǎn)物中小于分級(jí)粒度的細(xì)粒級(jí)含量，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 恒定與脈動(dòng)氣流分級(jí)效率對(duì)比

由表7可知，隨著分級(jí)粒度的增加，恒定與脈動(dòng)氣流分級(jí)效率均增加；在97.5m3/h風(fēng)量條件下脈動(dòng)風(fēng)分級(jí)粒度略大于恒定風(fēng)；當(dāng)分級(jí)粒度相同時(shí)，恒定風(fēng)的分級(jí)效率高于脈動(dòng)風(fēng)分級(jí)效率，這也表明脈動(dòng)氣流方式有助于減弱分離過程粒度效應(yīng)，受顆粒密度因素影響，脈動(dòng)氣流分離過程中一部分低密度粗顆粒進(jìn)入輕產(chǎn)物，使得分級(jí)效率較低。由于分級(jí)環(huán)節(jié)所得溢流輕產(chǎn)物為高灰粉煤，應(yīng)減少此環(huán)節(jié)精煤損失，所以分級(jí)應(yīng)選擇恒定氣流方式。

2.4 聯(lián)合工藝分選結(jié)果

使用脈動(dòng)氣流分選與恒定氣流分級(jí)聯(lián)合工藝，可解決粉煤中-1mm粒級(jí)占比大、灰分高的問題，實(shí)現(xiàn)-6mm粉煤的脫灰提質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，比較了相同操作參數(shù)條件下“分選+分級(jí)”與“分級(jí)+分選”兩種組合方式的脫灰效果，其分選過程各產(chǎn)物數(shù)質(zhì)量如圖5和圖6所示。

圖5 “分選+分級(jí)”工藝數(shù)質(zhì)量流程

圖6 “分級(jí)+分選”工藝數(shù)質(zhì)量流程

從圖5和圖6可以看出，兩種工藝組合條件下精煤灰分為12.03%和12.32%，產(chǎn)率分別為55.04%和56.22%，均實(shí)現(xiàn)了較好的降灰效果；先分選時(shí)，所得重產(chǎn)物產(chǎn)率較高為9.12%，灰分為27.01%，入料中細(xì)粒級(jí)產(chǎn)物作為自生介質(zhì)，可優(yōu)化分選效果；先分級(jí)時(shí)，入料中細(xì)粒級(jí)首先分離出去，后續(xù)分選環(huán)節(jié)自生介質(zhì)作用減弱，這時(shí)重產(chǎn)物產(chǎn)率為6.16%，灰分為27.57%，分選降灰作用下降。上述對(duì)比表明，“分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝脫灰提質(zhì)效果好于“分級(jí)+分選”聯(lián)合工藝。

采用“分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝，探究不同風(fēng)量組合條件下降灰效果，見表8：當(dāng)分選風(fēng)量為270m3/h時(shí)，風(fēng)量較高導(dǎo)致煤中矸石未能有效分離出去，這時(shí)即使采用較大分級(jí)風(fēng)量，所得精煤灰分仍較高。在260m3/h分選風(fēng)量條件下，分級(jí)風(fēng)量越高，所得精煤產(chǎn)率和灰分越低，當(dāng)精煤產(chǎn)率為45.31%時(shí)，灰分可低至11.81%。當(dāng)分選風(fēng)量為230m3/h時(shí)，分選風(fēng)量較低，粒度較大的低密度顆粒易損失進(jìn)入重產(chǎn)物，從而導(dǎo)致最終精煤產(chǎn)率較低。綜上所述，分選風(fēng)量宜在260m3/h左右，分級(jí)風(fēng)量在78～95m3/h之間，灰分降幅超過20%，精煤產(chǎn)率高于50%，分選數(shù)量效率大于60%，可以實(shí)現(xiàn)較好的脫灰提質(zhì)效果。

表8 “分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝風(fēng)量組合

3 結(jié) 論

1)變徑脈動(dòng)氣流技術(shù)可用于-6mm粉煤脫灰提質(zhì)，是對(duì)現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用的干法選煤技術(shù)的發(fā)展；對(duì)于濕法選煤工藝也是一種有效補(bǔ)充，可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高資源利用率，特別適合缺水地區(qū)和遇水易泥化煤的分選。

2)6～1mm粒級(jí)變徑脈動(dòng)氣流分選效果較好，精煤灰分和產(chǎn)率隨著分選總風(fēng)量的降低而降低；6～0mm粉煤分選過程中-1mm粒級(jí)隨氣流進(jìn)入輕產(chǎn)物影響分選效果。

3)針對(duì)細(xì)粒級(jí)含量高、灰分高的粉煤，可增加氣流分級(jí)作業(yè)，分離出細(xì)粒級(jí)中的高灰粉煤，進(jìn)一步降低產(chǎn)品灰分；脈動(dòng)氣流與恒定氣流分級(jí)效果對(duì)比表明，恒定氣流分級(jí)效率較高，分級(jí)作業(yè)應(yīng)采用恒定風(fēng)。

4)設(shè)計(jì)了“分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝，細(xì)粒級(jí)作為自生介質(zhì)可提高分選效率，整體降灰效果好于“分級(jí)+分選”的組合方式；探究了“分選+分級(jí)”聯(lián)合工藝的風(fēng)量組合情況，結(jié)果表明，分選分量應(yīng)在260m3/h左右，分級(jí)風(fēng)量在78～95m3/h之間，對(duì)于灰分為16.21%原煤，灰分降幅超過20%，精煤產(chǎn)率高于50%；分選所得精煤可用于煤化工，混粉煤仍可作動(dòng)力煤使用。