潘集選煤廠重介質(zhì)懸浮液循環(huán)的定量分析

丁光耀，吳大為，桂洋洋，倪恒球，苑金朝，葉樹強

(1.北京國華科技集團有限公司，北京 101300；2.淮河能源集團選煤分公司潘集選煤廠，安徽 淮南 232082)

1 概 述

原料煤是在重介選煤設(shè)備的重介質(zhì)懸浮液中依據(jù)密度差異來實現(xiàn)分選的。因此，在生產(chǎn)中需要預(yù)先配置好循環(huán)使用的合格重介質(zhì)懸浮液，合格重介質(zhì)懸浮液是固、液二相粗分散體系，其中固相又是磁性物、非磁性物2種成分的混合物。確切地講非磁性物也可分成兩部分，一是原料煤中攜帶的大量煤泥，二是混雜的極少量非磁性物雜質(zhì)，為表述方便，本文統(tǒng)將非磁性物統(tǒng)稱為煤泥。

由圖1可知，配制成一定密度的合格重介質(zhì)懸浮液和經(jīng)潤濕的原料煤進入三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選出精煤、中煤和矸石，經(jīng)弧形篩預(yù)先脫除的重介質(zhì)懸浮液分流一部分和產(chǎn)品脫介篩的稀介質(zhì)分別由精煤、中煤、矸石磁選機處理，帶有少量水和煤泥的磁選精礦重新返回重介質(zhì)懸浮液，大量的煤泥和水由磁選尾礦攜帶而到煤泥水系統(tǒng)。適量的循環(huán)水和磁鐵礦粉補加到合格介質(zhì)桶，以保持合格重介質(zhì)懸浮液的動態(tài)平衡。

有關(guān)重介質(zhì)懸浮液循環(huán)的定量分析，尤其是21世紀(jì)以來，我國大力推廣使用的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的定量分析，鮮見于公開發(fā)表的專業(yè)刊物中。

圖1 三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的重介質(zhì)懸浮液循環(huán)示意

2 重介質(zhì)懸浮液的數(shù)質(zhì)量分布

本文引用的資料是潘集選煤廠于2018年12月完成的工業(yè)性試驗的翔實數(shù)據(jù)，該廠是年處理能力為12.0 Mt的特大型煉焦煤選煤廠，共有4套生產(chǎn)系統(tǒng)，每套生產(chǎn)系統(tǒng)配置1臺3GDMC1500/1100A型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。其工藝流程如圖2所示。

該廠采用選前不脫泥、不分級的無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝。來自準(zhǔn)備車間的50～0 mm粒級原料煤經(jīng)預(yù)先潤濕后，進入重介質(zhì)旋流器分選，攜帶重介質(zhì)懸浮液的精煤，經(jīng)弧形篩預(yù)先脫介，脫除的重介質(zhì)懸浮液部分分流至煤泥重介旋流器入料桶，其余返回合格介質(zhì)桶，其篩上物進脫介篩處理，脫介篩上的精煤，再經(jīng)離心機脫水，成為最終精煤產(chǎn)品，脫介篩篩下水自流至精煤磁選機，其精礦返回合格介質(zhì)桶，其尾礦去精煤泥弧形篩。分流重介質(zhì)懸浮液經(jīng)煤泥重介質(zhì)旋流器分選，其溢流送至精煤磁選機處理，其底流則送至中煤磁選機處理。

圖2 潘集選煤廠重介質(zhì)旋流器分選工藝流程

重介質(zhì)旋流器分選出的攜帶重介質(zhì)懸浮液的中煤經(jīng)弧形篩預(yù)先脫介，篩下重介質(zhì)懸浮液返回合格介質(zhì)桶；其篩上物進脫介篩處理，脫介篩篩上中煤經(jīng)離心機脫水，成為最終中煤產(chǎn)品；其篩下稀懸浮液至中煤磁選機處理，磁選精礦返回合格介質(zhì)桶，磁選尾礦進入后續(xù)煤泥水系統(tǒng)處理。

重介質(zhì)旋流器分選出的矸石攜帶重介質(zhì)懸浮液，經(jīng)弧形篩預(yù)先脫介，篩下重介質(zhì)懸浮液返回合格介質(zhì)桶，其篩上物進入脫介篩，脫介篩的篩上物為矸石，最終送出廠外。篩下稀懸浮液由矸石磁選機處理，其精礦返回合格介質(zhì)桶，其尾礦進入后續(xù)煤泥水系統(tǒng)處理。

1號生產(chǎn)系統(tǒng)的重介質(zhì)懸浮液的數(shù)量分布見表1。該系統(tǒng)實際給煤量為570 t/h，原料煤含水分為5.20%，小于0.5 mm粒級煤泥含量(以干重計)為21.11%。

根據(jù)重介質(zhì)旋流器單機試驗的50～0.5 mm粒級原料煤和選后產(chǎn)品的密度組成，計算出精煤、中煤、矸石的產(chǎn)率分別為45.35%、28.20%、26.45%。實測精煤、中煤、矸石所攜帶的重介質(zhì)懸浮液濃度分別為390 g/L、950 g/L、1 330 g/L，磁性物含量分別為41.83%、69.63%、78.08%。

合格介質(zhì)泵的流量按設(shè)計考慮為2 500 m3/h，實測其密度為1.38 kg/L。原料煤在進入旋流器之前，用105.69 m3/h的合格懸浮液和105.69 m3/h循環(huán)水(濃度為0.5 g/L)進行潤濕。隨原料煤帶進了114.1 t/h的煤泥，融為了重懸浮液的一部分，因此在分選設(shè)備中實際參與分選的重懸浮液流量增為2 718.14 m3/h。

依據(jù)以上情況，可建立3個平衡式：即懸浮液流量平衡、磁性物總量平衡和懸浮液密度平衡。

懸浮液流量平衡：V1+V2+V3=2718.14 m3/h

磁性物總量平衡：V1Gf1+V2Gf2+V3Gf3=1009.1 t/h

懸浮液密度平衡：(V1ρ1+V2ρ2+V3ρ3)/2718.1=1.36 kg/L

式中：V1、V2、V3分別為精煤、中煤、矸石所攜帶的重介質(zhì)懸浮液流量，m3/h；Gf1、Gf2、Gf3分別為精煤、中煤、矸石所攜帶重介質(zhì)懸浮液的磁性物含量，%；ρ1、ρ2、ρ3分別代表精煤、中煤、矸石所攜帶重介質(zhì)懸浮液的密度，kg/L。

則得：V1=1 953.96 m3/h，V2=273.54 m3/h，V3=490.58 m3/h。

以此又可計算出進入第二段旋流器的重介質(zhì)懸浮液流量。

即：273.54+490.58=764.12 m3/h

結(jié)合工業(yè)性試驗的實測數(shù)據(jù)，進而可得重懸浮液的數(shù)量分布(見表1)。

表1 重懸浮液的數(shù)質(zhì)量分布

在重介質(zhì)旋流器的離心力場中，不但是大于0.5 mm粒級原料煤按密度的差異分選出精煤、中煤和矸石，而且由磁性物、煤泥和水所構(gòu)成的重介質(zhì)懸浮液本身，也受到離心力的影響。水體因密度小，受到的離心力也就小，所以有3/4趨向于第一段旋流器的溢流管隨精煤流出；磁性物密度大，受到的離心力也大，因此只有30%左右的細粒級混在精煤溢流中；煤泥因其密度遠小于磁性物，除粗顆粒外，也有近3/4隨精煤流出。

綜上，進入重介質(zhì)旋流器的重介質(zhì)懸浮液中有3/4以上隨精煤攜帶而出，因其磁性物數(shù)量少，所以密度由1.36 kg/L降到了1.20 kg/L；進入第二段旋流器的懸浮液因水流量小，磁性物量分布量達68.41%，所以密度升至1.77 kg/L，在第二段旋流器的離心濃縮作用下，底流中富集了一半的磁性物，而水量僅是入料的15.77%，致使矸石攜帶的懸浮液密度高至1.86 kg/L。

圖3 重介質(zhì)懸浮液數(shù)量分布

表2 分選后的重介質(zhì)懸浮液、磁性物、水體、煤泥的分布

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制了重介質(zhì)懸浮液的數(shù)量分布圖(見圖3)。根據(jù)圖3所示，可用表2中的數(shù)據(jù)加以匯總。該圖可更加直觀地表現(xiàn)懸浮液、磁性物、煤泥、水在旋流器分選前后的數(shù)量變動情況，圖中各個圓的面積大小，反映的是各個階段懸浮液流量的多少，此處的流量也可理解為單位時間內(nèi)各懸浮液的體積。圖中的磁性物、煤泥、水所占有面積是這三者質(zhì)量(t/h)的百分比值。

從圖3中可以清楚地看到，選后產(chǎn)品所攜帶的懸浮液中煤泥量變動的幅度較小，而由于重介質(zhì)旋流器的離心濃縮效應(yīng)，磁性物與水的變動幅度是格外顯著的。

3 磁性物回收和循環(huán)指標(biāo)

3.1 磁性物回收

潘集選煤廠磁選作業(yè)指標(biāo)和工藝效果見表3。

表3 磁選作業(yè)指標(biāo)和工藝效果

從表3可知：

(1)各磁選作業(yè)共處理1 016.9 m3/h的礦漿，礦漿中攜帶了89.28 t/h的磁性物(占合格介質(zhì)循環(huán)量的8.83%)，回收了89.16 t/h，只損失0.12 t/h，磁性物回收率竟達99.87%，突破了磁選機廠商的指標(biāo)99.80%。磁選精礦中煤泥含量僅為7.76%，煤泥脫除率高至93.69%，以上數(shù)據(jù)佐證了潘集選煤廠工程設(shè)計中對磁選機的選型是正確合理的，管理操作水平也是先進的。

(2)精煤磁選作業(yè)處理的礦漿量最大，其密度較低，磁性物粒度細，所以磁性物回收率略低一些，為99.68%。

(3)中煤磁選作業(yè)所回收的磁性物量最大，由于其入料濃度高至332.98 g/L，致使其煤泥脫除率低了一些，為80.14%。

(4)磁選效率=磁性物回收率+煤泥脫除率-100%，相比之下，矸石磁選作業(yè)的磁選效率最高為94.75%。

3.2 磁性物循環(huán)指標(biāo)

對重介質(zhì)懸浮液的循環(huán)提出2項指標(biāo)。

3.2.1 循環(huán)系數(shù)

循環(huán)系數(shù)a的定義是某種循環(huán)物質(zhì)的循環(huán)量(t/h)與所添加(或進入)的該物質(zhì)(t/h)的比值(見圖4)。

圖4 磁性物循環(huán)示意

圖4中Q1是返回合格介質(zhì)桶的循環(huán)磁性物的質(zhì)量，它是由二部分組成：大部分是脫介弧形篩篩下以及脫介篩合介段的重介質(zhì)懸浮液，另一部分是磁選機回收的精礦。

添加到合格介質(zhì)桶的磁性物Q0與Q1匯合后，由合格介質(zhì)泵送到重介質(zhì)旋流器的合格重介質(zhì)懸浮液為Q2，其計算式為：

循環(huán)系數(shù)是動態(tài)值，即循環(huán)量與添加量的比值，添加量多少是根據(jù)分選過程中磁性物損失量，需要維持磁性物循環(huán)的動態(tài)平衡而決定的。

根據(jù)工業(yè)性試驗報告，重介選產(chǎn)品中的磁性物損失量見表4。

表4 磁性物損失量

從表1可知，合格循環(huán)重介質(zhì)懸浮液中磁性物Q2=1 009.14 t/h

K值越大就意味著磁性物損失(添加)量就越小。本次工業(yè)性試驗測定潘集選煤廠磁性物技術(shù)損耗是每入選1 t原料煤損失0.48 kg，磁性物循環(huán)系數(shù)高達4 204.8，是潘集選煤廠噸煤介耗列入國際先進水平的真實寫照。

3.2.2 靜態(tài)置換時間

靜態(tài)置換時間是以小時為單位的指標(biāo)。置換系數(shù)b的定義是靜態(tài)的合格懸浮液中，磁性物被其所添加(或進入)的質(zhì)量所置換的時間(以小時計)。其計算為：

式中：t1為靜態(tài)條件下磁性物的質(zhì)量，t；t0為被添加(或進入)的磁性物的質(zhì)量，t/h。

由此可見，由于長時間循環(huán)導(dǎo)致磁性物與外購的磁鐵礦粉在粒度、密度組成以及磁性強度方面形成的差異，是值得人們進行深入研究分析的。

4 水體和煤泥的循環(huán)指標(biāo)

原料煤帶進重介質(zhì)旋流器中的煤泥要及時排出，以維持它在重介質(zhì)懸浮液內(nèi)適中的含量，煤泥是以重介質(zhì)懸浮液形態(tài)排至后續(xù)作業(yè)的。由于在重介質(zhì)懸浮液中煤泥和水的各自比例不同，所以它們的循環(huán)指標(biāo)也不盡相同。

4.1 水的循環(huán)指標(biāo)

水體在重介質(zhì)懸浮液中循環(huán)示意如圖5所示，水體在重介質(zhì)懸浮液系統(tǒng)中外排有2種形式，一是重介選產(chǎn)品所攜帶的水量，這些水量是少量的；二是以重介質(zhì)懸浮液形式分流出來。對于潘集選煤廠而言，是分流到煤泥重介質(zhì)旋流器，該旋流器的輕、重產(chǎn)物分別到精煤磁選機或中煤磁選機。它們攜帶的水量見表5。

圖5 水體循環(huán)示意

表5 循環(huán)重介質(zhì)懸浮液中外排水量

4.2 煤泥的循環(huán)指數(shù)

煤泥在重介質(zhì)懸浮液中的循環(huán)示意如圖6所示。煤泥在重介質(zhì)懸浮液循環(huán)系統(tǒng)中排出的2個途徑：一是重介選產(chǎn)品所攜帶的煤泥， 這些煤泥在數(shù)量上極有限的；二是以重介質(zhì)懸浮液形式分流出來。為保持在循環(huán)重介質(zhì)懸浮液中煤泥濃度在一個合適范圍，必須從合格懸浮液中進行分流，這股分流出來的懸浮液可以直接到精煤磁選機進行脫泥凈化，也可以像潘集選煤廠那樣由煤泥重介質(zhì)旋流器再進行分選。此分流量的大小直接決定原料煤不分級、不脫泥重介選煤工藝的成敗。

圖6 煤泥循環(huán)示意

5 結(jié) 語

以潘集選煤廠工業(yè)性試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對其重懸浮液循環(huán)作了定量分析，重懸浮液中的磁性物、水體和煤，以各自的比例分布在重介質(zhì)懸浮液中，隨后又以不同的比例分布在精煤、中煤、矸石產(chǎn)品所攜帶的重介質(zhì)懸浮液中，文中以圖示比例形式更直觀形象地描述了上述的分布情況。

采用了2項指標(biāo)來反映磁性物、水體、煤泥的循環(huán)情況，一是動態(tài)指標(biāo)—循環(huán)系數(shù)，二是靜態(tài)指標(biāo)—置換時間。

對于重介質(zhì)選煤廠重介質(zhì)懸浮液循環(huán)的研究，從目前的情況來看，還是遠遠不夠的，希望本文能起到拋磚引玉的效果，有助于人們?nèi)?、深入的研究?/p>