原煤深度篩分的探析及實(shí)踐

孫樹(shù)亮

(鄂爾多斯市中北煤化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，預(yù)計(jì)2021年原煤產(chǎn)量高達(dá)38.5億t，將原煤進(jìn)行洗選加工處理是實(shí)現(xiàn)煤炭高效利用的重要過(guò)程，也是提高商品煤質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提[1-2]。但隨著機(jī)械化采煤技術(shù)的不斷提高，細(xì)顆粒煤量急劇增加，在治理煤塵時(shí)噴灑了大量水，使原煤水分大大增加(水分在10%～15%)，潮濕細(xì)粒級(jí)原煤在篩分過(guò)程中極易造成黏煤堵孔現(xiàn)象，造成篩面滯煤，篩分效率降低，給原煤洗選造成極大困難[3-4]。為解決潮濕細(xì)粒級(jí)物料難于深度篩分的難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多深入研究[5-6]。NORGATE T E等[7]研究了潮濕和黏性物料在篩上和篩下商品中的分布規(guī)律，并得到一個(gè)適用于濕黏細(xì)粒級(jí)物料的數(shù)學(xué)模型。HOLLINDERBAUMER E W等[8]通過(guò)對(duì)篩面進(jìn)行加熱并在原煤中添加吸水劑等相關(guān)措施來(lái)降低濕物料外在水分，克服篩面黏料和堵孔現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)大量科研人員也在濕黏細(xì)粒煤篩分的實(shí)踐中得出，提高原煤入選比例有利于提高商品煤的熱值[9-10]。盡管深度篩分技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但一般多用于水分低的原煤[11-12]。水分高、發(fā)熱量低、黏度大的原煤在洗選后雖會(huì)降低部分粒級(jí)的原煤灰分，但選后水分增加會(huì)大大影響原煤的發(fā)熱量，進(jìn)而降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

色連二礦位于鄂爾多斯高頭窯礦區(qū)，煤種以不黏煤為主，并有少量長(zhǎng)焰煤，均屬于低變質(zhì)程度、年輕的煙煤。由于煤化程度低，孔隙率和比表面積大，煤中氧碳比(O/C)大，親水極性官能團(tuán)多，導(dǎo)致原煤水分偏高。根據(jù)同一礦區(qū)同煤種、同煤層、同采煤方法的生產(chǎn)礦井提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，原煤全水分達(dá)到24%。高水分煤具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是黏度大、濕度大，容易造成傳統(tǒng)篩網(wǎng)堵塞，篩分效率低下，導(dǎo)致煤泥量增加；二是表現(xiàn)出吸水性，煤入水后水分大幅提高，對(duì)于比表面積大的細(xì)粒級(jí)原煤，煤入水后增加的水分比洗選后降低的灰分對(duì)發(fā)熱量的影響更大，部分粒級(jí)出現(xiàn)發(fā)熱量負(fù)增長(zhǎng)。

為解決上述問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外篩分技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[13-14]，該廠在高水分原煤入選工藝上創(chuàng)造性地提出深度篩分工藝，即將入選后發(fā)熱量大幅增加的各粒級(jí)入選，將入選后發(fā)熱量不增加甚至降低的各粒級(jí)直接旁路。實(shí)現(xiàn)深度篩分的核心設(shè)備是弛張篩，該設(shè)備在低水分原煤的淮南礦區(qū)率先獲得成功應(yīng)用，在高水分原煤的韓家村也通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)，獲得了較好的篩分效果，是解決高水分原煤篩分的重要設(shè)備。

1 創(chuàng)新研究

2012年11月至2013年6月，該廠先后考察調(diào)研了弛張篩的使用情況，與博后篩、香蕉篩相比，弛張篩具有以下特點(diǎn)：

(1)篩板作弛張運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)頻率為800次/min，干法篩分分級(jí)粒度可達(dá)3 mm，且分級(jí)效率高，原煤水分在5%時(shí)，6 mm分級(jí)篩分效率在90%左右。

(2)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，篩分機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件少，運(yùn)行可靠性高，日常維護(hù)工作量少，利用率高。與博后篩相比，電耗、油耗、故障率等大大降低。

(3)篩板的固定不需要任何螺栓，拆裝方便，使用壽命長(zhǎng)。

(4)篩分機(jī)安裝在中空的橡膠彈簧上，減振效果好，噪聲低，彈簧壽命長(zhǎng)；設(shè)備自帶除塵系統(tǒng)，產(chǎn)生粉塵量小。

(5)浮動(dòng)篩框振幅可調(diào)，最大振幅可達(dá)到18 mm。物料振動(dòng)強(qiáng)度在10～50 g內(nèi)可調(diào)，篩孔不容易堵塞，對(duì)難篩物料的篩分效率較高，可降低工人清理篩面的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(6)篩分效率高，篩面具有自清潔能力，適用范圍廣，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)量小，可以滿足深度篩分生產(chǎn)需要。

2 技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 原煤篩分資料

表1為色連二礦原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果。從表1可以看出：原煤灰分為23.73% ，為中灰煤；主導(dǎo)粒級(jí)為>50 mm粒級(jí)，產(chǎn)率為23.83%，灰分為25.27%；>13 mm粒級(jí)塊煤含量為53.00 %，累計(jì)灰分為25.09%。>13 mm各粒級(jí)灰分均高于原煤灰分，說(shuō)明塊煤含矸石量較多，塊煤通過(guò)洗選后灰分可明顯降低。<0.5 mm煤泥產(chǎn)率為5.02%，但是灰分為25.31%，高于鄰近各粒級(jí)的灰分，說(shuō)明矸石易碎。

表1 原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2為洗選前后各粒級(jí)發(fā)熱量變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 洗選前后各粒級(jí)發(fā)熱量變化

由表2可以看出：原煤經(jīng)洗選后，各粒級(jí)發(fā)熱量均可得到提高。當(dāng)粒度從150 mm減小至0.25 mm時(shí)，原煤洗選前后發(fā)熱量增量從2.71 MJ/kg降至1.49 MJ/kg，0.25～0 mm粒級(jí)物料洗選后發(fā)熱量不但沒(méi)有增加，反而降低了2.12 MJ/kg。經(jīng)測(cè)算，原因?yàn)樵航?jīng)洗選后灰分降低，但是水分增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)熱量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

綜上，隨著粒度的減小，發(fā)熱量提高的幅度越來(lái)越小，同時(shí)篩分效率降低，導(dǎo)致煤泥量大幅增加。因此確定最佳的分級(jí)粒度是深度篩分工藝各環(huán)節(jié)能力匹配的關(guān)鍵。

2.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

為了確定最佳分級(jí)粒度，分別對(duì)0、3、6、13 mm四種分級(jí)粒度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。其中，原煤及產(chǎn)品價(jià)格按照調(diào)研收集的鄰近礦井實(shí)際銷售價(jià)格，煤洗選成本按10元/t，工藝為1.8 g/cm3排矸，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為混煤(洗精煤、旁路原煤、壓濾煤泥等混合后的產(chǎn)品)。

(1)6 mm分級(jí)效率。6 mm分級(jí)在淮南礦業(yè)集團(tuán)的謝橋選煤廠和張集二號(hào)選煤廠篩分效率超過(guò)80%，但在色連二礦周邊的韓家村選煤廠工業(yè)試驗(yàn)中篩分效率為60%～80%，故據(jù)此將6 mm篩分效率取中間值70%。

(2)3 mm分級(jí)效率。3 mm分級(jí)在國(guó)內(nèi)高水分原煤中尚未得到運(yùn)用，設(shè)計(jì)分別按照分級(jí)效率為30%、40%、50%、60%、70%五個(gè)值進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同分級(jí)粒度時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益變化曲線

由圖1所知，從不同分選粒度的經(jīng)濟(jì)效益變化曲線進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)分選粒度為0，即原煤全部入選時(shí)經(jīng)濟(jì)效益要高于分選下限為13 mm。

(2)分選粒度為6 mm的經(jīng)濟(jì)效益要高于分選下限為0、13 mm。

(3)分選下限為3 mm時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益受分級(jí)效率波動(dòng)影響大。當(dāng)3 mm篩分效率低于50%時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益不如分選下限為6mm時(shí)；當(dāng)3 mm分級(jí)效率達(dá)到50%時(shí)，其經(jīng)濟(jì)效益與分選下限為6 mm時(shí)接近，但是優(yōu)勢(shì)不明顯；當(dāng)3 mm分級(jí)效率達(dá)到60%、70%時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益增幅明顯。由于3 mm篩分技術(shù)不成熟，分級(jí)效率要達(dá)到60%具有極大的風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)推薦采用6 mm分級(jí)，同時(shí)預(yù)留了3 mm分級(jí)的功能，以期獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 工藝流程

根據(jù)確定的分級(jí)粒度制定工藝流程：200～13 mm塊煤采用淺槽重介分選，13～6 mm末煤采用兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，<6 mm粉煤直接旁路。煤泥采用兩段濃縮、兩段回收工藝。

3 深度篩分技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

深度篩分技術(shù)在色連二礦選煤廠得到首次應(yīng)用。該技術(shù)很好地解決了原煤難篩、部分粒級(jí)原煤入選后發(fā)熱量不增反降的難題。色連二礦原煤具有高水分的特點(diǎn)，深度篩分技術(shù)的應(yīng)用，提高了產(chǎn)品發(fā)熱量，可帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。深度篩分技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)達(dá)到6 mm篩分，篩分效率為75%以上。

(2)設(shè)計(jì)中煤泥水系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量減少45%。

4 深度篩分技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 生產(chǎn)情況

色連二礦選煤廠于2015年4月進(jìn)入試生產(chǎn)階段，現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)安裝使用6臺(tái)弛張篩。兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，分別采用3臺(tái)賓得和3臺(tái)奧瑞弛張篩(篩板篩孔為6 mm)對(duì)原煤進(jìn)行篩分。由于在實(shí)際生產(chǎn)中很難精確地把篩分作業(yè)中的產(chǎn)品質(zhì)量稱出來(lái)，但可以按篩分作業(yè)的各產(chǎn)品比例進(jìn)行分析，從而測(cè)得篩分作業(yè)給料、篩下產(chǎn)物和篩上產(chǎn)物所通過(guò)篩孔尺寸的細(xì)粒級(jí)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)得出篩分效率(E)[15]，計(jì)算公式如下：

式中：α為原料中小于篩孔尺寸粒級(jí)的含量，%；β為篩下產(chǎn)品中小于篩孔尺寸粒級(jí)的含量，%；θ為篩上產(chǎn)品中小于篩孔尺寸粒級(jí)的含量，%。

表3是色連二礦對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)樣進(jìn)行采樣稱重計(jì)算統(tǒng)計(jì)的細(xì)粒級(jí)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。通過(guò)計(jì)算公式可以得出E1(賓得)=90.52%，E2(奧瑞)=81.01%。由此可見(jiàn)，弛張篩對(duì)細(xì)顆粒物料具有較好的篩分效果，且根據(jù)設(shè)備廠家的不同，篩分效率有所差異，但都達(dá)到了75%的設(shè)計(jì)要求。

表3 小于篩孔尺寸的細(xì)粒級(jí)質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)

4.2 礦井比較

色連二號(hào)礦井位于高頭窯礦區(qū)中部區(qū)域，北部為高頭窯礦，西部與城梁礦接壤，東部為色連一礦。其中城梁礦為在建礦井，且主要可采煤層均未揭露，僅有色連一礦、高頭窯礦井為生產(chǎn)礦井，且可采煤層、煤種、開(kāi)采方式等均與色連二號(hào)礦井基本相同。

4.2.1 高頭窯礦

高頭窯礦選煤廠設(shè)計(jì)能力為10 Mt/a，>13 mm塊煤采用淺槽重介分選+煤泥壓濾回收工藝。篩分系統(tǒng)僅配備了兩臺(tái)分級(jí)篩，篩分能力差，在篩分后直接將<13 mm粒級(jí)篩下物直接作為產(chǎn)品進(jìn)行摻配。在原煤條件不好的情況下，由于篩分能力不足無(wú)法篩透，只能更換篩板，13 mm篩板換成17 mm或25 mm篩板。高頭窯礦選煤廠2015年共計(jì)入選原煤5.44 Mt，銷售產(chǎn)品4.68 Mt，塊精煤及粗煤泥產(chǎn)率46.41%，末煤產(chǎn)率40%，混煤產(chǎn)品產(chǎn)率86.41%。其中原煤平均灰分為32.10%，水分為26.40%，發(fā)熱量為13.94 MJ/kg。塊精煤及粗煤泥混合產(chǎn)物灰分為8.54%，水分為25.20%，發(fā)熱量為20.18 MJ/kg。塊精煤與<13 mm末煤混合的最終產(chǎn)品灰分為19.26%，水分為27.75%，發(fā)熱量為16.49 MJ/kg。

4.2.2 色連一礦

色連一礦由內(nèi)蒙古同煤鄂爾多斯礦業(yè)投資公司建設(shè)，礦井生產(chǎn)能力為10 Mt/a，選煤廠生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a，采用淺槽重介+分級(jí)旋流器+板框壓濾機(jī)聯(lián)合工藝。<13 mm粒級(jí)旁路直接摻配到產(chǎn)品中，生產(chǎn)產(chǎn)品的發(fā)熱量分別為19.25 MJ/kg(產(chǎn)率40%)、16.24 MJ/kg(產(chǎn)率35%)。由于發(fā)熱量在15.91 MJ/kg以下的產(chǎn)品無(wú)銷路，只能廉價(jià)銷售，若將兩種產(chǎn)品混合，可成為發(fā)熱量在17.16 MJ/kg左右的混煤產(chǎn)品，但仍無(wú)法銷售。

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異，產(chǎn)品無(wú)銷路，色連一礦選煤廠現(xiàn)已停產(chǎn)。

4.2.3 色連二礦

色連二礦選煤廠屬于礦井型選煤廠，入選原煤來(lái)自色連二號(hào)礦井。建設(shè)規(guī)模與礦井相同，為10.00 Mt/a。該廠200～13(17)mm原煤采用淺槽重介分選機(jī)分選，13(17)～6 mm末原煤采用有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，<6 mm粉煤旁路，3～0.25 mm粗煤泥采用弧形篩+高頻篩+煤泥離心機(jī)脫水回收，<0.25 mm細(xì)煤泥經(jīng)兩段濃縮后采用篩網(wǎng)沉降式離心機(jī)和板框壓濾機(jī)聯(lián)合回收。

2015年色連二礦選煤廠入選原煤127萬(wàn)t，發(fā)熱量為12.35 MJ/kg；粉煤發(fā)熱量為11.89 MJ/kg，粉煤產(chǎn)率為26.65%；產(chǎn)品產(chǎn)量為72.66萬(wàn)t，發(fā)熱量為18.53 MJ/kg，產(chǎn)品產(chǎn)率為48.97%。2015年礦井生產(chǎn)的原煤大部分為礦井掘進(jìn)煤，幾乎無(wú)洗選及利用的可能，但通過(guò)深度篩分技術(shù)的應(yīng)用變廢為寶，為礦井生產(chǎn)了合格的產(chǎn)品及部分可以銷售的粉煤。

2016年色連二礦選煤廠入選原煤為294.6萬(wàn)t，發(fā)熱量為14.86 MJ/kg；粉煤發(fā)熱量為14.61 MJ/kg，粉煤產(chǎn)率為34.09%；產(chǎn)品產(chǎn)量為212.27萬(wàn)t，發(fā)熱量為18.41 MJ/kg，產(chǎn)品產(chǎn)率為81.59%。在同樣的原煤煤質(zhì)條件下，色連二礦選煤廠通過(guò)采用深度篩分技術(shù)，不僅滿足了用戶的產(chǎn)品要求，還獲得了較高的回收率。

5 結(jié)語(yǔ)

高頭窯礦隸屬的集團(tuán)公司內(nèi)部有自營(yíng)的電廠，無(wú)論何種產(chǎn)品都可以內(nèi)部消化，不影響礦井效益。色連一礦已經(jīng)由于銷路及效益問(wèn)題處于停產(chǎn)狀態(tài)。

色連二礦克服眾多不利的影響因素，通過(guò)使用深度篩分技術(shù)，將礦井生產(chǎn)的原煤進(jìn)行了洗選，最大限度地發(fā)揮了選煤廠的加工功能。色連二礦選煤廠粉煤產(chǎn)率為30.55%，2015年將低質(zhì)的工程煤進(jìn)行了洗選，生產(chǎn)出72.66萬(wàn)t的商品煤，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益5 086萬(wàn)元。色連二礦選煤廠將深度篩分技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中，具有較高的創(chuàng)新性，實(shí)踐證明該項(xiàng)技術(shù)是可行的、成功的。