烏東煤礦原煤可選性分析及選煤工藝研究

巴玉龍

(國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司 烏東洗選廠，新疆 烏魯木齊 830027)

煤炭洗選在我國(guó)煤炭資源開發(fā)中占據(jù)著重要地位。在中央《煤炭開采和洗選業(yè)行業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》中，明確提出至2020年煤炭開采和洗選行業(yè)目標(biāo)，即整體增長(zhǎng)幅度應(yīng)在30%以上。為響應(yīng)煤炭行業(yè)發(fā)展要求和滿足能源需求，各地也相繼出臺(tái)地方指導(dǎo)性促進(jìn)政策，以實(shí)現(xiàn)行業(yè)滲透率提升。在此背景下，煤炭開采和洗選行業(yè)享受到豐富的政策紅利，使行業(yè)發(fā)展迎來(lái)前所未有之機(jī)遇。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在煤炭洗選行業(yè)較為注重對(duì)新型工藝的應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新，而我國(guó)則更側(cè)重于規(guī)模建設(shè)，在洗選工藝上仍然存在巨大差距，致使我國(guó)煤炭洗選行業(yè)受到扼制。根據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)全年煤炭開采和洗選業(yè)總收入2.266萬(wàn)億元，增幅達(dá)到5.5%，利潤(rùn)總額為2 882億元，增幅為5.2%。2020年將進(jìn)一步擴(kuò)大洗選中心配套規(guī)模，注重選煤設(shè)施的改造升級(jí)，使原煤入選能力達(dá)到32億t以上，入選率實(shí)現(xiàn)75%的全新突破。

1 烏東選煤廠煤炭洗選概況

洗選中心烏東選煤廠位于烏魯木齊市東郊，距市區(qū)40 km，行政歸屬為烏魯木齊市米東區(qū)。近年來(lái)，隨著煤炭市場(chǎng)需求的增加，為適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展格局，提升煤炭洗選能力和實(shí)現(xiàn)資源整合，實(shí)現(xiàn)礦井集中出煤、集中排水，公司提出了“四礦聯(lián)合技術(shù)改造”項(xiàng)目，以此推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。洗選中心烏東選煤廠由原鐵廠溝、堿溝、大洪溝和小紅溝等4個(gè)生產(chǎn)礦井構(gòu)成，依托對(duì)各煤礦資源的整合開發(fā)，加強(qiáng)對(duì)煤炭深部煤炭資源的聯(lián)合利用。地緣上，烏東井田地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬博格達(dá)山前丘陵地形。

洗選中心烏東選煤廠是國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限公司下屬企業(yè)，主要服務(wù)于烏東煤礦。烏東選煤廠作為大型、礦井型選煤廠，設(shè)計(jì)年處理原煤量為8.00 Mt/a，每小時(shí)可處理1 515.15 t原煤。主要由該礦生產(chǎn)原煤6.0 Mt/a，以及六道灣煤礦、葦湖梁煤礦及周邊小煤礦2.0 Mt/a外來(lái)煤組成，從運(yùn)輸方式上看，該礦以帶式輸送機(jī)進(jìn)行原煤運(yùn)輸，外來(lái)煤則采取汽車運(yùn)輸入廠。

2 烏東煤礦原煤可選性分析

經(jīng)烏東煤礦生產(chǎn)煤樣分析，包括鐵廠溝、堿溝、小紅溝及大洪溝等煤礦，粒度>13 mm塊煤含量平均為49.73%，在烏東煤礦設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，將原煤粒度>13 mm塊煤產(chǎn)率以50%計(jì)。

2.1 篩分分析

根據(jù)原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)原煤粒度級(jí)為25～13 mm、3～0.5 mm時(shí)，其產(chǎn)率相對(duì)較低，其余產(chǎn)率變化幅度微弱。參考所提供的原煤樣本數(shù)據(jù)，+50 mm級(jí)矸石產(chǎn)率占比為7.35%，在本粒級(jí)中占比為33.55%，由此確定樣本為高含矸量煤，應(yīng)對(duì)煤塊采取排矸處理。另外，原煤粉分與粒度級(jí)間比例關(guān)系為，灰分隨粒度變小而降低，但粒度<0.5 mm粉煤灰分則例外，其增幅甚至達(dá)到27.47%，由此可見，高灰分物在粒度<0.5 mm原生煤泥中含量較大。

2.2 浮沉分析

原煤篩分浮沉試驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同原煤粒級(jí)中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值為1.40 g/cm3時(shí)，密度物含量可達(dá)51.88%以上，且灰分相近；當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值為1.5～2.0 g/cm3時(shí)，則密度物含量較少；當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)密度>2.0 g/cm3時(shí)，矸石含量高，且隨原煤粒級(jí)減小而逐步降低。當(dāng)原煤粒度>13 mm時(shí)，矸石含量為26.72%～36.87%，含量較高，需分選排矸。另外，當(dāng)粒度<50 mm時(shí)，則浮沉煤泥灰分顯著高于原生煤泥灰分，由此可以發(fā)現(xiàn)矸石易泥化的特點(diǎn)。

2.3 可選性分析

通過(guò)煤礦實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析，200～13 mm級(jí)原煤可選性曲線如圖1所示。

圖1 200～13 mm級(jí)原煤可選性曲線Fig.1 Washability curve of 200 ～ 13 mm grade raw coal

由煤礦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在烏東選煤廠200～13 mm級(jí)原煤中，極難選煤標(biāo)準(zhǔn)：分選密度達(dá)到1.30 g/cm3，δ±0.1含量為84.64%；中等可選煤標(biāo)準(zhǔn)：分選密度為1.40 g/cm3，δ±0.1含量為19.25%；易選煤標(biāo)準(zhǔn)：分選密度為1.50～1.90 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量<10.0%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析，13.0～0.5 mm級(jí)原煤可選性曲線如圖2所示。

圖2 13.0～0.5mm級(jí)原煤可選性曲線Fig.2 Washability curve of 13.0～0.5 mm grade raw coal

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，烏東選煤廠對(duì)于13.0～0.5 mm級(jí)原煤，極難選煤標(biāo)準(zhǔn)：分選密度為1.30 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量為90.93%；中等可選煤標(biāo)準(zhǔn)：分選密度為1.40 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量為12.08%；易選煤標(biāo)準(zhǔn)：分選密度為1.50～1.90 g/cm3時(shí)，δ±0.1的含量<10.0%。

3 煤炭洗選設(shè)備選型

針對(duì)烏東選煤廠煤炭洗選實(shí)際，以洗選中心建設(shè)為核心，在設(shè)備選型中制定先進(jìn)、節(jié)能、可靠、高效的先用指標(biāo)，盡量以國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備為主，配合引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)成熟技術(shù)設(shè)備，形成了較為完善的設(shè)備保障體系，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外技術(shù)設(shè)備集中融合應(yīng)用。另外，在設(shè)備先型時(shí)兼顧通用性，運(yùn)用系列化采購(gòu)和選擇的理念，為后續(xù)設(shè)備的組合與升級(jí)預(yù)留空間，同時(shí)便于零部件的配備。烏東選煤廠煤炭洗選工藝設(shè)備選型見表1。

表1 烏東選煤廠工藝設(shè)備選型Tab.1 Selection of process equipment in Wudong Coal Preparation Plant

4 分選粒級(jí)、選煤方法及工藝流程

4.1 分選粒級(jí)

烏東選煤廠分選粒限為200～13 mm，13～0 mm末煤不入洗。即原煤入廠前將粒度>200 mm的特大塊產(chǎn)品篩出，直接作為民用產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)銷售。烏東選煤廠入場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)為200～0 mm的各粒級(jí)原煤。根據(jù)原煤篩分浮沉試驗(yàn)資料，烏東選煤廠所洗選的原煤中，矸石含量較高的為粒度>13 mm粒級(jí)原煤，占比在26.72%～36.87%，需要進(jìn)行排矸。當(dāng)原煤粒級(jí)<13 mm時(shí)，原煤灰分為22.93%，將無(wú)法滿足產(chǎn)品應(yīng)用需求。由此可知，烏東選煤廠在分選料級(jí)時(shí)，應(yīng)將分選下限設(shè)置為13 mm，并借助混合13～25 mm塊精煤的方式，改善其產(chǎn)品應(yīng)用效果和質(zhì)量。因此，烏東選煤廠應(yīng)以200～13 mm為分選粒限。另外，通過(guò)對(duì)煤炭產(chǎn)品供應(yīng)消費(fèi)市場(chǎng)需求，烏東選煤廠混煤產(chǎn)品主要用戶是電廠、集中供熱鍋爐等行業(yè)，由于較大的需求及長(zhǎng)期的合作前景，因此，烏東選煤廠將混煤產(chǎn)品作為主導(dǎo)，對(duì)13～0 mm末煤不入洗，預(yù)留末煤洗選的可能性。

4.2 選煤方法

目前，烏東煤礦根據(jù)其煤質(zhì)的特點(diǎn)，在煤炭洗選加工中主要以粒度>13 mm級(jí)塊煤排矸為主，采用的塊煤排矸方法主要有2種，即塊煤動(dòng)篩跳汰排矸和塊煤重介分選排矸。

(1)動(dòng)篩跳汰排矸屬簡(jiǎn)便型方法，包括工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單、能耗低、投資少等特點(diǎn)，在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中管理便利，維護(hù)工作簡(jiǎn)單，水資源使用量較少。但由于其工藝技術(shù)單一，其入選下限相對(duì)較高，僅能達(dá)到25 mm，而烏東選煤廠在生產(chǎn)中涉及大量粒度>13 mm塊煤篩選及13 mm以下末煤加工，因此，該技術(shù)應(yīng)用渠道較為狹窄。

(2)重介分選排矸與前述技術(shù)相比，具備精度高、自動(dòng)化程度高、煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，并且其單機(jī)處理效率較高。但也存在相應(yīng)的技術(shù)弊端，即系統(tǒng)更為復(fù)雜，高技術(shù)配套設(shè)備眾多，增加了選煤投入和生產(chǎn)成本。相比之下，重介分選排矸技術(shù)可以滿足13 mm的分選粒度下限，且能夠較好適應(yīng)煤質(zhì)及市場(chǎng)變化，對(duì)于生產(chǎn)調(diào)整具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此在烏東選煤廠被重點(diǎn)應(yīng)用，作為主要的排矸技術(shù)。

4.3 工藝流程

烏東選煤廠在煤炭洗選中，具體工藝流程：①原煤預(yù)先按照200 mm進(jìn)行初篩，將粒度>200 mm塊煤以手選揀矸方式篩選，作為特大塊產(chǎn)品。再將粒度200～0 mm原煤按照13 mm進(jìn)行分級(jí)，13 mm以下末原煤可直接作為混煤產(chǎn)品。②使用篩孔為φ3 mm的脫泥篩，對(duì)粒度>13 mm塊煤進(jìn)行脫泥，再將脫泥后原煤加入重介淺槽分選機(jī)實(shí)施分選作業(yè)，將矸石和洗塊煤選出。③應(yīng)用篩孔為φ1 mm和φ25 mm脫介篩對(duì)洗塊煤實(shí)施脫介分級(jí)，篩孔為φ100 mm分級(jí)篩主要對(duì)粒度>25 mm的塊煤分級(jí)，將其劃分為100～25 mm洗混中塊及200～100 mm的洗大塊產(chǎn)品，同時(shí)預(yù)留破碎至50 mm以下，從而為粒度<13 mm末原煤摻混預(yù)留空間。④采用離心機(jī)對(duì)25～1 mm洗末煤脫水，將其混合于末原煤中，用篩孔為φ1 mm脫介篩對(duì)矸石脫介，使之作為最終矸石。洗選中心烏東選煤廠設(shè)備流程如圖3所示。

圖3 洗選中心烏東選煤廠設(shè)備流程Fig.3 Equipment process of Wudong Coal Preparation Plant of washing center

根據(jù)烏東煤礦煤質(zhì)及矸石特性，其均存在不同程度泥化現(xiàn)象，其中個(gè)別采區(qū)泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，從泥化后的結(jié)構(gòu)看，其細(xì)泥灰分往往較高，因而針對(duì)烏東煤礦的煤泥回收技術(shù)，應(yīng)粗、細(xì)煤泥實(shí)施分別回收。粗煤泥回收后可制成混合煤，用于發(fā)電行業(yè)，而細(xì)煤泥則可視情進(jìn)行利用或者排棄。粗煤泥回收一般使用加壓過(guò)濾機(jī)、長(zhǎng)筒篩網(wǎng)沉降離心機(jī)及煤泥離心機(jī)等設(shè)備，烏東選煤廠根據(jù)各煤礦煤質(zhì)特點(diǎn)，選取篩網(wǎng)沉降離心機(jī)作為煤泥回收設(shè)備。傳統(tǒng)技術(shù)視域下，細(xì)煤泥回收以板框式壓濾機(jī)為主，隨著技術(shù)的更迭與發(fā)展，烏東選煤廠開始應(yīng)用快開式隔膜壓濾機(jī)，該設(shè)備能夠增加濾室容積，使濾餅水分下降至20%內(nèi)，從而使處理效率顯著增強(qiáng)。

在介質(zhì)回收及凈化流程中，針對(duì)稀介質(zhì)可以采用磁選設(shè)備直接磁選，并對(duì)磁選尾礦進(jìn)行脫泥作業(yè)，將磁選精礦返回至合格介質(zhì)桶，回收介質(zhì)及新介質(zhì)均采取循環(huán)方式補(bǔ)充至介質(zhì)桶。在煤泥水處理方面，烏東選煤廠利用所采取的設(shè)備流程方案，主要采取2段濃縮及兩段回收處理工藝流程。具體工藝流程為：在濃縮時(shí)利用濃縮旋流器對(duì)煤泥進(jìn)行濃縮，在進(jìn)入煤泥離心機(jī)后實(shí)施脫水，將脫水后的煤泥制作為混煤。在回收處理工藝中，第1段主要利用濃縮機(jī)對(duì)溢流的煤泥進(jìn)行濃縮，經(jīng)篩網(wǎng)沉降至離心機(jī)實(shí)施脫水作業(yè)，將粗煤泥回收后摻入混煤；第2段是通過(guò)離心機(jī)的濾液進(jìn)行第2段濃縮，再應(yīng)用壓濾機(jī)對(duì)細(xì)煤泥進(jìn)行回收。同時(shí)，流程中可以將濃縮機(jī)溢流及壓濾機(jī)壓濾水循環(huán)利用，使洗選工藝更加環(huán)保節(jié)能，實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)和煤泥的廠內(nèi)回收。

4.4 選煤工藝流程計(jì)算公式

依據(jù)烏東選煤廠所確定工藝流程及工作制度，選煤工藝流程計(jì)算需要參照基礎(chǔ)資料。工藝流程計(jì)算包括數(shù)質(zhì)量流程計(jì)算、水量流程計(jì)算、介質(zhì)流程計(jì)算及產(chǎn)品最終平衡表等內(nèi)容。

(1)數(shù)質(zhì)量流程計(jì)算。數(shù)質(zhì)量流程計(jì)算公式：

Qn=Qirn%

(1)

式中，Qn為小時(shí)作業(yè)處理量；Qi為選煤廠小時(shí)作業(yè)量；rn為作業(yè)量百分比。

(2)水量流程計(jì)算。水量流程計(jì)算公式：

(2)

式中，Wn為單位時(shí)間內(nèi)作業(yè)水量；Mtn為產(chǎn)品水分比例；Qn為小時(shí)作業(yè)處理量。

經(jīng)烏東選煤廠工藝流程計(jì)算，篩分作業(yè)中，應(yīng)用篩孔φ13 mm實(shí)施原煤預(yù)選分級(jí)，其效率η=85%；應(yīng)用篩孔φ3 mm實(shí)施塊原煤脫泥，其效率η=95%。分選作業(yè)中，分選密度δ=1.78 g/cm3；重介分選可能偏差值為Ep=0.03；次生煤泥產(chǎn)率為2.0%。在烏東選煤廠水量流程計(jì)算中，洗煤過(guò)程循環(huán)水量為693.74 m3/h；清水量為52.98 m3/h。產(chǎn)品消耗水量52.98 m3/h；計(jì)算應(yīng)補(bǔ)充清水量52.98 m3/h。烏東選煤廠最終產(chǎn)品平衡表見表2。

表2 最終產(chǎn)品平衡表(塊精煤25 mm分級(jí))Tab.2 Final product balance sheet (lump clean coal 25 mm classification)

5 總結(jié)

烏東選煤廠目前的產(chǎn)品主要由洗大塊(粒度200～100 mm)、洗混中塊(粒度100～25 mm)及混煤(粒度25～0.5 mm)等構(gòu)成，采用重介淺槽分選機(jī)分選，分選上限為200～13 mm塊煤，13～0 mm末煤不分選。混煤產(chǎn)品水分8.95%、灰分19.54%，Qnet.ar約為23.1 MJ/kg，能夠滿足市場(chǎng)用戶需求。壓濾煤泥水分24.0%、灰分30.49%，Qnet.ar約為13.11 MJ/kg，可以成為電廠燃料產(chǎn)品。