小莊選煤廠工程設(shè)計(jì)研究

楊蛟洋

(中煤國際工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120)

小莊選煤廠為小莊礦井配套建設(shè)項(xiàng)目，選煤廠建設(shè)規(guī)模為6.00 Mt/a。服務(wù)年限70.36 a。年工作330 d，日生產(chǎn)16 h。選煤廠日處理原煤18 181.82 t/d，小時(shí)生產(chǎn)能力1 136.36 t/h。小莊選煤廠與小莊礦井位于同一個(gè)工業(yè)廣場，井田位于陜西省咸陽市彬縣東北向約18 km，距咸陽市約148 km。

1 煤質(zhì)分析

1.1 煤質(zhì)基本特征

小莊選煤廠的入選原煤主要來自于小莊礦井，本井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，含有煤層1～9層，具有對(duì)比意義的煤層2層(4煤、4-1煤)。其中主采煤層1層：4煤；局部可采煤層1層：4-1煤。4號(hào)煤層以不粘煤為主占96%，弱粘煤少量，占4%。4-1號(hào)煤層全部為不黏煤。煤質(zhì)基本特征見表1。由表1可知，本區(qū)煤層屬低～中灰、低～中硫、中高揮發(fā)分、中高～高發(fā)熱量，低～中等軟化溫度灰的富油煤。

表1 煤質(zhì)基本特征

1.2 原煤可選性

設(shè)計(jì)時(shí)小莊礦井尚處于開發(fā)建設(shè)階段，沒有生產(chǎn)煤樣資料，采用臨近礦井亭南煤礦可選性篩分浮沉報(bào)告為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)小莊礦井煤質(zhì)進(jìn)行分析，并對(duì)選煤廠設(shè)備選型和產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算。原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果見表2，原煤200～0.5 mm浮沉試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 原煤篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 原煤200～0.5 mm浮沉試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 篩分資料分析

原煤灰分為22.76%，水分為11.00%，屬低中灰、中等全水分煤。50～0.5 mm各粒級(jí)隨粒級(jí)的降低，灰分也隨之降低，其中50～25 mm、25～13 mm與13～6 mm級(jí)灰分降低較明顯；13～0.5 mm各粒級(jí)灰分接近，無明顯變化；50～25 mm、25～13 mm、13～6 mm級(jí)產(chǎn)率比較接近，且高于6～3 mm、3～0.5 mm級(jí)產(chǎn)率，說明煤較硬，不易破碎。大于50 mm級(jí)矸石產(chǎn)率占全樣的7.31%，說明原煤含矸量較高，塊煤需排矸。小于0.5 mm煤泥灰分15.53%，低于原煤灰分22.76%。

1.2.2 浮沉資料分析

由表3可知，煤的內(nèi)在灰分不高，生產(chǎn)低灰精煤時(shí)，產(chǎn)率較高。原煤各粒級(jí)中，小于1.4 g/cm3密度物含量較高，灰分隨粒度降低顯著下降；1.5～1.9 g/cm3密度物含量少；大于2.0 g/cm3矸石含量高，隨粒度級(jí)減少且含量降低。各粒級(jí)煤泥灰分隨粒級(jí)減小而減小，說明塊矸泥化現(xiàn)象明顯。

1.2.3 可選性評(píng)述

根據(jù)表3計(jì)算繪制200～13 mm、13～0.5 mm可選性曲線，如圖1所示。對(duì)于200～3 mm級(jí)原煤，當(dāng)理論分選密度小于1.4 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量大于40%，屬極難選煤；當(dāng)理論分選密度為1.5 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量為14.09%，屬中等可選煤；當(dāng)理論分選密度為1.6 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量為8.36%，屬易選煤；當(dāng)理論分選密度為1.7～1.8 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量小于20%，屬中等可選煤。

圖1 原煤可選性曲線

對(duì)于13～0.5 mm級(jí)原煤，當(dāng)理論分選密度小于1.4 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量大于40%，屬極難選煤；當(dāng)理論分選密度為1.5 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量為12.29%，屬中等可選煤；當(dāng)理論分選密度為1.6 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量為4.76%，屬易選煤；當(dāng)理論分選密度為1.7～1.8 g/cm3時(shí)，δ±0.1含量小于20%，屬中等可選煤。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

小莊礦井主要目標(biāo)市場為當(dāng)?shù)孛夯ぜ笆⊥鈩?dòng)力煤市場。另外，依據(jù)業(yè)主提供的用戶協(xié)議要求，目標(biāo)市場中還含有省外的噴吹煤市場。選煤廠的生產(chǎn)可以根據(jù)原煤煤質(zhì)波動(dòng)的情況進(jìn)行組織。當(dāng)原煤質(zhì)量好，只生產(chǎn)電煤時(shí)，原煤只破碎不分選；當(dāng)生產(chǎn)化工用煤時(shí)，開啟塊原煤分選系統(tǒng)，末煤不分選；當(dāng)原煤質(zhì)量變差不能滿足市場需要時(shí)，塊、末煤系統(tǒng)同時(shí)開啟。選煤廠最終制定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如下：

(1)塊、末煤均不分選，生產(chǎn)動(dòng)力用煤。原煤：粒度50～0 mm，Ad小于18.00%，發(fā)熱量大于20.9 MJ/kg，作為動(dòng)力煤，供本區(qū)電廠和中東部電廠。

(2)塊煤分選，末煤不分選，生產(chǎn)化工用煤及電煤。洗大塊：粒度80～30 mm，Ad不大于11.00%，供化工用；洗中塊：粒度30～13 mm，Ad不大于12.00%，供化工用；混煤：粒度13～0 mm，發(fā)熱量不小于20.9 MJ/kg，作為動(dòng)力煤，供本區(qū)電廠和中東部電廠。

(3)塊煤、末煤均分選，生產(chǎn)化工用煤及噴吹用煤及電煤。洗大塊：粒度80～30 mm，Ad不大于11.00%，供化工用；洗中塊：粒度30～13 mm，Ad不大于12.00%，供化工用；末精煤：粒度13～0 mm，Ad小于9.00%，作為高爐噴吹煤，供鋼廠；混煤：粒度13～0 mm，發(fā)熱量不小于20.9 MJ/kg，作為動(dòng)力煤，供本區(qū)電廠和中東部電廠。

3 選煤工藝設(shè)計(jì)

3.1 分選上下限

3.1.1 塊煤

小莊礦的塊煤用戶主要為化工用煤，用戶對(duì)原料煤的粒度上限要求為小于80 mm，因此，分選上限只需考慮分選設(shè)備對(duì)入料的上限要求即可。考慮小莊場地狹窄，依據(jù)工藝布置的需要，確定塊煤分選上限為80 mm。分選粒級(jí)的確定關(guān)系到選煤方法的選擇，提高分選下限可以減少原煤的洗選量，降低加工成本。對(duì)本廠來說，大于13 mm的塊煤由于灰分較高(29.30%)，不能滿足用戶的要求，需要全部入洗。因此，塊煤分選下限為13 mm。

3.1.2 末煤(生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤及噴吹煤)

小于13 mm的末煤作為動(dòng)力煤煤質(zhì)較好，灰分較低，需根據(jù)市場要求決定是否入洗并確定入洗下限。當(dāng)小于13 mm末煤作為普通動(dòng)力煤(Qnet.ar不小于20.9 MJ/kg)時(shí)，由于要求產(chǎn)品發(fā)熱量不高，末煤可不進(jìn)行分選。當(dāng)小于13 mm末煤作為噴吹煤或優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤(Qnet.ar不小于22.99 MJ/kg)時(shí)，由于要求產(chǎn)品灰分小于9%，末煤必須進(jìn)行分選。由于本廠原煤有時(shí)存在矸石泥化現(xiàn)象，因此，分選下限太低易產(chǎn)生矸石污染并降低分選精度，且產(chǎn)品脫介較困難，介耗較高。由于小于13 mm末煤煤質(zhì)波動(dòng)較大，為保證洗末煤質(zhì)量，末煤分選下限控制到1.50 mm。

3.1.3 粗煤泥

原生煤泥不分選，由于灰分較高，當(dāng)需要生產(chǎn)灰分較低的精煤產(chǎn)品時(shí)，煤泥不宜摻入低灰末精煤中，需單獨(dú)銷售。據(jù)了解，本地區(qū)煤泥產(chǎn)量較大，當(dāng)?shù)厥袌鲇直容^小，大量的煤泥滯銷。在當(dāng)?shù)孛耗嗍蹆r(jià)同末煤相差太遠(yuǎn)，銷售情況也遠(yuǎn)不如末煤。為盡量多回收精煤，減少煤泥量，根據(jù)目前粗煤泥回收設(shè)備可以達(dá)到的分選下限要求，粗煤泥分選下限定為0.25 mm。根據(jù)小莊選煤廠入廠原煤煤質(zhì)預(yù)測(cè)以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的要求，充分發(fā)揮塊煤與末煤分選設(shè)備各自的優(yōu)點(diǎn)，降低生產(chǎn)成本，本礦原煤應(yīng)采用分級(jí)入洗方式，即80～13 mm塊煤、13～1.5 mm末煤、1.5～0.25 mm煤泥分級(jí)入洗。

3.2 分選方法

3.2.1 塊煤分選

目前，常用的塊煤分選設(shè)備主要有重介淺槽、動(dòng)篩跳汰機(jī)、定篩跳汰機(jī)、大直徑無壓重介旋流器、重介斜/立輪。重介淺槽分選機(jī)是專門用于處理塊煤的高效分選設(shè)備，近年廣泛應(yīng)用于各類動(dòng)力、化工用煤選煤廠的塊煤分選作業(yè)。原理是利用煤和矸石密度的不同在相對(duì)靜止(非脈動(dòng)水流)的重介懸浮液中自然分層，其分選長度一般只有1.6～1.8 m，煤和矸石在懸浮液中的停留時(shí)間很短，大約是普通跳汰機(jī)的1/5～1/8，是動(dòng)篩跳汰機(jī)的1/2～1/3，同時(shí)煤和矸石在淺槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)十分平穩(wěn)，可以認(rèn)為是相對(duì)靜態(tài)分選，煤和矸石在懸浮液中很少相互擠壓摩擦，因此可以最大限度的提高設(shè)備的分選精度，減輕分選作業(yè)產(chǎn)生的次生煤泥量。

綜合考慮分選上下限、分選精度、工藝靈活性、系統(tǒng)復(fù)雜性、經(jīng)濟(jì)效益等因素，選擇重介淺槽分選機(jī)作為塊煤分選設(shè)備。

3.2.2 末煤分選

13～1.50 mm末煤分選采用重介旋流器，由本廠的篩分浮沉資料可以看出：產(chǎn)品中間產(chǎn)物較少，兩頭比重較大，因此采用兩產(chǎn)品分選即可滿足要求?？紤]到減輕后續(xù)分選環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，推薦采用脫泥有壓入料方式。13～1.50 mm末煤采用脫泥有壓二產(chǎn)品重介旋流器分選。

3.2.3 煤泥分選與回收

目前，煤泥分選方法主要有螺旋分選機(jī)、干擾床和水介質(zhì)旋流器分選。螺旋分選機(jī)分選粒級(jí)寬(3～0.074 mm)，最佳分選粒級(jí)為1.5～0.15 mm，與重介分選和常規(guī)浮選相比，螺旋分選機(jī)生產(chǎn)成本最低，投資最省。且螺旋分選機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，本身無須動(dòng)力，便于生產(chǎn)管理與維修。因此，結(jié)合煤質(zhì)情況和產(chǎn)品要求，1.50～0.55 mm粗煤泥采用螺旋分選機(jī)分選。

煤泥回水一段濃縮回收系統(tǒng)較簡單，但需要壓濾設(shè)備臺(tái)數(shù)較多。煤泥水兩段濃縮將粗、細(xì)煤泥分開回收，細(xì)煤泥采用壓濾機(jī)回收設(shè)備臺(tái)數(shù)少?？紤]到原煤存在矸石泥化現(xiàn)象，為保證煤泥水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，選擇工藝可靠性更高的兩段煤泥水濃縮，沉降離心機(jī)回收一段濃縮機(jī)底流煤泥，快開式隔膜壓濾機(jī)回收二段濃縮機(jī)底流煤泥。

當(dāng)小于13 mm粒級(jí)末煤不進(jìn)行洗選時(shí)，塊煤洗選系統(tǒng)產(chǎn)生的煤泥可摻入末原煤中銷售。當(dāng)小于13 mm粒級(jí)末煤洗選時(shí)，1.50～0.25 mm粒級(jí)粗煤泥可摻入混煤，小于0.25 mm粒級(jí)細(xì)煤泥可摻入混煤，也可單獨(dú)銷售(預(yù)留煤泥落地可能)。

3.3 工藝流程

根據(jù)所確定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、選煤方法、分選上下限、塊煤分選工藝、煤泥回收工藝等的論述，設(shè)計(jì)確定的選煤工藝為：80～13 mm塊煤采用重介淺槽分選，13～1.50 mm末煤兩產(chǎn)品重介旋流器分選，1.5～0.25 mm粗煤泥螺旋分選機(jī)分選，0.25～0 mm細(xì)煤泥采用沉降離心機(jī)+快開隔膜壓濾機(jī)兩段濃縮兩段回收的工藝。具體工藝分述如下：

(1)原煤準(zhǔn)備。原煤倉的-300 mm原煤經(jīng)13 mm、80 mm分級(jí)，大于80 mm塊煤經(jīng)手選除去雜物后破碎至80 mm以下，與小于80 mm塊原煤混合一起運(yùn)輸。篩下-13 mm末煤單獨(dú)運(yùn)輸。當(dāng)原煤無需分選時(shí)，80～13 mm塊煤經(jīng)破碎機(jī)一次破碎后，再進(jìn)入破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎至-50 mm。破碎后原煤與篩下13～0 mm原煤一起作為電煤銷售。80～13 mm塊煤分選時(shí)，經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至主廠房塊煤分選系統(tǒng)。13～0 mm末煤初期不分選，直接經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至混煤倉儲(chǔ)存。

(2)塊煤分選。80～13 mm級(jí)塊原煤進(jìn)入主廠房，經(jīng)3 mm脫泥，脫泥后的塊煤進(jìn)入重介淺槽分選機(jī)，輕產(chǎn)物由雙層香蕉篩脫介脫水分級(jí)，上層分級(jí)φ13 mm篩孔，下層脫介φ2 mm。脫介脫水后的80～13 mm級(jí)物料作為塊精煤產(chǎn)品由塊煤膠帶轉(zhuǎn)載至塊煤倉上，經(jīng)分級(jí)篩篩分成80～25 mm，25～13 mm塊煤產(chǎn)品分別入倉儲(chǔ)存。塊精煤篩下的13～2 mm物料進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)行脫水后通過帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載混入-13 mm末原煤；重產(chǎn)物由單層直線脫介篩脫介，篩孔2 mm，脫介后的重產(chǎn)物通過膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至矸石倉。

(3)末煤分選。-13 mm末原煤經(jīng)1.5 mm脫泥篩脫泥，脫泥后的13～1.50 mm末原煤和合格介質(zhì)在主選混料桶中混合均勻，泵送至兩產(chǎn)品重介旋流器分選，旋流器溢流經(jīng)過一次脫介、二次脫介和離心脫水后生產(chǎn)出末精煤產(chǎn)品；底流經(jīng)過一次脫介、二次脫介脫水后生產(chǎn)出末矸石產(chǎn)品。末煤分選系統(tǒng)只在需要生產(chǎn)低灰精煤或者煤質(zhì)變差的時(shí)候才開啟，一般情況下末煤作為動(dòng)力用煤，不用入洗。

(4)介質(zhì)回收。塊原煤淺槽重介系統(tǒng)、末原煤旋流器重介系統(tǒng)的脫介篩篩下合格段合格介質(zhì)，返回各自系統(tǒng)的合格介質(zhì)桶循環(huán)使用；精煤脫介弧形篩篩下合格介質(zhì)經(jīng)分流后，大部分返回各自的合格介質(zhì)桶；分流出來的小部分合格介質(zhì)與脫介篩篩下稀介質(zhì)，經(jīng)各自稀介質(zhì)桶緩沖，再由泵輸送至各自系統(tǒng)的磁選機(jī)；磁選精礦返回各自的合格介質(zhì)桶；塊煤系統(tǒng)磁選尾礦作為塊煤脫泥篩的噴水；末煤系統(tǒng)磁選尾礦經(jīng)旋流器組濃縮后，底流進(jìn)入螺旋分選機(jī)分選。

(5)粗煤泥分選1.50～0.25 mm煤泥水經(jīng)旋流器組濃縮分級(jí)，溢流至細(xì)煤泥回收系統(tǒng)；底流進(jìn)入螺旋分選機(jī)分選，精礦經(jīng)過弧形篩一次脫水后，至煤泥離心機(jī)二次脫水，摻入精煤；尾礦至弧形篩、高頻篩脫水后，混入矸石中。粗煤泥分選系統(tǒng)也是僅僅在需要出低灰精煤的時(shí)候才開啟，一般情況下，粗煤泥直接走管道旁路不分選，直接摻入混煤中。

(6)細(xì)煤泥回收。分級(jí)旋流器組溢流、煤泥離心機(jī)離心液及高頻篩篩下水進(jìn)入一段濃縮機(jī)濃縮。一段濃縮機(jī)底流送至沉降過濾離心機(jī)回收，摻入末煤作為電煤，一段濃縮機(jī)溢流進(jìn)入二段濃縮機(jī)，二段濃縮機(jī)底流進(jìn)入壓濾機(jī)脫水，煤泥摻入末煤作為電煤。濾液作為循環(huán)水。一段底流在工藝布置時(shí)考慮也可以進(jìn)入壓濾機(jī)，既可以通過沉降離心機(jī)回收也可以通過壓濾機(jī)壓濾回收。

主要設(shè)備選型見表4。

表4 主要工藝設(shè)備選型

4 工藝布置

結(jié)合場區(qū)地形、地貌、主井井口房、鐵路裝車點(diǎn)位置等因素，將選煤廠布置在礦井廠區(qū)西南側(cè)，原煤倉位于主井井口房西側(cè)，呈南北布置。

(1)主井原煤(300～0 mm毛煤)經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)入原煤倉儲(chǔ)存；原煤倉內(nèi)原煤經(jīng)倉下帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入選煤廠篩分破碎車間。

(2)經(jīng)篩分破碎后的80～13 mm塊原煤，可經(jīng)膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)載直接進(jìn)入塊煤分選系統(tǒng)；也可以經(jīng)旁路膠帶輸送機(jī)進(jìn)入塊煤倉直接作為塊原煤產(chǎn)品儲(chǔ)存；當(dāng)只生產(chǎn)電煤產(chǎn)品時(shí)，80～13 mm塊煤也可直接破碎至小于50 mm與小于13 mm末原煤混合，進(jìn)入混煤倉作為電煤直接銷售。

(3)80～13 mm塊原煤經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入主廠房洗選系統(tǒng)，進(jìn)入主廠房重介淺槽排矸系統(tǒng)后，經(jīng)脫泥后，80～13 mm塊煤進(jìn)入重介淺槽分選機(jī)，選出塊精煤和塊矸石。塊精煤、塊矸石經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載后分別進(jìn)入塊煤倉、矸石倉。

(4)13～0 mm末原煤，可直接經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入混煤產(chǎn)品倉作為電煤直接銷售。也可進(jìn)入末煤系統(tǒng)洗選，經(jīng)脫泥后進(jìn)入有壓兩產(chǎn)品重介旋流器分選，選出末精煤和末矸石。末精煤和矸石經(jīng)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載后分別進(jìn)入精煤倉、矸石倉。

(5)在主廠房西南側(cè)布置4臺(tái)直徑30 m濃縮機(jī)，3臺(tái)工作，1臺(tái)事故。3臺(tái)工作濃縮機(jī)中1臺(tái)作為一段濃縮機(jī)，2臺(tái)作為二段濃縮機(jī)。

(6)細(xì)煤泥經(jīng)一段濃縮、二段濃縮后，一段底流經(jīng)沉降離心機(jī)脫水、二段底流經(jīng)壓濾脫水后，摻入混煤產(chǎn)品。

(7)矸石通過倉下裝車閘門裝汽車外運(yùn)。選煤廠產(chǎn)品既可通過汽車外運(yùn)，也可通過鐵路火車外運(yùn)。

5 結(jié) 語

通過合理的工藝設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮各種分選工藝設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，使工藝系統(tǒng)達(dá)到整體最佳效能。系統(tǒng)對(duì)煤質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，可以靈活調(diào)節(jié)分選工藝參數(shù)，適應(yīng)煤質(zhì)變化及用戶對(duì)產(chǎn)品的不同質(zhì)量要求。設(shè)備選型先進(jìn)、可靠、自動(dòng)化程度高，設(shè)備大型化，且臺(tái)數(shù)少，地面工藝總布置煤流簡潔、順暢，功能分區(qū)明確，取得了良好的實(shí)踐效果。