煤泥重介工藝在二礦選煤廠無煙煤分選中的應(yīng)用

李 健，錢文萍

(1.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司 選煤質(zhì)量管理中心，山西 陽泉 045000；2.潞安化工集團(tuán)有限公司 寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西陽泉 045000)

華陽新材料科技集團(tuán)有限公司二礦選煤廠是一座原設(shè)計(jì)能力為3.0 Mt/a的礦井型選煤廠，洗選煤種為無煙煤。經(jīng)多次擴(kuò)能改造，目前該廠主要洗選工藝為：>13 mm粒級采用淺槽重介分選機(jī)分選，塊煤系統(tǒng)處理能力為4.0 Mt/a；<13 mm粒級視煤質(zhì)情況由跳汰機(jī)或重介質(zhì)旋流器分選，其中末煤跳汰系統(tǒng)處理能力為2.7 Mt/a，末煤重介系統(tǒng)處理能力為3.0 Mt/a。在生產(chǎn)中，由于該廠<13 mm粒級中細(xì)粒級煤含量較高，且洗選系統(tǒng)未設(shè)置粗煤泥分選環(huán)節(jié)，因此導(dǎo)致煤泥產(chǎn)量較大，從而給產(chǎn)品銷售造成了很大的困難。為解決全入選帶來的煤泥產(chǎn)量大的問題，二礦選煤廠亟待研究探索出適合自身煤質(zhì)特點(diǎn)的新的工藝方案，以有效降低分選下限，在最大限度地回收精煤的同時(shí)降低尾煤產(chǎn)量。

1 粗煤泥分選方法

目前粗煤泥分選方法主要有煤泥重介分選和水介分選。煤泥重介分選以小直徑重介質(zhì)旋流器為主要設(shè)備，水介分選則有螺旋分選機(jī)、干擾床分選機(jī)(TBS)、粗煤泥分選機(jī)(RC)、智能粗煤泥分選機(jī)(TCS)等設(shè)備[1]。

1.1 小直徑重介質(zhì)旋流器

重介質(zhì)旋流器是利用離心力場在重介質(zhì)環(huán)境下完成分選,在物料流速確定的情況下，旋流器直徑的大小與其內(nèi)部流場的離心力大小呈負(fù)相關(guān)。生產(chǎn)實(shí)踐表明：旋流器直徑越大，其有效分選下限越高；反之，則分選下限越低。煤泥重介分選即是利用了小直徑旋流器離心力強(qiáng)，力場分布梯度大，分選下限低的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤泥在離心力場、重介質(zhì)環(huán)境下的細(xì)粒度分選[2-3]。

1.2 螺旋分選機(jī)

螺旋分選機(jī)利用離心力場在水介質(zhì)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)細(xì)粒物料的分選，不同于旋流器的有壓入料方式，螺旋分選機(jī)采用恒壓自流方式給料，因此螺旋分選機(jī)內(nèi)部力場分布梯度遠(yuǎn)小于小直徑重介質(zhì)旋流器，從而導(dǎo)致其分選精度不高，分選可能偏差遠(yuǎn)高于小直徑重介質(zhì)旋流器[2-3]。

1.3 TBS、RC、TCS

TBS、RC、TCS的分選原理基本相同，都是利用干擾沉降原理[2,4]，在上升介質(zhì)流中實(shí)現(xiàn)窄粒級細(xì)顆粒物料按照密度分層分選。影響干擾沉降過程中按密度分層的重要因素是沉降顆粒的粒度，因此利用該原理分選的設(shè)備入料粒度范圍不能太寬。此外，顆粒形狀差異過大也會對分選造成不利影響[5]。

1.4 分選效果對比分析

目前，分選精度較高的水介粗煤泥分選設(shè)備是澳大利亞的帶傾斜板的RC，但國內(nèi)選煤廠使用的RC普遍對0.2 mm以下粒級的分選效果不好，且對0.125 mm以下煤泥基本沒有分選效果[6]。RC只有在1～0.5 mm窄粒級分選中才有可能實(shí)現(xiàn)高精度分選(分選可能偏差在0.1 g/cm3以下)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，幾乎無法達(dá)到。對于其他幾種設(shè)備，現(xiàn)場調(diào)研情況是：山西斜溝選煤廠采用的TCS分選可能偏差亦均在0.2 g/cm3以上；潞安集團(tuán)新元選煤廠(原華陽集團(tuán)新元選煤廠)在用的TBS分選可能偏差為0.2 g/cm3左右，且對于<0.12 mm粒級的細(xì)顆粒分選效果較差[6]。

比較而言，小直徑重介質(zhì)旋流器在分選精度和適用性方面均具有明顯的優(yōu)勢。

五種設(shè)備分選工藝指標(biāo)對比見表1。

表1 各種粗煤泥分選工藝指標(biāo)對比

由表1可知：水介分選的分選可能偏差普遍在0.1 g/cm3以上，主要適用于極易選-易選煤，對于難選煤適用性較差；相比之下，煤泥重介質(zhì)旋流器具有分選精度高，適用范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在分選0.25～0.1 mm粒級時(shí)分選可能偏差為0.075 g/cm3[7]。在全重介分選工藝中，一般需要配置濕法脫泥和脫介環(huán)節(jié)，系統(tǒng)較為復(fù)雜，為簡化工藝流程，可將重介系統(tǒng)的合格介質(zhì)分流作為煤泥重介工藝的入選原料，利用小直徑重介質(zhì)旋流器產(chǎn)生的較強(qiáng)的離心力場，實(shí)現(xiàn)有效分選下限的降低[4]。

2 粗煤泥分選方案的確定

由于3#煤層低硫煤資源已近枯竭，目前二礦主要開采8#、15#煤層，兩煤層原煤硫分均較高，為中高硫煤。近幾年二礦煤質(zhì)總體變化趨勢為，原煤煤質(zhì)明顯變差,可加工為噴吹煤的優(yōu)質(zhì)煤源減少，其中：生產(chǎn)8#煤層原煤內(nèi)在灰分高，當(dāng)采用大密度排矸生產(chǎn)電煤時(shí)，可選性等級為易選；15#煤層原煤經(jīng)過洗選后，精煤灰分和硫分均可滿足生產(chǎn)要求，當(dāng)生產(chǎn)灰分為13.73%精煤時(shí)，理論分選密度為1.664 g/cm3,實(shí)際分選密度為1.660 g/cm3，分選密度±0.1含量(扣矸)為26.55%，可選性等級為較難選。

二礦選煤廠末煤洗選有跳汰、重介兩套系統(tǒng)。跳汰系統(tǒng)主要用于高硫劣質(zhì)煤的洗選，原煤降灰降硫后產(chǎn)品作為電煤，增加粗煤泥分選工藝后經(jīng)濟(jì)效益提升不明顯。重介系統(tǒng)用于優(yōu)質(zhì)低硫煤的洗選，產(chǎn)品主要作為冶金精煤，若通過降低有效分選下限，提高精煤產(chǎn)率，可以取得較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益,因此在末煤重介系統(tǒng)增設(shè)粗煤泥分選環(huán)節(jié)比較合理。

由于二礦選煤廠末煤重介系統(tǒng)采用不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝，若采用水介方法分選粗煤泥，需要先進(jìn)行煤泥水磁選脫介，不僅增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，且會延長煤泥在水中的浸泡時(shí)間，加劇矸石泥化，不利于分選。煤泥重介分選則可以充分利用主選重介質(zhì)旋流器溢流中介質(zhì)粒度較細(xì)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對細(xì)粒級煤的分選，從而彌補(bǔ)主選重介質(zhì)旋流器直徑大分選下限高的缺陷[9]。此外,在二礦選煤廠實(shí)際生產(chǎn)過程中，原煤中還會階段性地出現(xiàn)密度接近1.7 g/cm3的低灰分物料，這部分煤與矸石密度差異較小，采用水介分選設(shè)備難以回收這部分物料，小直徑重介質(zhì)旋流器則可利用其分選精度高的優(yōu)勢對之實(shí)現(xiàn)有效分選。綜合考慮二礦選煤廠煤質(zhì)及原有生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況,認(rèn)為二礦選煤廠宜采用煤泥重介工藝來分選回收系統(tǒng)中的粗煤泥。

3 煤泥重介工藝流程及系統(tǒng)配置

3.1 煤質(zhì)分析

末煤重介系統(tǒng)入料為15#煤層的末原煤，其粒度組成見表2。由表2可知，該煤中<3 mm粒級含量為49.70%，<0.5 mm粒級含量為15.19%，可見末原煤中粗、細(xì)粒級含量均較高，若處置不當(dāng)均會給后續(xù)的分選和脫水造成不良的影響。

表2 15#煤層末原煤粒度組成

3.2 工藝及設(shè)備選擇

15#煤層末原煤洗選兼顧生產(chǎn)動力煤和噴吹煤，由于其中<3 mm粒級含量較高，直接洗選會導(dǎo)致煤泥水系統(tǒng)壓力過大，同時(shí)增加煤泥處理難度。為減少細(xì)粒煤的入選量，二礦選煤廠采用了3 mm干法脫粉工藝，預(yù)先脫除末原煤中的<3 mm粒級，將之直接配入電煤銷售。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于原煤水分變化，導(dǎo)致3 mm干法脫粉效果極不穩(wěn)定：當(dāng)原煤水分低于6%時(shí)，脫粉效率可達(dá)60%左右；當(dāng)原煤水分超過7%時(shí)，脫粉效率就會驟降至30%，甚至更低。3 mm干法脫粉效果降低導(dǎo)致進(jìn)入重介質(zhì)旋流器的物料中還含大量<3 mm粒級粗煤泥，若不對之進(jìn)行有效回收，則會造成資源的極大浪費(fèi)。

在末煤重介系統(tǒng)設(shè)置煤泥重介工藝環(huán)節(jié)可以有效回收因干法脫泥不徹底而進(jìn)入重介系統(tǒng)中的粗煤泥，在提高資源利用率的同時(shí)降低尾煤產(chǎn)量，確保企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。正常情況下(原煤水分在<7%以下)，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入末煤重介系統(tǒng)中的<3 mm粒級粗煤泥約為150 t/h，為應(yīng)對原煤水分增加使脫粉效果驟降而導(dǎo)致的系統(tǒng)中粗煤泥含量增加的問題，最終確定采用兩臺S-FHMC40型小直徑煤泥重介質(zhì)旋流器來回收系統(tǒng)中的粗煤泥。該煤泥重介質(zhì)旋流器主要技術(shù)參數(shù)如下：

型號

S-FHMC40

入料粒度范圍/mm

<3

設(shè)計(jì)處理能力/(t·h-1)

387～400

工作壓力/MPa

0.27～0.32

設(shè)備質(zhì)量/kg

830

增設(shè)煤泥重介工藝環(huán)節(jié)后的末煤重介系統(tǒng)工藝原則流程如圖1所示。該系統(tǒng)主要用于處理15#煤層末原煤，但通過改變煤流走向，亦可兼顧處理劣質(zhì)末原煤。在生產(chǎn)中，精煤脫介篩篩下合格介質(zhì)直接進(jìn)入煤泥合格介質(zhì)桶，采用DMAC-3型重介工藝參數(shù)自動控制系統(tǒng)檢測實(shí)際密度后，控制磁選精礦添加量，實(shí)現(xiàn)煤泥重介分選密度的調(diào)節(jié)。煤泥合格介質(zhì)桶物料一部分返回主選系統(tǒng),另一部分由泵輸送至煤泥重介質(zhì)旋流器進(jìn)行分選，旋流器溢流經(jīng)過兩級氣動擊打翻轉(zhuǎn)振動弧形篩預(yù)脫水后，篩上物由沉降過濾式離心脫水機(jī)脫水，脫水產(chǎn)品直接摻配入精煤產(chǎn)品；旋流器底流進(jìn)入單獨(dú)設(shè)立的粉矸石濃縮機(jī)濃縮后，由氣動擊打翻轉(zhuǎn)振動弧形篩預(yù)脫水，再經(jīng)高頻篩脫水后直接作為矸石排棄。

圖1 末煤重介系統(tǒng)工藝原則流程

3.3 介質(zhì)分流設(shè)置

由于煤泥重介系統(tǒng)入料為合格介質(zhì)分流，無法實(shí)現(xiàn)粗煤泥全部進(jìn)入煤泥重介系統(tǒng)，因此如何平衡煤泥重介系統(tǒng)入料量與去主選系統(tǒng)的合格介質(zhì)分流量是影響生產(chǎn)穩(wěn)定性和精煤產(chǎn)率高低的關(guān)鍵，也是煤泥重介系統(tǒng)運(yùn)行管理的難點(diǎn)。

為解決此問題，二礦選煤廠采取了一種靈活可靠的液位調(diào)度控制方式，即令精煤脫介篩篩下合格介質(zhì)先全部進(jìn)入煤泥合格介質(zhì)桶，在煤泥合格介質(zhì)桶下除設(shè)置煤泥重介系統(tǒng)入料泵外，再單獨(dú)設(shè)置一臺變頻介質(zhì)轉(zhuǎn)排泵，利用該轉(zhuǎn)換泵將分流的合格介質(zhì)轉(zhuǎn)排至原煤合格介質(zhì)桶。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，煤泥合格介質(zhì)桶除作為煤泥重介的入料桶外，還可兼作大容量的分流桶，解決兩個(gè)系統(tǒng)之間介質(zhì)分配不均衡的問題。

在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過優(yōu)先調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)排泵的流量，在保證煤泥重介系統(tǒng)入料的情況下，確保原煤合格介質(zhì)桶的運(yùn)行液位，若轉(zhuǎn)排量不足導(dǎo)致原煤合格介質(zhì)桶低液位運(yùn)行時(shí)，則采取向原煤合格介質(zhì)桶補(bǔ)加介質(zhì)的方法來維持其液位，而不必過多干擾煤泥重介系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。該管理思路本質(zhì)上是把煤泥重介系統(tǒng)這個(gè)可變量作為定量來考慮，從而大大簡化了生產(chǎn)管理難度。

此外，系統(tǒng)還保留了傳統(tǒng)的合格介質(zhì)分流環(huán)節(jié)，可以在煤泥重介系統(tǒng)不運(yùn)行的情況下，直接實(shí)現(xiàn)介質(zhì)分流，以減少轉(zhuǎn)排環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。

3.4 工藝特點(diǎn)

(1)末煤重介系統(tǒng)采用3 mm干法脫粉代替了傳統(tǒng)的濕法脫泥工藝[10]，吸取目前主流動力煤分選工藝中脫粉入選的優(yōu)點(diǎn)[11]，大大降低了細(xì)粒煤的入水量，減輕了煤泥水系統(tǒng)壓力。

(2)傳統(tǒng)煤泥重介系統(tǒng)分流點(diǎn)設(shè)置在精煤脫介篩篩下，分流控制機(jī)構(gòu)因動作頻繁容易出現(xiàn)機(jī)械故障，此外幾乎無緩沖的自流式分流也很難控制分流精度。系統(tǒng)將分流點(diǎn)設(shè)置在煤泥合格介質(zhì)桶，利用變頻轉(zhuǎn)排泵實(shí)現(xiàn)不間斷分流，大大提高了分流控制精度，實(shí)現(xiàn)了末煤重介、煤泥重介系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

(3)系統(tǒng)安裝了一套DMAC-3型重介工藝參數(shù)自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了合格介質(zhì)密度控制、分流量控制、各介質(zhì)桶位在線檢測與控制、旋流器入口壓力檢測等功能，使末煤重介系統(tǒng)與煤泥重介系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。

(4)為煤泥重介系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)立粉矸石濃縮池[12]，用于單獨(dú)處理煤泥重介質(zhì)旋流器底流，濃縮池底流經(jīng)過高頻篩脫水后直接作為矸石排棄，縮短了細(xì)顆粒矸石在煤泥水系統(tǒng)中的停留時(shí)間，避免了矸石泥化[13]給分選系統(tǒng)造成的不利影響。

(5)粗精煤泥采用沉降過濾式離心脫水機(jī)脫水，系統(tǒng)簡單，且能實(shí)現(xiàn)>0.074 mm細(xì)粒級物料的有效回收[14]，在最大限度回收精煤的同時(shí)減少了后續(xù)尾煤產(chǎn)量。此外，在離心脫水過程中還可以脫除精煤中大部分的<0.045 mm粒級高灰細(xì)泥[15]，起到提質(zhì)降灰的作用。

4 生產(chǎn)效果

鑒于生產(chǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)條件限制，不具備煤泥小浮沉試驗(yàn)條件，擬根據(jù)煤泥小篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行煤泥重介工藝生產(chǎn)效果的評定。

煤泥重介質(zhì)旋流器入料及產(chǎn)品小篩分試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知：入料中>0.5 mm粒級物料含量為27.55%，由于末煤脫介篩縫為1 mm時(shí), 這部分物料粒度主要在1～0.5 mm之間，為煤泥重介質(zhì)旋流器的主要有效分選粒級；入料中<0.045 mm粒級含量為 43.58%，灰分高達(dá)45.50%，這部分物料無法通過煤泥重介質(zhì)旋流器實(shí)現(xiàn)有效分選，是影響分選效果的主要粒級。從表3還可以看出，溢流灰分為27.46%，比入料灰分降低了5.48個(gè)百分點(diǎn)，若脫除<0.045 mm粒級物料，溢流灰分為10.91%，產(chǎn)率為41.77%，可以達(dá)到精煤質(zhì)量要求。

表3 煤泥重介質(zhì)旋流器入料及產(chǎn)品小篩分試驗(yàn)結(jié)果

二礦選煤廠粗精煤泥脫水采用的是沉降過濾式離心脫水機(jī)，該機(jī)對固體顆粒的有效回收下限為0.045 mm，因此可以脫除溢流中絕大部分<0.045 mm粒級高灰細(xì)泥，對粗精煤泥起到提質(zhì)降灰的作用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，經(jīng)沉降過濾式離心脫水機(jī)脫水后，實(shí)際粗精煤泥灰分<15%，水分<6%，能夠滿足精煤摻配要求。

在生產(chǎn)中，煤泥重介系統(tǒng)入料由合格介質(zhì)桶供給，在保證煤泥重介系統(tǒng)入料的條件下，可實(shí)現(xiàn)合格介質(zhì)的統(tǒng)一調(diào)度。實(shí)際操作時(shí)，可在保證介質(zhì)系統(tǒng)平衡的條件下適當(dāng)增加煤泥重介系統(tǒng)入料量，以提高精煤產(chǎn)率。

根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，自2019年四季度煤泥重介系統(tǒng)投入使用后，二礦選煤廠當(dāng)季度精煤產(chǎn)量比三季度增加3.3萬t。此后經(jīng)過多次探索調(diào)試，使最終精煤產(chǎn)率平均提高了1.9個(gè)百分點(diǎn)。精煤與電煤差價(jià)按照500元/t計(jì)算，自投產(chǎn)以來銷售收入增加約1.75億元。

5 結(jié)語

二礦選煤廠采用煤泥重介工藝實(shí)現(xiàn)了無煙煤粗煤泥的有效分選，在最大限度回收精煤的同時(shí)減少了尾煤產(chǎn)量，取得了良好的效果。該廠通過合理設(shè)置合格介質(zhì)的分流，確保了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)利用沉降過濾式離心機(jī)可脫除粗精煤泥中大部分的<0.045 mm粒級高灰細(xì)泥的工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了粗精煤泥的提質(zhì)降灰，滿足了生產(chǎn)要求。但改造也存在著諸如介質(zhì)供應(yīng)不合理、管理不夠精細(xì)化的問題，今后需進(jìn)一步加強(qiáng)重介系統(tǒng)介質(zhì)細(xì)度管理，根據(jù)生產(chǎn)中各系統(tǒng)對介質(zhì)細(xì)度要求分別提供介質(zhì)，以進(jìn)一步提高分選效果、降低介耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。