矸石電廠入料粒度超限工藝改造分析

劉洵文，方治民

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315)

1 引 言

煤矸石是煤炭在開采和洗選加工過程中排放的固體廢物，主要包括煤礦井下掘進過程中產生的掘進矸石、采掘過程中從頂板、底板及夾層中開采出的矸石以及原煤在洗選加工過程中選出的矸石。煤矸石的主要成分是Al2O3和SiO2，另外還含有少量的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3以及一些微量稀有元素[1]。選煤廠生產過程中產生的煤矸石如果不加以利用，不僅會污染水質，自燃后會生成有害氣體污染空氣。大量堆積的煤矸石侵占了越來越多礦區(qū)居民的生活用地，構成了對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的雙重破壞[2]。我國煤矸石發(fā)電最早始于20世紀70年代，煤矸石用來發(fā)電不僅可解決煤矸石占用土地、污染環(huán)境的問題，最大限度凸顯煤矸石的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益。將煤矸石用于發(fā)電，不僅可有效解決煤矸石資源長期大量堆存的問題，同時還有助于保護環(huán)境。目前，以劣質煤炭資源、煤矸石為主的流化床燃燒發(fā)電供熱技術發(fā)展十分迅速[3]。煤制油選煤廠是國能神東洗選中心下設的一座礦井型選煤廠，地處內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。2008年8月建成投產，處理原煤能力6.0 Mt/a，負責國家“十五”計劃重點工程神華煤直接液化項目燃料煤的洗選加工任務。洗選工藝為重介旋流器全末煤入洗，主要分選設備為有壓兩產品重介質旋流器，分選粒度為1.5～30 mm，分選出精煤和矸石。精煤作液化用煤，矸石用于發(fā)電。產品利用率達到100%，洗水實現(xiàn)了一級閉路循環(huán)。該廠生產的煤矸石主要是碳質、泥質和砂質頁巖的混合物，含炭量20%～30%，具有低發(fā)熱值、粒度較大、硬度整體偏高等特點[4]。鄂爾多斯煤制油分公司是國家能源集團化工有限公司全資子公司，隸屬于國家能源集團，位于內蒙古鄂爾多斯伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，公司采用具有自主知識產權的神華煤直接液化工藝，以煤炭為原料，通過化學加工過程生產石油，石化產品，是目前世界上居領先地位的現(xiàn)代化大型煤炭直接液化工業(yè)化生產企業(yè)。該公司下屬熱電中心位于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)馬家塔村煤直接液化項目廠區(qū)西南角，廠址地形特征為風積沙丘地貌，原始地形為北高南低，西高東低，現(xiàn)場地大部分己整平，地面整平標高為1 176.40～1 171.10 m。目前，鄂爾多斯煤制油分公司熱電中心已經運行兩年有余，但熱電中心來料洗后矸石粒度超限對熱電中心的正常生產造成較大影響，急需對來料系統(tǒng)中的矸石破碎系統(tǒng)進行改造。

2 煤矸石粒度超限分析

2.1 煤矸石粒度超限原因

鄂爾多斯煤制油分公司熱電中心所用原煤，一部分通過自卸車進廠后，經環(huán)錘式破碎機(進料粒度≤300 mm，出料粒度≤30 mm)破碎，通過帶式輸送機輸送至直徑22 m的萬噸熱電廠原煤倉中；另一部分是來自選煤廠的煤矸石(粒度≤30 mm)。來自自卸車的原煤和來自選煤廠的煤矸石在熱電廠原煤倉中混合后通過葉輪給料機、膠帶輸送機至細碎車間細煤篩篩分后進入錘式破碎機破碎待用，細碎錘式破碎機進料粒度≤30 mm，出料粒度≤10 mm。表1示出在熱電中心膠帶輸送機采樣篩分試驗后得到的煤矸石粒度組成。

表1 入爐煤矸石粒度組成表

從表1可以看出，煤制油選煤廠所產煤矸石粒度超限率較大，最大達到150 mm，且硬度較高，進入熱電中心細碎系統(tǒng)后嚴重影響細碎錘式破碎機的效率。篩分破碎系統(tǒng)對入洗原煤先進行三級破碎，破碎機均為雙齒輥式破碎機。一級破碎粒度到150 mm，二級粒度到75 mm，三級破碎粒度到30 mm，根據(jù)工藝要求，選煤廠提供的矸石粒度應為0～30 mm。但由于原煤全部入洗，洗后矸石由選煤廠通過帶式輸送機運至熱電中心原煤倉。破碎后煤矸石的形狀主要以扁平狀為主，長度方向超限嚴重，選煤廠為減少末煤入洗量和次生煤泥量對煤矸石產品粒度控制較差。造成提供給電廠的矸石粒度超限，導致入爐矸石粒度超標。

2.2 煤矸石粒度超限對熱電中心的影響

發(fā)電用煤矸石的主要要求是含炭量較高，一般為煤巷掘進矸石和洗矸石，通過簡易洗選，利用跳汰或旋流器等設備可回收低熱值煤，供作電廠鍋爐燃料[5]。煤矸石發(fā)電通常采用混燒的方式，主要有煤矸石和煤泥漿混燒、煤矸石和煤泥餅混燒，煤泥加入可以采用機械方式輸送、擠壓泵與管道混合輸送及泵送方式，鍋爐采用流化床和循環(huán)流化床。產生的熱量既可以發(fā)電，也可以用作采暖供熱[6]。

對入爐煤矸石不同粒級的灰分和發(fā)熱量測試結果見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，大粒度級的煤矸石灰分含量也較高，發(fā)熱量較低。熱電廠在生產運行過程中由于煤矸石灰分較高會導致鍋爐不斷積灰，鍋爐的受熱面積灰厚度會嚴重影響到鍋爐的熱效率。同時在熱電廠實際生產運行過程中大塊煤矸石由于沒有充分燃燒導致部分細煤屑被上升的煙氣流攜帶而離開鍋爐中的沸騰層，同時一些較大的煤粒尚未燃燒就被上升的氣泡所夾帶，在沸騰層界面因氣泡破裂飛濺而彈離沸騰層。這種生產現(xiàn)狀也嚴重影響了鍋爐的熱效率，長時間運行對鍋爐的使用壽命也會有一定程度的影響。

表2 入爐煤矸石質量分析結果

熱電中心煤矸石粒度超限會導致細碎車間破碎效果較差。該細碎車間采用錘式破碎機，入料矸石硬度較大會導致破碎機磨損嚴重，增加了后期設備維修費用。錘式破碎機工作效果差會造成細碎后的煤矸石無法滿足入爐煤粒度和灰分要求，導致鍋爐燃燒不穩(wěn)定，造成整體煤耗偏高，增加了不必要的原材料消耗。進入鍋爐的煤矸石粒徑比例超標會使得流化風量加大，造成電機電耗加大，導致生產成本增加。流化風量加大也會造成鍋爐內部磨損加大，甚至放渣管堵塞等一系列問題，導致鍋爐運行周期急劇縮短，從而嚴重影響了鍋爐的正常、連續(xù)、穩(wěn)定運行。通過分析實際生產數(shù)據(jù)，當超限粒度級煤矸石占比超過5%時，超限粒度級煤矸石占比每增加1%會導致生產成本增加約0.34%[7]。

3 破碎系統(tǒng)工藝改造方案

根據(jù)現(xiàn)場的實際條件和輸送工藝，需要在選煤廠洗后矸石運輸過程中增加破碎系統(tǒng)，以控制產品矸石的粒度。 通過對選煤廠篩分破碎系統(tǒng)的實地考察，可以在以下4個位置點新增破碎系統(tǒng)：

(1)選煤廠主廠房矸石刮板機；

(2)選煤廠矸石事故應急倉；

(3)選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶輸送機；

(4)矸石配倉刮板輸送機。

3.1 選煤廠主廠房南側新建破碎站

在選煤廠主廠房南側新建一個破碎站，利用破碎機將矸石粒度破碎到0～10 mm后采用帶式輸送機返回其原有系統(tǒng)，平面布置見圖1。對洗選中心主廠房內矸石刮板機機頭進行延長改造，增加轉載帶式輸送機將矸石運至新建的破碎機內，破碎后的矸石由帶式輸送機運回主廠房3層。

由于目前矸石粒度為0～150 mm，新增帶式輸送機傾角不宜大于14°，為避免超限，破碎機選用環(huán)錘式，新建破碎站為封閉式鋼結構廠房。本方案需要對主廠房內矸石刮板機進行延長改造，對選煤廠既有生產系統(tǒng)造成停產影響。

圖1 新建破碎站平面布置示意

該方案的優(yōu)點是工程投資較為節(jié)省，土建施工量小，建設期較短。缺點是新建的破碎站會占用選煤廠區(qū)并且需要調整場內道路，改造矸石刮板機及主廠房對選煤廠生產造成短期影響，影響周期約1個月。

3.2 選煤廠矸石事故應急倉改造

煤制油選煤廠矸石事故應急倉為矸石系統(tǒng)應急時使用，一般不作為正常生產工藝流程部分。矸石應急倉卸料為犁式卸料器，下口為裝車平板閘門，均不能作為正常生產設備使用。

如果要利用并改造矸石事故應急倉達到破碎目的，主要有以下兩種方案：一是利用既有選煤中心內矸石事故煤倉改裝汽車后，運至熱電中心外來煤系統(tǒng)進行破碎。但由于矸石用量較大，此方案運營費用較高，犁式卸料器僅能臨時應急使用(需要對犁式卸料器進行改造)，所以此方案從運行成本上不可行；二是改造既有矸石事故煤倉下接帶式輸送機，并新增破碎間，接至熱電中心的原煤倉上，此方案外接帶式輸送機難度較大，并且工程投資較高，需要占用大量選煤廠區(qū)，故此方案不可行。

3.3 選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶機改造

煤制油選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶機作為洗后矸石進入電廠前的主要運輸設備，膠帶機的頭部、中部及尾部均能夠作為增加破碎系統(tǒng)的可靠位置。根據(jù)現(xiàn)場實地調研，入倉矸石膠帶機為全程高架棧橋，平均高度約為50 m，基本水平，由北向南平行于3個原煤倉方向。而原煤倉倉下回煤帶式輸送機位于入倉帶式輸送機正下方，利用2臺帶式輸送機棧橋交點位置設置中部卸料及破碎系統(tǒng)。

本方案設計主要思路是在交點位置入倉帶式輸送機設置卸料裝置(犁式卸料器或固定式卸料車)，卸料后將矸石通過溜槽喂給進環(huán)錘破碎機，將矸石破碎至粒度0～10 mm后落入矸石倉內，矸石倉為利用既有高度形成的工藝緩沖倉，矸石倉下設4臺振動給料機，兩兩對應既有的2臺回煤帶式輸送機將矸石運輸至熱電中心細碎車間。

圖2 方案3工藝流程示意

該方案的優(yōu)點在于僅需改造入倉矸石帶式輸送機，在其中部增加卸料裝置，對帶式輸送機功率等無任何影響。如采用犁式卸料器方式，基本對矸石系統(tǒng)生產無任何影響。如采用固定式卸料車卸料方式，需要將既有帶式輸送機輸送帶斷開后，增加輸送帶重新硫化輸送帶，此期間需要利用停產檢修時間，窗口期大致為7～10 d。破碎系統(tǒng)選用環(huán)錘破碎機，破碎機位于較高位置，采用緩沖床以減少其震動荷載。倉下為原回煤帶式輸送機走廊，其柱距跨度為8.9 m，為不影響電廠正常生產，增減破碎矸石倉跨于既有回煤帶式輸送機走廊上。利用上倉帶式輸送機棧橋高架高度，產生新建矸石倉，矸石倉有效容量3 500 t，約為電廠3.5 d的矸石用量，可以作為永久矸石儲存?zhèn)}使用，并且具有緩沖的功能。

3.4 矸石配倉刮板輸送機改造

通過實地考察，利用矸石配倉刮板輸送機進行破碎系統(tǒng)改造需延長并轉載至新建帶式輸送機，同時需要新建矸石破碎倉，還需要建設距離較長的返回帶式輸送機，并建設轉載站轉載至倉下帶式輸送機。相比方案3，工藝系統(tǒng)更冗雜、施工周期長、項目投資較多、占地面積大，且均為新建項目，施工難度較高，土建施工對選煤廠和熱電中心的生產影響周期較長，故不對其進行闡述。

4 改造方案確定分析

綜合比較，選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶機改造方案是最可行的方案。通過改造上倉矸石帶式輸送機，中途卸載后新建矸石破碎倉，實現(xiàn)矸石破碎功能。該方案占地小，完全可以在熱電中心廠區(qū)內施工完成。矸石倉儲量能夠滿足熱電中心3.5 d的儲量要求，無需轉載環(huán)節(jié)就能返回至細碎帶式輸送機。

熱電中心每年年檢時，三爐兩機維護時需要較長時間的停產，停產時間一般為10～15 d。在此期間，選煤廠還會將原煤及矸石提供給電廠，儲存在原煤倉內，由于新建破碎矸石倉容量僅能維持3 d左右，所以方案3還不能滿足電廠年檢時用煤的要求。依據(jù)以上原因，還需要將破碎后的矸石運至原萬噸矸石倉內，才能滿足此要求。

根據(jù)現(xiàn)場的調研，破碎后的矸石位于新建矸石倉的最下層，由于新建矸石倉與原煤倉距離較近，需要接近垂直提升設備才能將矸石運輸至原矸石倉內。目前國內常見的垂直提升設備主要有波紋檔邊帶式輸送機、斗式提升機、管狀帶式輸送機以及壓帶式大傾角帶式輸送機。波紋擋邊帶式輸送機主要由波狀擋邊輸送帶、驅動裝置、傳動滾筒、改向滾筒、壓帶輪(輥)、托輥、防偏輥、清掃裝置、拉緊裝置、機架、導料槽、卸料溜槽、電氣及安全保護裝置等部件組成[8]。目前波紋擋邊帶式輸送機在煤炭領域使用較少，主要原因是煤炭運輸過程中與輸送機帶面接觸磨損較多，而波狀擋邊橡膠帶比普通平面橡膠帶使用壽命短，后期使用過程中維護量較大。同時該輸送機的尾部水平段向上拐彎處、導料槽與膠帶的波狀擋邊之間、頭部清掃器下方容易少量灑煤，使用過程中會增加崗位工人的工作量。斗式提升機也存在設備故障率高，維護量大，難清理等缺點，所以一般選用管狀帶式輸送機或壓帶式大傾角帶式輸送機。

根據(jù)工藝布置，由新建矸石破碎倉下至原矸石倉上，帶式輸送機提升角度達到75°，目前國內外的工程實踐管狀帶式輸送機及壓帶式大傾角帶式輸送機均能滿足此提升角度。由于此帶式輸送機角度較大，長度較短，管狀帶式輸送機需要展開至成型段長度，所以布置難度較大。壓帶式大傾角帶式輸送機技術較為成熟，但由于工程項目的限制性未得到較廣泛的應用，但此類型帶式輸送機能夠有效垂直提升散裝物料，配置與普通帶式輸送機無區(qū)別，成本與普通帶式輸送機相當，針對現(xiàn)場實際情況最終采用壓帶式大傾角帶式輸送機。

壓帶式大傾角帶式輸送機主要由卸載部、傳動部、驅動部、制動器、逆止器、張緊裝置、機身、深槽托輥裝置以及機尾裝置等部分組成，主要是針對露天煤礦端幫大傾角提升而研發(fā)的帶式輸送機產品[9]。這種帶式輸送機不僅保留了帶式輸送機的諸多優(yōu)點，而且能夠達到傾角90°提升散裝物料[10]。該類輸送機由于適用的場合較為特殊，主要適合于利用大傾角提升來節(jié)約運輸成本的場合，所以長期以來實際應用不廣泛。但是在國內港口行業(yè)的卸船機采用過氣墊夾帶式或雙帶式壓帶帶式輸送機[11]。本項目由于場地及空間限制，采用壓帶式大傾角帶式輸送機較為合適，能夠在有限的空間內完成近90°的大傾角提升作業(yè)，而且采用與原設備相類似的帶式輸送機設備利于操作及維護[12]。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將粒度為150 mm的矸石破碎至30 mm以下，可選的破碎機為雙齒輥破碎機及環(huán)錘破碎機，能力為400 t/h。目前國產設備均能滿足正常使用，但是1∶5的破碎比非常接近雙齒輥破碎機1∶6破碎比的極限值，相比而言環(huán)錘破碎機的破碎比更大，破碎效果會更好，同時環(huán)錘式破碎機的過粉碎效果較好，有利于下一步細碎環(huán)節(jié)的進行[13]。

綜合考慮，為了保證系統(tǒng)的可靠性，改造過程中將采用2臺環(huán)錘破碎機對煤矸石進行破碎[14]。

5 結 語

煤矸石中含有一定量的中、低熱值可燃體，具有一定的發(fā)熱量，所以煤矸石發(fā)電是煤矸石綜合利用中最有效、效益最高的途徑[15]。目前我國在煤矸石資源化利用研究取得了很大的進展，但是其綜合利用率仍不高，利用潛力巨大[16]。在礦區(qū)建設矸石電廠可以一定程度上減輕當?shù)氐拇髿馕廴竞偷叵滤廴?，還可以減少對土地的占用，又能回收部分有價值的資源[17]。如何高效率利用煤矸石進行發(fā)電一直是煤矸石電廠的一大難題，建議礦區(qū)應堅持“因地制宜，積極利用”的指導思想，加強對各個煤礦出產煤矸石的成分、結構、特性等基礎研究，合理開發(fā)利用煤矸石資源，積極提高煤矸石綜合利用的效率和科技含量[18-19]。