煉焦煤選煤廠改選無(wú)煙末煤后產(chǎn)生的問(wèn)題及對(duì)策

程翔銳，徐國(guó)鵬，趙佳偉，于 波

(1.唐山國(guó)華科技國(guó)際工程有限公司，河北 唐山 063020；2.北京國(guó)華科技集團(tuán)有限公司，北京 101310)

位于粵北地區(qū)的A選煤廠是唐山國(guó)華科技國(guó)際工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)華科技”)于2014年設(shè)計(jì)并建成的年處理能力為0.9 Mt的選煤廠。該廠采用的是典型的不脫泥、不分級(jí)無(wú)壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝。由于當(dāng)?shù)孛禾抠Y源已近枯竭，近年來(lái)，業(yè)主改選由印度尼西亞進(jìn)口的無(wú)煙末煤。根據(jù)該原料煤的可選性及市場(chǎng)需求，生產(chǎn)灰分≤12%的精煤、中煤和矸石，進(jìn)入三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器第一段的合格重介質(zhì)懸浮液密度隨之調(diào)高至1.73 kg/L，隨之產(chǎn)生了一系列生產(chǎn)難題。為此業(yè)主邀請(qǐng)國(guó)華科技派人員參加整改工作，以適應(yīng)生產(chǎn)要求。筆者應(yīng)邀前去，經(jīng)歷3個(gè)月生產(chǎn)實(shí)踐，圍繞問(wèn)題，查找原因，認(rèn)真分析，進(jìn)行方案論證，提出合理對(duì)策，逐一解決，取得圓滿成果。

1 產(chǎn)生問(wèn)題的主要原因

2 磁團(tuán)聚結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象

為了探究A選煤廠所配制的合格懸浮液不能持續(xù)穩(wěn)定地保持在1.73 kg/L密度范圍內(nèi)以致無(wú)法正常生產(chǎn)的難題，筆者深入生產(chǎn)實(shí)際，發(fā)現(xiàn)常常在磁選機(jī)滾筒下方產(chǎn)生磁團(tuán)聚(位置見(jiàn)圖1)，經(jīng)常堵塞礦漿過(guò)流通道，使得攜帶煤泥的尾礦從磁選機(jī)精礦排出端溢出，自流到合格介質(zhì)桶，不但使合格重介質(zhì)懸浮液中煤泥含量增高，更嚴(yán)重的是稀釋的重懸浮液導(dǎo)致桶內(nèi)液位升高，密度處于低位。

所謂的磁團(tuán)聚結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象是居于磁選機(jī)里的磁性物顆粒，在濃度較高、粒度較粗的情況下，受到磁感應(yīng)作用，顆粒本身產(chǎn)生了“剩磁”，相互吸引成團(tuán)的現(xiàn)象，這在選礦界的刊物中早有介紹。據(jù)檢索，在公開(kāi)發(fā)行選煤專(zhuān)業(yè)的刊物中未曾報(bào)導(dǎo)過(guò)，也可以說(shuō)A選煤廠磁團(tuán)聚現(xiàn)象是在選煤生產(chǎn)企業(yè)首先發(fā)現(xiàn)的。其對(duì)策有二，一是稀釋磁選機(jī)入料濃度，二是外購(gòu)粒度細(xì)的磁鐵礦粉(本文后面還要詳述)。

圖1 逆流式磁選機(jī)工作原理示意

3 脫介設(shè)備和磁選設(shè)備操作條件的整改

A選煤廠改選無(wú)煙煤之初，介耗高達(dá)2.50～3.00 kg/t，其原因是面對(duì)高密度的合格懸浮液攜帶大量的重介質(zhì)，脫介和磁選作業(yè)卻按入選煉焦煤那樣的操作條件來(lái)應(yīng)對(duì)所造成的。經(jīng)實(shí)地核算，在設(shè)計(jì)A選煤廠時(shí)，脫介和磁選設(shè)備的選型上留有余地，所以改選無(wú)煙煤后，在整改工作中，主要從改變操作條件來(lái)著手。

3.1 脫介弧形篩——避免弧形篩竄料

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選出的精煤、中煤攜帶重懸浮液，首先由各自脫介弧形篩預(yù)先脫介。在生產(chǎn)中要及時(shí)翻轉(zhuǎn)弧形篩篩面，盡量避免弧形篩竄料，杜絕高濃度重懸浮液進(jìn)入脫介振動(dòng)篩，導(dǎo)致后續(xù)磁選機(jī)入料量和濃度的增加。

3.2 脫介振動(dòng)篩——增大噴水壓力和噴水量

對(duì)于入選無(wú)煙末原煤的A選煤廠，根據(jù)其合格重懸浮液密度高、濃度大，篩面上料層厚，顆粒表面粘附的磁性物多的情況，必須采用強(qiáng)力噴水和增加噴水量的操作條件，才能達(dá)到有效脫介的目的。

A選煤廠對(duì)此采用的措施是增大噴水壓力，由原先的0.15 MPa提高到0.25 MPa以上。因?yàn)閲娝畨毫μ岣?，噴水量也隨之增大，如單個(gè)噴嘴流量Q的計(jì)算式為：

式(1)中：S為噴嘴出口截面積，m2；V為噴嘴出口流速，m/s；μ為流量系數(shù)，μ=0.96-0.32H；d為噴嘴出口直徑，m；g為重力加速度，m2/s；H為噴嘴出口壓力，MPa。

由式(1)可知，由于噴嘴壓力的提高，噴水量增加了30%左右。

3.3 磁選機(jī)——稀釋入料濃度

上文已提出，降低入料濃度可避免產(chǎn)生磁團(tuán)聚結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象，另外降低磁選機(jī)入料濃度，可提高磁性物趨向永磁筒的運(yùn)動(dòng)速度。在眾多的磁選機(jī)制造商所提供的安裝使用說(shuō)明書(shū)中，明確提出為保證磁性物回收率達(dá)到99.8%，入料濃度最好調(diào)整到10%～20%的范圍內(nèi)，最高不得超過(guò)25%。對(duì)于這一點(diǎn)，無(wú)論是選煤工程設(shè)計(jì)單位，還是生產(chǎn)單位，往往注意不夠。

在A選煤廠整改階段，將澄清的循環(huán)水引入到磁選機(jī)入料中，將其稀釋到25%以下的濃度。

針對(duì)設(shè)置多臺(tái)精煤磁選機(jī)的情況，還要在入料管道布置方面考慮到入料流量、濃度的均勻性問(wèn)題。為此，在整改工作中設(shè)置了精煤磁選機(jī)入料分配箱(見(jiàn)圖2)。

磁選機(jī)入料從入料口進(jìn)入分配箱的內(nèi)筒，然后再經(jīng)過(guò)內(nèi)筒上的3個(gè)長(zhǎng)方形出料孔進(jìn)入分隔好的3個(gè)出料區(qū)，再由出料區(qū)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的磁選機(jī)。分配箱的內(nèi)筒具有穩(wěn)定流態(tài)的作用，長(zhǎng)方形的出料孔能保證入料盡量分配均勻，出料區(qū)的分隔板只分割出料孔的部分高度，液位超過(guò)該高度時(shí)，使3個(gè)出料區(qū)的液位保持一致，進(jìn)一步保證進(jìn)入各磁選機(jī)物料的均勻性。

圖2 磁選機(jī)入料分配箱示意

4 磁鐵礦粉的質(zhì)量指標(biāo)

磁鐵礦粉的質(zhì)量指標(biāo)直接影響重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性，雖然國(guó)華科技始終如一強(qiáng)調(diào)其重要性，但發(fā)現(xiàn)有部分選煤廠對(duì)這方面問(wèn)題重視不夠，本文為此作一重申。

4.1 重介質(zhì)懸浮液的穩(wěn)定性

分選無(wú)煙煤的重介質(zhì)選煤廠，首先要解決的生產(chǎn)關(guān)鍵就是高密度懸浮液的穩(wěn)定性問(wèn)題。重介質(zhì)懸浮液是固液兩相的粗分散體系，固相顆粒在水體中受重力或離心力作用，發(fā)生沉降，破壞了懸浮液的穩(wěn)定性。而重懸浮液的穩(wěn)定性是指懸浮液保持其本身密度不變的性質(zhì)。這個(gè)穩(wěn)定性包含兩方面含義：

(1)在重介質(zhì)選煤設(shè)備內(nèi)部的各位置密度分布是均勻的或是比較均勻的。

(2)在生產(chǎn)時(shí)間段內(nèi)密度大小的波動(dòng)范圍小，始終是平穩(wěn)的。

前者是指合格重介質(zhì)懸浮液的本身，磁性物在設(shè)備內(nèi)沉降分離所產(chǎn)生的密度變化是否在允許值范圍之內(nèi)，這與介質(zhì)的質(zhì)量指標(biāo)以及重介質(zhì)懸浮液中煤泥含量有關(guān)。

后者是指在生產(chǎn)全過(guò)程中，各種因素造成的重介質(zhì)懸浮液中磁性物數(shù)量隨時(shí)間的變動(dòng)是否符合工藝操作的要求。

4.2 磁鐵礦粉的質(zhì)量指標(biāo)

選煤廠介質(zhì)實(shí)際是指外購(gòu)的磁鐵礦粉，其質(zhì)量好壞直接影響生產(chǎn)能否正常進(jìn)行。

4.2.1 鐵礦粉的粒度

眾所周知，磁鐵礦粉粒度越粗，其沉降速度越快，在重懸浮液中就易分層，越不穩(wěn)定，顆粒沉降速度與其直徑的3次方成正比例。例如粒徑為0.125 mm的磁鐵礦顆粒的沉降速度是0.045 mm顆粒的21.4倍。

為降低分選設(shè)備的分選下限，也必須要求更細(xì)的磁鐵礦粉。國(guó)華科技設(shè)計(jì)理念是重介質(zhì)旋流器與煤泥重介質(zhì)旋流器相結(jié)合，將重力選煤下限降至≤0.25 mm，以減少生產(chǎn)費(fèi)用較高的浮選系統(tǒng)的負(fù)荷，在這種情況下，對(duì)磁鐵礦粉的粒度有更為嚴(yán)格的要求。

按照重介質(zhì)旋流器專(zhuān)家彭榮任的理念，“被選煤粒所排開(kāi)的重懸浮液體積中，至少應(yīng)包含一個(gè)介質(zhì)顆粒，以保證煤粒能在懸浮液中按密度大小進(jìn)行分層”，其推導(dǎo)出以下關(guān)系式：

式(2)中：D為煤粒的分選下限直徑，mm；dmin為磁鐵礦粉顆粒臨界直徑，mm；λ為重懸浮液的體積濃度(以小數(shù)表示)；k為修正系數(shù)。所計(jì)算的體積濃度與磁鐵礦粉顆粒臨界直徑見(jiàn)表1。

體積濃度是指固體體積占懸浮液體積的比值。研究者們認(rèn)為煤炭只能在(1-λ)的空間中才能實(shí)現(xiàn)分選。

根據(jù)表1，A選煤廠外購(gòu)的磁鐵礦粉粒度指標(biāo)應(yīng)該為≤0.045 mm(325 網(wǎng)目)粒級(jí)的含量在90%以上。

表1 重懸浮液的體積濃度與磁鐵礦粉顆粒臨界直徑(當(dāng)D≤0.25 mm時(shí))

4.2.2 磁鐵礦粉的真密度和磁性物含量

磁鐵礦粉的真密度與磁性物含量這兩項(xiàng)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的。磁鐵礦是天然礦物，具有立方晶體結(jié)構(gòu)，屬于尖晶石類(lèi)型，其真密度范圍是4.3～5.2 kg/L。外購(gòu)磁鐵礦粉中的非磁性物實(shí)為磁選精礦中夾雜的礦物雜質(zhì)。因此，外購(gòu)的磁鐵礦粉密度實(shí)際上是包含有磁性物和非磁性物的密度。磁性物含量低，必然導(dǎo)致其真密度低，在配制合格重懸浮液中添加量必然增高，其體積濃度λ也隨之增大，這時(shí)煤粒分選運(yùn)動(dòng)空間隨之減小，因阻力損失，分選速度也隨之減緩。

配制高密度重懸浮液時(shí)，需要添加更多的磁鐵礦粉，如果密度較高，則其體積就小(體積濃度就小)為煤炭留出了較大的分選空間。

因此在入選無(wú)煙煤時(shí)，選煤廠外購(gòu)的磁鐵礦粉真密度應(yīng)該大于4.50 kg/L，磁性物含量高于90%。

A選煤廠為民營(yíng)企業(yè)，技術(shù)力量較薄弱，在外購(gòu)磁鐵礦粉質(zhì)量監(jiān)控上認(rèn)識(shí)不足，整改前礦粉粒度較粗，≤0.045 mm粒級(jí)含量只為80%，真密度僅為4.20 kg/L，磁性物含量只有85%，致使噸煤介耗在2.50～3.00 kg范圍波動(dòng)。后經(jīng)筆者的工作，接納了合理建議，噸煤介耗降到了1.80 kg以下，更為重要的是合格懸浮液的穩(wěn)定性大為提高，為分選無(wú)煙煤創(chuàng)造了必要條件。

5 煤泥含量

煤泥含量是指煤泥占重介質(zhì)懸浮液中固體總量的百分比，在適量時(shí)，可提高重懸浮液的穩(wěn)定性，避免磁性物在分選設(shè)備中沉降分層。但煤泥含量過(guò)大時(shí)，增加了重懸浮液的粘度，阻滯了煤炭按密度分層的運(yùn)動(dòng)速度，使分選效果變差。

粘度是由于懸浮液質(zhì)點(diǎn)間各種內(nèi)力造成的，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)顆粒粘滯阻力增加。煤粒運(yùn)動(dòng)使懸浮液的流體層產(chǎn)生內(nèi)力，內(nèi)力的存在就會(huì)使位移過(guò)程消耗能量，即消耗煤粒的動(dòng)能或位能，使其運(yùn)動(dòng)速度降低。研究者認(rèn)為懸浮液的固體(包括煤泥)體積濃度的極限值λmax應(yīng)為0.20～0.25。

式(3)中：δ1為介質(zhì)粉密度，kg/L；δ2為煤泥密度，kg/L；N為煤泥含量，%。

平均固體(包括介質(zhì)粉和煤泥)體積濃度λ計(jì)算式如下：

式(4)中：Δ為重懸浮液密度，kg/L。

設(shè)介質(zhì)粉密度δ1=4.5 kg/L，無(wú)煙煤煤泥密度δ2=1.60 kg/L，合格介質(zhì)懸浮液密度Δ=1.73 kg/L，按式(3)(4)計(jì)算出在不同煤泥含量時(shí)的λ值(表2)。

表2 不同煤泥含量時(shí)的重懸浮液固體體積濃度

由表2可知，密度為1.73 kg/L的高密度重介質(zhì)懸浮液中，當(dāng)煤泥含量?jī)H為10%時(shí)，固體體積濃度就超出極限值上限了。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)很難將合格重懸浮液的固體體積濃度控制在0.25以下，其中一個(gè)重要原因是選煤廠常選用的是逆流式磁選機(jī)，該類(lèi)磁選機(jī)主要功能是強(qiáng)化磁性物回收兼顧精礦品位，所以精礦并不完全純凈，尤其是精煤磁選機(jī)的精礦中混雜有一定數(shù)量的非磁性物(煤泥)。

A選煤廠的原料煤(無(wú)煙煤)以細(xì)粒為主，其中≤0.045 mm細(xì)煤泥在進(jìn)入重介質(zhì)旋流器后就變成了高密度懸浮液中固相顆粒了，雖然可提高懸浮液的穩(wěn)定性，但增加了懸浮液的粘度，對(duì)煤炭分選產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。

強(qiáng)化分流的目的，就是將合格重介質(zhì)懸浮液中煤泥含量降低。為此，筆者將精煤弧形篩篩下濃懸浮液足夠多地分流到精煤磁選機(jī)進(jìn)行脫泥凈化，即比整改前增加了約15%的分流量。

6 結(jié) 語(yǔ)

A選煤廠原設(shè)計(jì)為分選煉焦煤的選煤廠，近年改選以末煤為主的無(wú)煙煤，合格重懸浮液密度由1.45 kg/L上升到1.73 kg/L，致使其中固相數(shù)量增加近20%，導(dǎo)致正常生產(chǎn)發(fā)生了問(wèn)題。

筆者應(yīng)邀參加了該廠的技術(shù)整改工作，作好以下幾方面工作，取得了顯著成效，使其能在設(shè)計(jì)處理量的條件下正常生產(chǎn)。

(1)在不增加脫介、磁選設(shè)備的條件下，改善操作條件。① 及時(shí)翻轉(zhuǎn)脫介弧形篩篩面，保持篩條對(duì)煤流的切割能力，避免其竄料、跑水；② 提高脫介篩噴水壓力，噴水量增加30%左右，以增加脫介能力；③ 引入濃縮機(jī)澄清的溢流水，將磁選機(jī)入料濃度降到25%以下，杜絕了結(jié)構(gòu)化磁團(tuán)聚現(xiàn)象，并提高了磁性物回收率，保持了高密度合格懸浮液的穩(wěn)定性。

(2)加大了精煤脫介弧形篩濃懸浮液到精煤磁選機(jī)的分流量(約增加15%)，盡量將高密度懸浮液中煤泥含量控制在10%的水平，減小重懸浮液的粘度，提高重介質(zhì)旋流器的分選精度。

(3)購(gòu)用小于0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率≥90%、真密度≥4.50 kg/L、磁性物含量≥90%的磁鐵礦粉，保證高密度重懸浮液的穩(wěn)定性。