智能干選機(jī)在駱駝山洗煤廠應(yīng)用研究

郝俊飛，陶 健

(1.國家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司駱駝山洗煤廠，內(nèi)蒙古 烏海 016000;2.天津美騰科技股份有限公司，天津 300000)

0 引言

煤炭分選主要分為水洗和干選兩個方向[1]。水洗基本采用跳汰、重介、浮選等工藝， 其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)過多年的發(fā)展，工藝已經(jīng)成熟，分選精度滿足生產(chǎn)使用要求。水洗的缺點(diǎn)是建設(shè)投資大、生產(chǎn)成本高，水資源消耗及浪費(fèi)嚴(yán)重[2]。干選是近二十年來一直存在并緩慢發(fā)展的選煤方法，具有不用水、工藝簡單、投資少、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，主要代表工藝是基于振動和風(fēng)選的復(fù)合式干法選煤工藝[3-4]。干選的缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)有效分選，分選精度不滿足生產(chǎn)使用要求。

本文以駱駝山洗煤廠為例。該廠是設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a的大型礦井型洗煤廠。該廠入洗原煤以焦煤和肥煤為主，主要產(chǎn)品為洗精煤、洗中煤。其中：洗精煤產(chǎn)品主要作為煉焦用煤；洗中煤產(chǎn)品主要作為動力煤。通常的設(shè)計(jì)洗選工藝為：在準(zhǔn)備車間內(nèi)，首先對原煤進(jìn)行分級，原煤粒徑大于50 mm的原煤采用檢查性手選；然后將手選出的原煤粒徑破碎至50 mm以下，并與原煤粒徑小于50 mm的篩下物混合運(yùn)至主廠房進(jìn)行洗選。主廠房采用無壓三產(chǎn)品重介旋流器洗選[5]。

但是因調(diào)入原煤煤種多，煤質(zhì)差異大，部分原煤屬露天開采，粒徑50 mm以上的原煤含量高，且原煤在開采時(shí)無粒度控制導(dǎo)致50 mm以上原煤中最大粒度可達(dá)500 mm及以上?，F(xiàn)有原煤選前預(yù)排矸環(huán)節(jié)采用人工手選，手選系統(tǒng)存在以下問題[6]。

①手選工人勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差。②矸石揀出率低，手選系統(tǒng)每年的揀矸量僅為8 000 t/a。大量塊矸石經(jīng)破碎后進(jìn)入后續(xù)洗選系統(tǒng)，增加洗選加工成本。③手選矸石帶煤高，造成損失。④原煤中軟雜物不能有效揀出?；谝陨显?，為降低洗選加工成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、減輕工人勞動強(qiáng)度、改善工作環(huán)境、減少安全隱患，本文將駱駝山洗煤廠人工手選升級為機(jī)械排矸的選煤工藝，實(shí)現(xiàn)了入選原煤量的自動調(diào)節(jié)，保證了入選原煤量的穩(wěn)定。

1 國內(nèi)外同類研究的現(xiàn)狀及技術(shù)比較

目前，國內(nèi)外采用的選煤方法及裝備主要集中在傳統(tǒng)的重介、跳汰、浮選以及干法選煤。世界主要煤炭開采國應(yīng)用的主要選煤裝備如表1所示。

表1 世界主要煤炭開采國應(yīng)用的主要選煤裝備

由表1可知，各國選煤裝備主要是傳統(tǒng)需要借助水和介質(zhì)分選的濕式重力選煤設(shè)備，少量為不需要借助水的干選設(shè)備。從分選物料的粒度角度分析，目前國內(nèi)外除針對末煤和煤泥分選工藝和設(shè)備外，針對駱駝山煤礦粒徑50 mm以上原煤這個粒級的分選設(shè)備主要為動篩跳汰機(jī)、重介淺槽及智能干選機(jī)(telligent dry separator,TDS)。

對上述三種原煤分選工藝進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較。不同原煤分選工藝的對比如表2所示。

動篩跳汰機(jī)以水為介質(zhì)進(jìn)行分選，不需要磁鐵礦粉介質(zhì)。動篩跳汰機(jī)有效分選精度為矸石帶煤率5～8%，不如重介淺槽及TDS，且設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)量較大。此外，動篩跳汰機(jī)無法對500～300 mm的大塊原煤進(jìn)行分選，故不適宜采用動篩跳汰機(jī)。重介淺槽在這三者中的分選精度最高，矸石帶煤率≤1%。但重介淺槽需要借助水、磁鐵礦粉介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對煤炭的分選。配套系統(tǒng)需設(shè)置有產(chǎn)品脫水、煤泥水處理、介質(zhì)回收等系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，噸煤加工費(fèi)也相對較高。另外，重介淺槽無法對粒徑200 mm以上的大塊原煤進(jìn)行分選，故也不建議采用。經(jīng)過上述經(jīng)濟(jì)、技術(shù)對比，本文將探討研究利用TDS智能干選[1-5]排矸工藝來解決選煤廠原煤預(yù)排矸問題，以代替人工手選。

2 TDS智能干選技術(shù)可行性研究

2.1 TDS發(fā)展歷史及研究進(jìn)展

煤炭射線識別干選技術(shù)是色選技術(shù)在礦石分選方面的應(yīng)用[7]。20世紀(jì)60年代，英國即著手進(jìn)行用X射線衰弱法篩選煤和矸石的研究。1973年，第十屆國際選礦大會，D.E.詹金斯等發(fā)表了《X射線選煤機(jī)》一文，介紹了由英國國家煤業(yè)局和岡生公司合作研制的X射線選煤機(jī)。該機(jī)型最高處理能力達(dá)25 t/h。紐米蘭丹礦粒徑小于60 mm的原煤試驗(yàn)分選效果為：矸石帶煤12.2%～22.6%、煤中帶矸23.2%～31.8%。中國于1988年開始研究用于煤炭分選的射線干選技術(shù)[8]，近年來發(fā)展飛速。目前，普遍采用γ射線或X射線識別技術(shù)對煤和矸進(jìn)行識別，以實(shí)現(xiàn)煤矸分離。截止到2014年，國內(nèi)報(bào)道的射線干法分選機(jī)分選精度整體水平為[9-10]：矸石帶煤5%～10%、煤中帶矸10%～20%。由于分選精度低，無法替代傳統(tǒng)的濕式重介分選，該方案未得到廣泛推廣。2015年起，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，有些企業(yè)開始高精度智能射線干選機(jī)的研發(fā)，智能射線干選技術(shù)進(jìn)入快速開發(fā)期。2016年6月19日，大塊煤TDS在山西投入使用。該設(shè)備分選粒級為50～300 mm，而超過300 mm的矸石也能夠排出系統(tǒng)。其分選精度達(dá)到矸石帶煤率0.85%，矸石排出率98%。目前，TDS已經(jīng)開發(fā)出針對多種粒級的分選設(shè)備[11](包括50～300 mm、25～100 mm、10～30 mm等)，分選帶寬為800～4 000 mm，識別手段有“X射線”單源識別和“X射線+電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)圖像”雙源識別等。

2.2 TDS工作原理

TDS采用的智能識別方法是結(jié)合X射線和CCD圖像雙重識別技術(shù)，并針對不同的煤質(zhì)特征建立與之相適應(yīng)的分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析數(shù)字化地識別煤與矸石。TDS通過高頻電磁閥驅(qū)動陣列式氣槍噴吹改變煤或矸石的運(yùn)動軌跡，從而實(shí)現(xiàn)煤與矸石的精確分選。TDS結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 TDS結(jié)構(gòu)原理圖

TDS作為近年研發(fā)成功并推廣應(yīng)用的設(shè)備，首先需確認(rèn)TDS在駱駝山洗煤廠應(yīng)用的可行性。

2.3 半工業(yè)試驗(yàn)研究

半工業(yè)試驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證TDS能否用于煤礦粒徑50 mm以上的原煤的分選。試驗(yàn)采集粒徑50 mm以上原煤(取樣煤層分別為蘇海圖13#-1、12#-1、9#-1、14#、12#下)共2 068 kg，在工業(yè)樣機(jī)上進(jìn)行智能干選半工業(yè)試驗(yàn)。由于該廠采用配煤入洗，故本次試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際配煤情況。采樣統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)配比方案如表3所示。

表3 采樣統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)配比方案

①配煤比例一為12#下∶14#∶12#-1 = 3∶2∶1。

②配煤比例二為12#下∶3#-1∶12#-1 = 3∶2∶1。

本組試驗(yàn)首先采用單源(X 射線)識別方式，對兩種配煤比例分別試驗(yàn)三次。

半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(配煤比例一，單源識別)如表4所示。

表4 半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(配煤比例一，單源識別)

表4所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為2.95%，排矸率為97.13%。

半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(配煤比例二，單源識別)如表5所示。

表5 半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(配煤比例二，單源識別)

表5所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為3.11%，排矸率為95.86%。

本組試驗(yàn)說明：TDS單源識別(X射線)排矸效果明顯，分選精度接近要求的技術(shù)指標(biāo)。但矸石帶煤率還是偏高，說明僅靠單源識別(X射線)不能保證分選效果。

為提高分選精度，本文在X射線識別基礎(chǔ)上引入CCD圖像識別技術(shù)，從而進(jìn)一步探討雙源識別(X射線+CCD圖像)的試驗(yàn)效果。

基于圖像識別技術(shù)的煤與矸石自動識別，是以計(jì)算機(jī)為核心、結(jié)合光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的新型選煤技術(shù)。它根據(jù)模式識別原理，利用CCD攝像頭對煤炭輸送過程進(jìn)行監(jiān)測，通過圖像采集卡將拍攝到的連續(xù)圖像輸人計(jì)算機(jī)以不斷進(jìn)行圖像處理，并運(yùn)用圖像處理算法對其進(jìn)行分析、識別，最終達(dá)到將煤塊和矸石區(qū)分的目的。

本組試驗(yàn)采用雙源(X射線+CCD圖像)識別方式，兩種配煤比例分別試驗(yàn)三次。半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(配煤比例一，雙源識別)如表6所示。

表6 半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表(配煤比例一，雙源識別)

表6所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為2.24%，排矸率為99.07%。

半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果(配煤比例二，雙源識別)如表7所示。

表7 半工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表(配煤比例二，雙源識別)

表7所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為2.57%，排矸率為98.12%。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，雙源識別組的排矸效果均優(yōu)于單源識別組，分選精度也高于單源識別組，滿足指標(biāo)要求。這說明采用雙源(X射線+CCD圖像)識別的TDS適用駱駝山洗煤廠的粒徑50 mm以上原煤分選。

3 TDS的改造應(yīng)用研究

3.1 改造后工藝流程

原煤經(jīng)50 mm篩分后，粒徑50 mm以上物料(包括50～300 mm、300～500 mm、+500 mm)通過振動布料器的布料后進(jìn)入TDS分選。當(dāng)原煤中煤多矸少時(shí)，TDS執(zhí)行打矸工藝，干選矸石直接進(jìn)入矸石池。長遠(yuǎn)來看，駱駝山煤少矸多。屆時(shí)，TDS可在線切換打煤工藝。干選矸石經(jīng)限下篩分器(即滾軸篩)進(jìn)行50 mm篩分：篩上物作為最終矸石進(jìn)入矸石池，篩下碎煤進(jìn)入主洗系統(tǒng)。TDS排矸后的原煤經(jīng)現(xiàn)有破碎機(jī)破碎至粒徑50 mm以內(nèi)后，與原煤分級篩下的末煤一起進(jìn)入主洗系統(tǒng)。改造后工藝原理如圖2所示。

圖2 改造后工藝原理圖

3.2 工藝設(shè)備選型

駱駝山原煤處理能力為568.18 t/h。該廠外來煤中塊率最大的蘇海圖煤礦12#煤粒徑50 mm以上產(chǎn)率30%、煤流系統(tǒng)不均衡系數(shù)K=1.15，計(jì)算TDS智能干選系統(tǒng)的小時(shí)量為568.18 t/h×30%×1.15=196.02 t/h。

主要工藝設(shè)備選型如表8所示。

表8 主要工藝設(shè)備選型表

3.3 改造工藝布置

本次改造采用TDS代替手選，在現(xiàn)有準(zhǔn)備車間改造。由于原煤準(zhǔn)備車間空間有限，常規(guī)長度TDS無法布置，故本文在不影響布料效果和分選精度的前提下，研究設(shè)計(jì)出超短型TDS，以滿足現(xiàn)場布置要求，盡量減少土建改造工程量。具體改造如下：將原203手選皮帶機(jī)頭的除鐵器移位至來料皮帶201機(jī)頭處；在9.00 m平面拆除203手選皮帶、抬高并后移原煤分級篩，原煤分級篩出料口后面依次布置振動布料器和TDS；在5.00 m平面，原204破碎機(jī)位置不變，在破碎機(jī)西側(cè)布置一臺矸石限下篩分器，篩上矸石直接溜出車間外進(jìn)入新建矸石池。

4 應(yīng)用效益分析研究

手選是靠人持續(xù)、機(jī)械式的勞動，揀出大塊矸石及雜物。但是，手選受人為因素影響(疲憊和疏忽)，尤其是當(dāng)原煤中矸石量較大時(shí)，矸石揀出率不能保證。這導(dǎo)致進(jìn)入后續(xù)洗選系統(tǒng)的原煤質(zhì)量波動較大。本文研究應(yīng)用原煤TDS智能干選系統(tǒng)，代替人工手選。這將產(chǎn)生如下經(jīng)濟(jì)效益。

①節(jié)省人工費(fèi)。駱駝山洗煤廠原煤采用智能干選工藝后，正常生產(chǎn)中可實(shí)現(xiàn)無人值守，可解放6名手選工人，按照10萬元/人·年計(jì)，每年可節(jié)約手選工人工成本約60萬元。

②節(jié)省塊煤破碎機(jī)維修費(fèi)及電費(fèi)。改造后，絕大多數(shù)塊矸石可有效預(yù)先排出，降低了破碎機(jī)的正常損耗，使齒板壽命可由半年提高至兩年并降低了破碎機(jī)的維修量，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省維修費(fèi)20萬元。另外，破碎機(jī)以破碎原煤為主，功耗可降低50%，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省電費(fèi)15.44萬元。累計(jì)節(jié)省破碎機(jī)電費(fèi)及維修費(fèi)35.44萬元。

③節(jié)省手選皮帶維修費(fèi)。203手選皮帶每年的維檢費(fèi)用(含托輥、滾筒包膠及其他)約為3萬元。采用TDS代替手選后，可節(jié)省這部分維修費(fèi)。

④節(jié)省矸石洗選加工費(fèi)。TDS減少了未揀出矸石進(jìn)入洗選系統(tǒng)的概率，可有效緩解塊矸石對主洗車間管道、溜槽、設(shè)備等的磨損，在減輕設(shè)備損耗的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。按照矸石排出率95%計(jì)，采用TDS智能干選系統(tǒng)每年可排出矸石約28.5萬噸。按照重介洗選加工費(fèi)20元/噸原煤計(jì)，每年可節(jié)省重介洗選系統(tǒng)加工費(fèi)(28.5萬噸-0.8萬噸)×20元/噸=554萬元。

⑤節(jié)省浮選系統(tǒng)加工費(fèi)。TDS減少了大量塊矸石破碎后進(jìn)入主洗系統(tǒng)的可能，避免了這部分矸石遇水泥化，減輕了煤泥水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，有利于煤泥重介和浮選環(huán)節(jié)的分選精度穩(wěn)定。按照次生煤泥產(chǎn)率5%，煤泥浮選系統(tǒng)加工費(fèi)30元/噸煤泥計(jì)，每年可節(jié)省浮選系統(tǒng)加工費(fèi)(28.5萬噸-0.8萬噸)×5%×30元/噸=41.55萬元。

⑥有效適應(yīng)原煤矸石含量的波動，保證進(jìn)入旋流器原煤數(shù)、質(zhì)量的均勻穩(wěn)定。一方面，無論原煤矸石量升高還是降低，智能干選系統(tǒng)均能保證塊矸石的排出率，使得進(jìn)入旋流器的入洗原煤質(zhì)量穩(wěn)定；另一方面，鑒于智能干選系統(tǒng)排矸率穩(wěn)定，可通過精準(zhǔn)控制煤坑下原煤不同的給煤量，使得進(jìn)入旋流器的入洗原煤數(shù)量均勻。

⑦提高洗煤廠智能化水平，降低安全隱患。TDS智能化程度的提高，使原煤預(yù)排矸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無人值守，降低了人員安全隱患。

⑧TDS系統(tǒng)增加生產(chǎn)成本。TDS系統(tǒng)與現(xiàn)有手選系統(tǒng)相比，主要增加了電費(fèi)及維修費(fèi)，其中電費(fèi)每年增加約58.50萬元(電費(fèi)按0.5元/kW·h計(jì))，維修費(fèi)(主要為TDS維修費(fèi))增加約35萬元，合計(jì)增加約93.5萬元。

經(jīng)上述應(yīng)用效益分析研究，使用TDS后的綜合效益累計(jì)節(jié)省成本590.49萬元。

5 結(jié)論

以X射線為基礎(chǔ)識別方式的TDS是近年來比較流行的新型選煤設(shè)備，其運(yùn)用的智能干選技術(shù)實(shí)現(xiàn)了選煤理論的創(chuàng)新。本文以駱駝山洗煤廠為例，經(jīng)過半工業(yè)試驗(yàn)研究，采用雙源識別(X射線+CCD圖像)的TDS可以對該洗煤廠的煤與矸石有效識別，并通過高壓風(fēng)執(zhí)行系統(tǒng)將塊矸石排出。該方法分選精度高，排矸率高，適用于原煤的選前預(yù)排矸。通過改造應(yīng)用研究，該系統(tǒng)簡潔，設(shè)備臺數(shù)少，布置可行，實(shí)施難度小，可有效提高經(jīng)濟(jì)效益。