煤泥重介工藝在二礦選煤廠無煙煤分選中的應用

李 健，錢文萍

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

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

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旋流器為主要設備，水介分選則有螺旋分選機、干擾床分選機(TBS)、粗煤泥分選機(RC)、智能粗煤泥分選機(TCS)等設備[1]。

1.1 小直徑重介質旋流器

重介質旋流器是利用離心力場在重介質環境下完成分選,在物料流速確定的情況下，旋流器直徑的大小與其內部流場的離心力大小呈負相關。生產實踐表明：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，力場分布梯度大，分選下限低的特點，實現煤泥在離心力場、重介質環境下的細粒度分選[2-3]。

1.2 螺旋分選機

螺旋分選機利用離心力場在水介質環境下實現細粒物料的分選，不同于旋流器的有壓入料方式，螺旋分選機采用恒壓自流方式給料，因此螺旋分選機內部力場分布梯度遠小于小直徑重介質旋流器，從而導致其分選精度不高，分選可能偏差遠高于小直徑重介質旋流器[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]，在上升介質流中實現窄粒級細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備是澳大利亞的帶傾斜板的RC，但國內選煤廠使用的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現高精度分選(分選可能偏差在0.1 g/cm3以下)，但在實際生產中，幾乎無法達到。對于其他幾種設備，現場調研情況是：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；潞安集團新元選煤廠(原華陽集團新元選煤廠)在用的TBS分選可能偏差為0.2 g/cm3左右，且對于<0.12 mm粒級的細顆粒分選效果較差[6]。

比較而言，小直徑重介質旋流器在分選精度和適用性方面均具有明顯的優勢。

五種設備分選工藝指標對比見表1。

表1 各種粗煤泥分選工藝指標對比

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，煤泥重介質旋流器具有分選精度高，適用范圍寬的優點，在分選0.25～0.1 mm粒級時分選可能偏差為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節，系統較為復雜，為簡化工藝流程，可將重介系統的合格介質分流作為煤泥重介工藝的入選原料，利用小直徑重介質旋流器產生的較強的離心力場，實現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。近幾年二礦煤質總體變化趨勢為，原煤煤質明顯變差,可加工為噴吹煤的優質煤源減少，其中：生產8#煤層原煤內在灰分高，當采用大密度排矸生產電煤時，可選性等級為易選；15#煤層原煤經過洗選后，精煤灰分和硫分均可滿足生產要求，當生產灰分為13.73%精煤時，理論分選密度為1.664 g/cm3,實際分選密度為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。跳汰系統主要用于高硫劣質煤的洗選，原煤降灰降硫后產品作為電煤，增加粗煤泥分選工藝后經濟效益提升不明顯。重介系統用于優質低硫煤的洗選，產品主要作為冶金精煤，若通過降低有效分選下限，提高精煤產率，可以取得較為明顯的經濟效益,因此在末煤重介系統增設粗煤泥分選環節比較合理。

由于二礦選煤廠末煤重介系統采用不脫泥無壓三產品重介質旋流器分選工藝，若采用水介方法分選粗煤泥，需要先進行煤泥水磁選脫介，不僅增加系統復雜程度，且會延長煤泥在水中的浸泡時間，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旋流器溢流中介質粒度較細的特點，實現對細粒級煤的分選，從而彌補主選重介質旋流器直徑大分選下限高的缺陷[9]。此外,在二礦選煤廠實際生產過程中，原煤中還會階段性地出現密度接近1.7 g/cm3的低灰分物料，這部分煤與矸石密度差異較小，采用水介分選設備難以回收這部分物料，小直徑重介質旋流器則可利用其分選精度高的優勢對之實現有效分選。綜合考慮二礦選煤廠煤質及原有生產工藝的實際情況,認為二礦選煤廠宜采用煤泥重介工藝來分選回收系統中的粗煤泥。

3 煤泥重介工藝流程及系統配置

3.1 煤質分析

末煤重介系統入料為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、細粒級含量均較高，若處置不當均會給后續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 工藝及設備選擇

15#煤層末原煤洗選兼顧生產動力煤和噴吹煤，由于其中<3 mm粒級含量較高，直接洗選會導致煤泥水系統壓力過大，同時增加煤泥處理難度。為減少細粒煤的入選量，二礦選煤廠采用了3 mm干法脫粉工藝，預先脫除末原煤中的<3 mm粒級，將之直接配入電煤銷售。但在實際生產中，由于原煤水分變化，導致3 mm干法脫粉效果極不穩定：當原煤水分低于6%時，脫粉效率可達60%左右；當原煤水分超過7%時，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致進入重介質旋流器的物料中還含大量<3 mm粒級粗煤泥，若不對之進行有效回收，則會造成資源的極大浪費。

在末煤重介系統設置煤泥重介工藝環節可以有效回收因干法脫泥不徹底而進入重介系統中的粗煤泥，在提高資源利用率的同時降低尾煤產量，確保企業獲得最大的經濟效益。正常情況下(原煤水分在<7%以下)，系統滿負荷運行時，進入末煤重介系統中的<3 mm粒級粗煤泥約為150 t/h，為應對原煤水分增加使脫粉效果驟降而導致的系統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旋流器來回收系統中的粗煤泥。該煤泥重介質旋流器主要技術參數如下：

型號

S-FHMC40

入料粒度范圍/mm

<3

設計處理能力/(t·h-1)

387～400

工作壓力/MPa

0.27～0.32

設備質量/kg

830

增設煤泥重介工藝環節后的末煤重介系統工藝原則流程如圖1所示。該系統主要用于處理15#煤層末原煤，但通過改變煤流走向，亦可兼顧處理劣質末原煤。在生產中，精煤脫介篩篩下合格介質直接進入煤泥合格介質桶，采用DMAC-3型重介工藝參數自動控制系統檢測實際密度后，控制磁選精礦添加量，實現煤泥重介分選密度的調節。煤泥合格介質桶物料一部分返回主選系統,另一部分由泵輸送至煤泥重介質旋流器進行分選，旋流器溢流經過兩級氣動擊打翻轉振動弧形篩預脫水后，篩上物由沉降過濾式離心脫水機脫水，脫水產品直接摻配入精煤產品；旋流器底流進入單獨設立的粉矸石濃縮機濃縮后，由氣動擊打翻轉振動弧形篩預脫水，再經高頻篩脫水后直接作為矸石排棄。

圖1 末煤重介系統工藝原則流程

3.3 介質分流設置

由于煤泥重介系統入料為合格介質分流，無法實現粗煤泥全部進入煤泥重介系統，因此如何平衡煤泥重介系統入料量與去主選系統的合格介質分流量是影響生產穩定性和精煤產率高低的關鍵，也是煤泥重介系統運行管理的難點。

為解決此問題，二礦選煤廠采取了一種靈活可靠的液位調度控制方式，即令精煤脫介篩篩下合格介質先全部進入煤泥合格介質桶，在煤泥合格介質桶下除設置煤泥重介系統入料泵外，再單獨設置一臺變頻介質轉排泵，利用該轉換泵將分流的合格介質轉排至原煤合格介質桶。這樣做的優點是，煤泥合格介質桶除作為煤泥重介的入料桶外，還可兼作大容量的分流桶，解決兩個系統之間介質分配不均衡的問題。

在實際生產中，可通過優先調節轉排泵的流量，在保證煤泥重介系統入料的情況下，確保原煤合格介質桶的運行液位，若轉排量不足導致原煤合格介質桶低液位運行時，則采取向原煤合格介質桶補加介質的方法來維持其液位，而不必過多干擾煤泥重介系統的運行狀態。該管理思路本質上是把煤泥重介系統這個可變量作為定量來考慮，從而大大簡化了生產管理難度。

此外，系統還保留了傳統的合格介質分流環節，可以在煤泥重介系統不運行的情況下，直接實現介質分流，以減少轉排環節，降低生產成本。

3.4 工藝特點

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

(2)傳統煤泥重介系統分流點設置在精煤脫介篩篩下，分流控制機構因動作頻繁容易出現機械故障，此外幾乎無緩沖的自流式分流也很難控制分流精度。系統將分流點設置在煤泥合格介質桶，利用變頻轉排泵實現不間斷分流，大大提高了分流控制精度，實現了末煤重介、煤泥重介系統的動態平衡。

(3)系統安裝了一套DMAC-3型重介工藝參數自動控制系統，實現了合格介質密度控制、分流量控制、各介質桶位在線檢測與控制、旋流器入口壓力檢測等功能，使末煤重介系統與煤泥重介系統實現聯動。

(4)為煤泥重介系統單獨設立粉矸石濃縮池[12]，用于單獨處理煤泥重介質旋流器底流，濃縮池底流經過高頻篩脫水后直接作為矸石排棄，縮短了細顆粒矸石在煤泥水系統中的停留時間，避免了矸石泥化[13]給分選系統造成的不利影響。

(5)粗精煤泥采用沉降過濾式離心脫水機脫水，系統簡單，且能實現>0.074 mm細粒級物料的有效回收[14]，在最大限度回收精煤的同時減少了后續尾煤產量。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粒級高灰細泥[15]，起到提質降灰的作用。

4 生產效果

鑒于生產現場試驗條件限制，不具備煤泥小浮沉試驗條件，擬根據煤泥小篩分試驗數據來進行煤泥重介工藝生產效果的評定。

煤泥重介質旋流器入料及產品小篩分試驗結果見表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, 這部分物料粒度主要在1～0.5 mm之間，為煤泥重介質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45.50%，這部分物料無法通過煤泥重介質旋流器實現有效分選，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個百分點，若脫除<0.045 mm粒級物料，溢流灰分為10.91%，產率為41.77%，可以達到精煤質量要求。

表3 煤泥重介質旋流器入料及產品小篩分試驗結果

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，該機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粒級高灰細泥，對粗精煤泥起到提質降灰的作用。生產實踐表明，經沉降過濾式離心脫水機脫水后，實際粗精煤泥灰分<15%，水分<6%，能夠滿足精煤摻配要求。

在生產中，煤泥重介系統入料由合格介質桶供給，在保證煤泥重介系統入料的條件下，可實現合格介質的統一調度。實際操作時，可在保證介質系統平衡的條件下適當增加煤泥重介系統入料量，以提高精煤產率。

根據生產統計，自2019年四季度煤泥重介系統投入使用后，二礦選煤廠當季度精煤產量比三季度增加3.3萬t。此后經過多次探索調試，使最終精煤產率平均提高了1.9個百分點。精煤與電煤差價按照500元/t計算，自投產以來銷售收入增加約1.75億元。

5 結語

二礦選煤廠采用煤泥重介工藝實現了無煙煤粗煤泥的有效分選，在最大限度回收精煤的同時減少了尾煤產量，取得了良好的效果。該廠通過合理設置合格介質的分流，確保了整個生產系統的穩定運行；同時利用沉降過濾式離心機可脫除粗精煤泥中大部分的<0.045 mm粒級高灰細泥的工作特點，實現了粗精煤泥的提質降灰，滿足了生產要求。但改造也存在著諸如介質供應不合理、管理不夠精細化的問題，今后需進一步加強重介系統介質細度管理，根據生產中各系統對介質細度要求分別提供介質，以進一步提高分選效果、降低介耗，提高企業經濟效益。