塊煤分選工藝的優(yōu)化研究

齊正義，賈存瑞，代現(xiàn)法

(1.中煤科工集團(tuán) 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

1 概 述

在選煤工藝中，塊煤的分選是煤炭洗選前處理及動(dòng)力煤提質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，很好地排除塊煤中的矸石是減少后續(xù)選煤生產(chǎn)及產(chǎn)品儲(chǔ)裝運(yùn)負(fù)荷的有效手段，還可降低功耗及加工成本。塊煤分選的作用：一是排出塊煤中矸石，生產(chǎn)出低灰、高發(fā)熱量的大塊精煤；二是代替手選排矸，初步排出大塊矸石后的煤炭經(jīng)破碎后進(jìn)入分選環(huán)節(jié)。

煤炭高效分選工藝裝備的分選物料粒度上限一般在100 mm以下，重介質(zhì)旋流器分選入料上限一般為50 mm，大直徑(φ1 200 mm以上)重介質(zhì)旋流器可達(dá)80 mm，但為了防止上游分級(jí)設(shè)備粒度控制不嚴(yán)格，一般粒度上限也要控制低一些，最好是50 mm以下，全級(jí)入洗工藝就必須要將50 mm以上原煤破碎。因此，排出50 mm以上原煤中的矸石(塊矸)，就尤為重要，第一，可以減少末煤環(huán)節(jié)的入洗量，因此減少介耗、水耗及懸浮液循環(huán)量，也就降低了電耗和選煤成本；第二，減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)的運(yùn)量和破碎機(jī)的入料量，降低矸石對(duì)相關(guān)設(shè)備的磨損，延長其使用壽命。因此，在選煤廠生產(chǎn)工藝中塊煤排矸環(huán)節(jié)尤為必要。

我國目前較常見的塊煤分選設(shè)備有動(dòng)篩跳汰機(jī)、重介質(zhì)斜輪分選機(jī)、重介質(zhì)立輪分選機(jī)、重介質(zhì)淺槽分選機(jī)以及近幾年發(fā)展較快的智能干選等。東北、內(nèi)蒙地區(qū)等老煤炭基地的一些選煤廠多采用斜輪重介質(zhì)分選機(jī)分選塊煤工藝。

大隆煤礦煤質(zhì)為長焰煤，為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，選煤廠目前采用塊煤(300～13 mm)斜輪排矸生產(chǎn)工藝。

古山三井選煤廠原設(shè)計(jì)是一座礦井型選煤廠，洗選動(dòng)力煤，1983年投產(chǎn)，原煤 大于13 mm塊煤斜輪分選、小于13 mm末煤不分選。

元寶山露天礦選煤廠采用斜輪分選機(jī)處理大于50 mm原煤，50 mm以下原煤采用重介旋流器分選。

呂家坨選煤廠、錢家營選煤廠均是波蘭進(jìn)口全套設(shè)備、工藝的選煤廠，大于50 mm塊煤采用立輪分選機(jī)分選，末煤采用重介質(zhì)旋流器分選。

新汶、濟(jì)寧及山西省部分選煤廠是20世紀(jì)90年代以前設(shè)計(jì)建造的選煤廠，采用動(dòng)篩跳汰機(jī)排矸工藝排除大于50 mm塊原煤中的矸石。隨著設(shè)備的老化，配件供應(yīng)不及時(shí)，維修費(fèi)用大，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備突發(fā)性事故，影響選煤廠、礦井的生產(chǎn)；由于設(shè)備的局限性，分選效率低，造成精煤損失或排矸不徹底的問題。

近幾年，隨著智能化選煤廠、智能礦山建設(shè)理念的提出，智能干選技術(shù)裝備開始應(yīng)用于塊煤排矸領(lǐng)域，該技術(shù)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)排矸[1]。對(duì)于不同的煤質(zhì)事先進(jìn)行預(yù)分選試驗(yàn)，智能干選利用煤和矸石的性質(zhì)不同，采用X射線進(jìn)行鑒別，將鑒別結(jié)果反饋到中央處理單元，可設(shè)置成排純矸或排純煤方式[2]，無論是排煤或排矸都存在分選效率較低、排矸不徹底、煤炭損失問題。有些煤質(zhì)因矸石和煤炭鑒別性較差而不適合采用智能干選技術(shù)。

2 塊煤斜輪分選技術(shù)

斜輪和立輪分選工藝系統(tǒng)、基建投資、分選效率是相同的，只是設(shè)備提矸輪的布置形式不同。斜、立輪重介分選機(jī)排矸同屬于重介質(zhì)分選工藝，因此分選精度高，是20世紀(jì)50、60年代針對(duì)塊煤分選而開發(fā)的分選設(shè)備。該技術(shù)分選效率高，精煤損失小或沒有精煤損失，矸石中不含精煤，精煤中也基本上不含矸石。

其特點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)部位不接觸介質(zhì)，這樣可以大大減輕設(shè)備的磨損，但設(shè)備龐大、占廠房體積大，增大了基建投資，另外設(shè)備易損壞，維修量大。因此，沿用此設(shè)備的選煤廠越來越少，生產(chǎn)此設(shè)備的企業(yè)也越來越少，備品備件的供應(yīng)短缺。

斜輪分選機(jī)屬提升輪式重介質(zhì)分選機(jī)，是借助懸浮液在重力場(chǎng)中物料按密度分選的設(shè)備。其結(jié)構(gòu)特征是提升輪在分選槽之外，下部與分選槽相通，提升輪的直徑可以很小，只要其提升高度最高點(diǎn)高于分選槽液面即可[3]。所以設(shè)備整體高度低。當(dāng)然，為了降低介耗，需要保持一定的提升高度。斜輪重介質(zhì)分選機(jī)具備以下特點(diǎn)：

(1)浮煤由排煤輪強(qiáng)制排出，提高分選速度，降低懸浮液循環(huán)量，分選槽使用面積利用率高，因此處理量大，并允許通過大直徑物料顆粒(可達(dá)1 000 mm)[4]；

(2)占地面積較大，排矸輪與分選槽底之間易積存小塊矸石等物料，造成設(shè)備磨損；因其傳動(dòng)形式所致，整機(jī)故障率很高[4]。

3 動(dòng)篩跳汰機(jī)分選技術(shù)

動(dòng)篩跳汰機(jī)的設(shè)計(jì)是德國公司針對(duì)大塊(400 mm)原煤排矸設(shè)計(jì)的。目的是解決以下這些工藝存在的問題，如重介排矸帶來的系統(tǒng)復(fù)雜、成本增加問題；采用脈動(dòng)水流動(dòng)力的普通跳汰機(jī)入料上限不超過150 mm，否則需要成倍增加頂水量和能耗；人工揀矸的勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且有很大的誤揀現(xiàn)象。

動(dòng)篩跳汰機(jī)分選系統(tǒng)不需要脫水(介)篩及煤泥水澄清裝置，也不需要配套的風(fēng)、水系統(tǒng)。

3.1 動(dòng)篩跳汰機(jī)結(jié)構(gòu)及分選原理

動(dòng)篩跳汰機(jī)根據(jù)篩體驅(qū)動(dòng)形式分為2種：以曲柄連桿等機(jī)械機(jī)構(gòu)為動(dòng)力的機(jī)械式動(dòng)篩跳汰機(jī)和以液壓系統(tǒng)為動(dòng)力的液壓驅(qū)動(dòng)式動(dòng)篩跳汰機(jī)[5]。

動(dòng)篩跳汰機(jī)是靠機(jī)械力驅(qū)動(dòng)篩板在水介質(zhì)中做上下周期性運(yùn)動(dòng)，使篩板上物料松散，實(shí)現(xiàn)按密度分層。上層的輕物料經(jīng)溢流堰落入提升輪前段作為精煤排出，下層的矸石經(jīng)排矸輪落入提升輪后段排出[6]。

3.2 動(dòng)篩跳汰機(jī)現(xiàn)狀

德國KHD洪堡.威達(dá)格公司研制的液壓驅(qū)動(dòng)的ROMJIG動(dòng)篩跳汰機(jī)分選塊煤效果良好，并具有設(shè)備緊湊、工藝簡(jiǎn)單、分選效率高等特點(diǎn)[5]。

國內(nèi)生產(chǎn)動(dòng)篩跳汰機(jī)還存在著許多不足：液壓式動(dòng)篩跳汰機(jī)故障率較高，機(jī)械式動(dòng)篩跳汰機(jī)工藝參數(shù)不能在線調(diào)節(jié)、矸石帶煤率偏高等[1]。

動(dòng)篩跳汰機(jī)分選指標(biāo)較差，造成精煤損失[7]，機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此故障率高，維修量大、配件供應(yīng)不及時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)、加大生產(chǎn)成本。因此，選煤廠紛紛進(jìn)行以淺槽重介質(zhì)分選機(jī)替換動(dòng)篩跳汰機(jī)的改造。

4 風(fēng)選排矸技術(shù)

4.1 風(fēng)力干選機(jī)

傳統(tǒng)的以風(fēng)為介質(zhì)的風(fēng)力搖床干選機(jī)，其原理是在低風(fēng)壓、大風(fēng)量的作用下，使物料在搖床上松散，在搖床和風(fēng)的作用下分層并向排料口方向移動(dòng)，完成分選過程。因此類型干選機(jī)分選效率較低，精煤損失率達(dá)15%，適合在偏遠(yuǎn)、缺水環(huán)境、煤種比較普通情況下使用。

4.2 智能風(fēng)選

最近幾年推出的智能干選機(jī)，其原理是利用煤炭和矸石對(duì)射線(X射線，γ射線)的吸收和反射能力的差別，采用智能識(shí)別的方法進(jìn)行識(shí)別[8]，再用高壓風(fēng)將矸石或煤塊(25～200 mm)吹離運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)煤塊和矸石的分離分選[2，9]。在滿足其所需要的生產(chǎn)條件的前提下，其分選精度為；精煤中含矸石6.5%左右、矸石中含精煤1.5%左右[10]，如果要求精煤中含矸率更低的話，矸石中含煤率就會(huì)增加。

其特點(diǎn)是不用水源，不產(chǎn)生煤泥水。但是由于其自身的局限性也存在一些待提高的問題：

(1)對(duì)原煤分級(jí)效率(限下率)要求高，因?yàn)榧?xì)顆粒物料容易被誤判、誤吹而錯(cuò)配；

(2)要求布料均勻，物料之間無疊壓，否則容易被誤判、誤吹而錯(cuò)配；

(3)X射線屬有害射線，對(duì)人體免疫系統(tǒng)、造血系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)都有一定危害。雖然設(shè)備有外殼保護(hù)，設(shè)備附近的射線劑量為2.5 μSv/h，距離設(shè)備1 m處的射線劑量為1 μSv/h[10]，對(duì)操作、維修人員身體健康會(huì)有一定的影響。因此，射線劑量值是一個(gè)不容忽視的問題；

(4)由于設(shè)備的性質(zhì)，干選機(jī)都會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，因此對(duì)除塵設(shè)施要求較高，一旦出現(xiàn)除塵設(shè)施故障、失效等情況，就會(huì)產(chǎn)生粉塵污染。

5 淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選技術(shù)

5.1 淺槽分選機(jī)特點(diǎn)

淺槽重介質(zhì)分選機(jī)是一種重介分選設(shè)備，設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)構(gòu)緊湊。根據(jù)原煤性質(zhì)及用戶對(duì)產(chǎn)品的要求，原煤在充滿一定密度的懸浮液的槽體中，依據(jù)阿基米德原理按密度進(jìn)行分選，因此分選精度高，處理量大，耗能低。

淺槽重介質(zhì)分選機(jī)用于大型選煤廠塊煤排矸，可以與重介旋流器配合在大型選煤廠用于精選大粒度級(jí)塊煤，是煤礦地面選煤廠和井下選煤廠理想的煤炭分選設(shè)備。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理能力大，每米槽寬處理能力達(dá)100 t/h；

(2)分選精度高，操作簡(jiǎn)單，適用于難選煤的分選，對(duì)煤質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)；在實(shí)踐應(yīng)用中，塊煤分選排矸可能偏差平均在0.03左右，數(shù)量效率98%以上；

(3)分選粒度范圍300～13 mm，一些選煤廠把粒度下限降到了10 mm甚至6 mm。分選密度范圍1.2～1.9(2.0) g/cm3；

(4)介耗低，噸煤可達(dá)0.3 kg以內(nèi)，耗電量小，生產(chǎn)、維修成本低，大大降低生產(chǎn)成本。

5.2 淺槽分選機(jī)應(yīng)用

淺槽重介質(zhì)分選機(jī)應(yīng)用在動(dòng)力煤、煉焦煤的塊煤及塊末煤的精選與排矸。隨著國家對(duì)礦井的壓產(chǎn)限產(chǎn)，許多煤礦想到了矸石不升井的措施，在井下建立淺槽重介質(zhì)分選機(jī)排矸系統(tǒng)，將選出的矸石作為井下回填材料，增加礦井的有效產(chǎn)能；有些礦井隨著開采年限的增加、煤層條件的變化，原煤中大塊矸石含量越來越多，影響選煤廠后續(xù)環(huán)節(jié)的分選效率、增加洗選成本，經(jīng)常造成重介旋流器、溜槽、管路堵塞等情況。預(yù)先精確排矸，生產(chǎn)出低灰、高發(fā)熱量的大塊精煤，或排出大塊矸石后，可為后續(xù)破碎、末煤分選系統(tǒng)降低負(fù)荷，降低煤泥水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、降低加工成本。

以安居選煤廠淺槽重介質(zhì)分選機(jī)排矸實(shí)踐為例，該廠原動(dòng)篩車間塊煤分選下限50 mm，50 mm以下原煤進(jìn)入重介質(zhì)旋流器分選。淺槽車間投入運(yùn)行后，大于25 mm級(jí)原煤進(jìn)入淺槽分選機(jī)分選，根據(jù)原煤篩分資料，50～25 mm級(jí)占原煤18.77%，產(chǎn)量為42.65 t/h，原煤分級(jí)篩分級(jí)粒度改成25 mm，減少了進(jìn)入末煤車間的原煤量，解決了末煤車間因入料量大而產(chǎn)生的分選效率低、脫介不完全，產(chǎn)品帶介問題。

安居礦井原煤產(chǎn)量為400 t/h，根據(jù)原煤資料，大于25 mm塊煤約占原煤的36.35%，產(chǎn)量為145.4 t/h，選擇2516型高排矸能力淺槽分選機(jī)，用于大于25 mm原煤排矸替換現(xiàn)有動(dòng)篩跳汰機(jī)[7]。

原煤浮沉資料如表1所示，分選密度為1.70 g/cm3時(shí)，矸石灰分為82.32%，產(chǎn)率47.76%(占?jí)K煤)。

表1 50～25 mm自然級(jí)浮沉試驗(yàn)結(jié)果

可選性曲線如圖1所示。

經(jīng)對(duì)產(chǎn)品采樣化驗(yàn)，效果分析見表2。從表2看出，淺槽重介質(zhì)分選機(jī)可能偏差Ep值0.02 g/cm3，分選精度高，精煤中不含矸石，矸石中不含小于1.8 g/cm3密度級(jí)的煤，數(shù)量效率比動(dòng)篩分選平均提高15%以上。

表2 QG2516淺槽重介質(zhì)分選機(jī)選煤效果分析

6 結(jié) 語

塊煤分選工藝是原煤準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)備選型時(shí)既要對(duì)煤質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析，又要針對(duì)后續(xù)末煤環(huán)節(jié)所采用的工藝進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，還要考慮分選效率和經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)閴K煤準(zhǔn)備系統(tǒng)的分選效率直接影響末煤環(huán)節(jié)的分選效率和加工成本。

目前，在滿足設(shè)備高分選效率的前提下，選煤工作者應(yīng)加強(qiáng)選煤工藝及設(shè)備在環(huán)保、可靠性、低能耗方面的研究。結(jié)合智能化選煤的需求，提高設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平的研究，比如：故障自診斷、故障報(bào)警；對(duì)分選參數(shù)、入料性質(zhì)的自適應(yīng)、學(xué)習(xí)功能；對(duì)產(chǎn)品要求變化的自適應(yīng)調(diào)整等方面的功能研究等。以加快設(shè)備、工藝技術(shù)的智能化水平提高，進(jìn)而為選煤廠智能化及高自動(dòng)化水平提供有力保障。