對中國2種選煤工藝技術(shù)的評議
——重介選煤分選工藝技術(shù)及浮選工藝技術(shù)的新進(jìn)展

鮑勃·霍列斯，吉米·余

(美國丹尼斯公司，西弗吉尼亞 藍(lán)田 24701)

1 重介和浮選工藝簡介

近年來，在世界選煤領(lǐng)域重介質(zhì)選煤設(shè)備和工藝取得重大進(jìn)展的應(yīng)當(dāng)是三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其分選工藝，特別是在中國得到成功應(yīng)用。目前由國華科技研發(fā)的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器已被廣泛應(yīng)用于約600座選煤廠，總處理能力達(dá)808.0 Mt/a。該設(shè)備在蒙古、土耳其、印度等國也得到工業(yè)應(yīng)用。它之所以得到廣泛推廣的主要原因之一是：三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝具有簡化、高效的特點(diǎn)，尤其是其與煤泥重介質(zhì)旋流器工藝相結(jié)合時，在原煤單體解離程度良好的情況下，可選性良好的條件下，可以形成一個大于100網(wǎng)目(0.15 mm)粒級的重介質(zhì)旋流器分選工藝生產(chǎn)系統(tǒng)。

最近，國華科技的超級兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器被進(jìn)一步開發(fā)并應(yīng)用于分選密度非常高的油頁巖，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器被用于分選出兩種產(chǎn)品，即富含油的精礦產(chǎn)品和低含油的尾礦，第一段旋流器產(chǎn)品和第二段旋流器的產(chǎn)品合并作為最終精礦產(chǎn)品。因此三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在此的應(yīng)用可稱為兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，分選密度高達(dá)2.4～2.5 kg/L，入料粒度上限可達(dá)250 mm。在全球范圍內(nèi)，油頁巖總儲量比煤炭儲量還要多40%，中國也存在類似的狀況。眾所周知，中國常規(guī)石油儲量與其它大國相比非常低，大部分石油是從其它國家進(jìn)口的。因此，從油頁巖中提煉石油可以成為中國獲得石油資源的一條途徑。降低加工油頁巖提取石油的成本是非常重要的，加工油頁巖原礦是降低整體產(chǎn)油成本的第一步。據(jù)估算，使用重介質(zhì)旋流器分選工藝提純油頁巖可降低大約60%～70%的總產(chǎn)油工藝成本。由于使用兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝技術(shù)，油頁巖的可開采儲量也可得到顯著增加。

噴射式浮選機(jī)并不是一種浮選新設(shè)備，1967年中國發(fā)明的2臺噴射式浮選機(jī)早已在選煤廠應(yīng)用。由于它效率高，維護(hù)成本低，分選效果好，在中國的選煤領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本世紀(jì)以來，已在400多座選煤廠中成功安裝使用了600余臺噴射式浮選機(jī)。所研發(fā)的噴射系列浮選機(jī)單室容積為4～46 m3(140～1 610立方英尺)，一般為4室1組，每組浮選機(jī)的容積16～184 m3(560～6 440立方英尺)，最大煤漿處理能力高達(dá)1 840 m3/h(8 103 GPM)。中國的噴射式浮選機(jī)直到在美國非常成功應(yīng)用后，才逐漸廣為人知。西弗吉尼亞州南部的2座選煤廠及弗吉尼亞州的1座選煤廠各應(yīng)用了1臺噴射式浮選機(jī)，生產(chǎn)實踐表明，該系列浮選機(jī)對美國細(xì)煤泥具有非常好的適應(yīng)性。其中一座選煤廠原先使用的是浮選柱，對比試驗測定表明，中國的噴射式浮選機(jī)的性能比浮選柱好得多。

2 重介質(zhì)旋流器分選工藝的最新進(jìn)展

2.1 重介選煤工藝的進(jìn)展

在傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器分選工藝中，煤顆粒通常與重介質(zhì)懸浮液一起由泵送入傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器中，泵的壓力P按以下計算式計算：

P=(9～10)D·Δ·105

(1)

式中：Δ——懸浮液密度，kg/m3；

D——重介質(zhì)旋流器內(nèi)徑，m。

由這壓力轉(zhuǎn)化為旋流器內(nèi)的離心力場，從而有效下限可達(dá)0.5 mm，其中旋流器對-0.5 mm分選的Ep值約為0.1 kg/L或更小。泵壓力的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致煤顆粒顯著粉碎、細(xì)粒級物料增加，最終使選煤廠運(yùn)營成本提高。此外，泵壓力的增加還會導(dǎo)致泵和管道等的磨損加劇和能耗顯著提高。

在0.5～0.15 mm(35～100 網(wǎng)目)(又稱粗煤泥)粒級中，長期以來缺失一種處理此粒級的精確分選方法，對浮選來說這個粒級又太大，很多煤粒會損失在尾煤中，對傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器分選工藝這個粒度又太小無法實現(xiàn)按密度精確分離。水介質(zhì)分選裝置(如水介質(zhì)旋流器、螺旋分選機(jī)、改進(jìn)型的干擾床Reflux Classifier分選機(jī)和普通的干擾床Teeter-Bed分選機(jī))是分選粗煤泥的典型選擇。然而，這些工藝分選效果不盡人意，尤其是對于難選煤的粗煤泥顆粒效果更差。

泵入三產(chǎn)品旋流器第一段的重介壓力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)重介旋流器的有壓給料。在這種情況下，泵壓力升高產(chǎn)生的巨大離心力可以有效地將分選下限降低至0.25 mm(60網(wǎng)目)。在第一段旋流器中大于0.5 mm粒級分選的Ep值為0.020～0.025 kg/L，而0.5～0.25 mm(35～60 網(wǎng)目)煤粒的分選Ep值可達(dá)到0.065～0.09 kg/L。無壓給料三產(chǎn)品重介旋流器與煤泥重介質(zhì)旋流器分選工藝的完美結(jié)合填補(bǔ)了世界上大于0.15 mm全粒級重介選煤工藝的這一選煤技術(shù)上的空白。眾所周知，重介選煤工藝是目前最高效和最精確的分選方法。國華科技開發(fā)的這一全重介分選工藝將分選下限降到最小，用目前最高效的分選方法回收盡可能多的粗煤泥精煤，這將有效提高整個選煤廠的精煤產(chǎn)率，以生產(chǎn)更多的精煤，特別是寶貴的煉焦煤資源。僅單一低密度重介懸浮液被泵入旋流器中，而原煤是無壓給入旋流器(不經(jīng)過泵)，原煤也不需要使用脫泥篩預(yù)先脫泥，因此這種分選工藝可以降低原煤的破碎。

在重介質(zhì)旋流器一段(圓柱形)中原煤被分離成精煤和較重的組分時，磁鐵礦粉也同時被分離成較細(xì)和較粗的顆粒。磁鐵礦粉中較粗重部分與煤中的較重組分一起進(jìn)入重介質(zhì)旋流器的二段。磁鐵礦粉中的較細(xì)部分與精煤產(chǎn)品一起從精煤出口(一段溢流口)排出。由于重介質(zhì)在一段旋流器中的這種粒度分級效應(yīng)，進(jìn)入二段旋流器的重介質(zhì)密度遠(yuǎn)高于一段旋流器中的介質(zhì)密度。這將導(dǎo)致二段旋流器分選密度提高，一般來說比一段旋流器高0.5～0.8 kg/L。二段分選密度可以通過變更二段底流口直徑來調(diào)節(jié)。國華科技最新研發(fā)的控制技術(shù)表明，還可以通過控制一段重介質(zhì)懸浮中非磁性物質(zhì)含量來控制二段旋流器的分選密度。

表1列出最新開發(fā)的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的系列型號和對應(yīng)的處理能力，表中所示的生產(chǎn)能力是對預(yù)先不脫泥分選工藝的。對脫泥分選工藝，其處理能力可以進(jìn)一步增加，例如，S-3GHMC1300/670型的處理能力可以從1 300 t/h增加到1 500 t/h，其排矸能力強(qiáng)，可將小于250 mm的矸石順暢排出。

表1 超級三產(chǎn)品重介旋流器系列產(chǎn)品型號及其處理能力(不脫泥)

煤泥重介質(zhì)旋流器分選工藝通常與三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝聯(lián)合使用。事實上，煤泥重介工藝也是在不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)之后發(fā)展起來的。煤泥重介分選工藝的特點(diǎn)可以概括如下。

(1)利用從三產(chǎn)品一段旋流器中精煤攜帶出來的磁鐵礦細(xì)粒部分作為重介質(zhì)，而不是使用特殊配置的超細(xì)磁鐵礦粉，使得煤泥重介的工業(yè)應(yīng)用更加實用，使分選工藝更加經(jīng)濟(jì)。

(2)與其它細(xì)粒煤分選方法相比，國華科技的煤泥重介工藝對0.5～0.10 mm(35～150 網(wǎng)目)粒級具有更高的分選效率，煤泥重介的Ep值最近被測試如下：對0.5～0.25 mm(35～60網(wǎng)目)粒級Ep值為0.042 kg/L而對0.25～0.10 mm(60～150 網(wǎng)目)粒級Ep值為0.068 kg/L。

(3)截止到2020年國華科技研發(fā)的煤泥重介分選工藝已廣泛應(yīng)用于378座選煤廠，共安裝437臺煤泥重介質(zhì)旋流器。

不脫泥三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝的介耗一直是選煤工程師最關(guān)心的問題。然而，近600家選煤廠中不脫泥三產(chǎn)品重介旋流器選煤工藝的工業(yè)實踐表明，該工藝的介耗等于或低于傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器煤炭分選工藝。2019年在印度國際選煤大會上發(fā)表了有關(guān)論文，論文中收集了大量不脫泥重介選煤廠和傳統(tǒng)脫泥重介選煤廠的介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)及相應(yīng)的選煤廠設(shè)備及管理數(shù)據(jù)。收集的大量數(shù)據(jù)表明，介耗主要取決于選煤廠所選的分選工藝、生產(chǎn)流程、設(shè)備選型、以及管理和降低介耗而采取的有效措施。另外不脫泥重介質(zhì)旋流器分選工藝的介耗還與原煤中大于0.5 mm的粒級數(shù)量的多少有關(guān)。因此，根據(jù)原煤中小于0.5 mm粒級含量，完全可以保證不脫泥重介質(zhì)旋流器分選工藝的介耗(見表2)。

表2 不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝介質(zhì)消耗

2.2 重介質(zhì)旋流器在油頁巖選礦廠中最新應(yīng)用

2015年在中國新疆寶民礦業(yè)公司的請求下，國華科技開展了三產(chǎn)品重介旋流器在油頁巖分選應(yīng)用的研究與開發(fā)。研發(fā)的目標(biāo)是將開采的油頁巖含油量從原礦的約3.8%提高到精礦產(chǎn)品的7%以上，排棄的尾礦含油量必須低于1.9%，每座油頁巖選礦廠的設(shè)計處理能力20.0 Mt/a。在建大型選礦廠投產(chǎn)之前先建了一座處理能力1.8 Mt/a的小型油頁巖選礦廠，以驗證三產(chǎn)品重介分選工藝技術(shù)在極高分選密度下分選油頁巖并達(dá)到上述產(chǎn)品指標(biāo)的可行性。

寶民礦業(yè)公司長溝礦的油頁巖為高灰、低硫、低熱值油頁巖貧礦。表3中提供了來自礦層-1的90～0.5 mm粒級油頁巖原礦的密度組成。表4是礦層-2中90～0.5 mm油頁巖原礦的密度組成。

表3 礦層-1油頁巖原礦90～0.5 mm粒級浮沉組成

表4 礦層-2油頁巖原礦90～0.5 mm粒級浮沉組成

基于上述油頁巖礦層-1的浮沉分析，在理論分選密度2.40 kg/L條件下重介質(zhì)旋流器排出的尾礦含油量可以小于1.9%，而在分選密度2.50 kg/L條件下生產(chǎn)的精礦含油量可以達(dá)到8.5%，因此，使用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的選礦廠分選密度應(yīng)在2.40～2.50 kg/L之間調(diào)節(jié)確定。對表4中礦層-2的浮沉數(shù)據(jù)分析也可得到相同的結(jié)論，即2.40～2.50 kg/L之間的實際分選密度可以滿足精礦產(chǎn)品的大于7%含油量(實際遠(yuǎn)大于8%)和尾礦含油量小于1.9%的要求。

2009年，在中國宜化市的一家磷酸鹽礦選礦廠，兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器就已成功地被應(yīng)用在分選密度高于2.50 kg/L的選礦工藝中。磷酸鹽礦石和當(dāng)前油頁巖礦石的唯一區(qū)別是它們的可選性不同，目前的油頁巖更難選。為了謹(jǐn)慎起見，使用直徑200 mm(8英寸)兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器對油頁巖顆粒進(jìn)行了實驗室試驗，以處理小于10 mm(3/8 英寸)至0.5 mm顆粒。6組測試的平均數(shù)據(jù)顯示，精礦的含油量為9.29%。而尾礦的含油量為1.1%，比設(shè)計目標(biāo)要好得多。

直徑為850 mm的S-2GHMC380/260型兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器被開發(fā)專用于處理能力1.80 Mt/a油頁巖選礦試驗廠，分選60 mm(-2.5英寸)原礦油頁巖。在正常生產(chǎn)條件下，該重介質(zhì)旋流器處理能力超過340 t/h。圖1顯示了該廠使用的原則工藝流程。

1—超級無壓給料雙段重介質(zhì)旋流器；2—脫介弧形篩；3—分流器；4—成品脫介篩；5—離心脫水機(jī)；6—成品磁選機(jī)；7—超級濃縮機(jī)；8—脈石脫介篩；9—脈石磁選機(jī)；10—合格介質(zhì)桶圖1 處理能力1.8 Mt/a油頁巖選礦廠采用的重介質(zhì)旋流器分選工藝原則流程

S-2GHMC380/260重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是經(jīng)過專門設(shè)計和優(yōu)化的，以增強(qiáng)剪切力和降低旋流器中介質(zhì)的結(jié)構(gòu)粘度，降低內(nèi)部對分選造成的物理阻力。在300～330 kPa(43.5～47.9 psig)壓力下單一低密度約1.88 kg/L的重介質(zhì)懸浮液被泵入重介質(zhì)旋流器，分選密度可控制在2.40～2.50 kg/L。該廠使用的磁鐵礦的磁性物含量相對較低，低于75%。選礦廠在運(yùn)營中的頭4個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，平均精礦產(chǎn)品含油量大于8%，尾礦含油量小于1.9%。磁鐵礦的平均消耗量為0.3 kg/t?；谶@一選礦效果，油頁巖加工煉油總成本可以降低70%，大大高于預(yù)測值。在這基礎(chǔ)上，國華科技于2017年設(shè)計建造了一座處理量為20.0 Mt/a的油頁巖選礦廠，使用4臺S-2GHMC1450/1150S兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，其一段直徑為1 450 mm(56 英寸)。每臺旋流器可以處理1 450 t/h油頁巖原礦石。在正常生產(chǎn)條件下，只需運(yùn)行3臺重介質(zhì)旋流器，即可達(dá)到設(shè)計產(chǎn)能。頭三個月的運(yùn)營就已表明，該選礦廠的各項性能指標(biāo)甚至優(yōu)于試驗選礦廠。繼第一座處理量20.0 t/a選礦廠之后，第二座同樣規(guī)模的選礦廠也隨之興建，成功投產(chǎn)。

3 噴射式浮選機(jī)在美國選煤廠的應(yīng)用

噴射式浮選機(jī)在選煤廠中應(yīng)用并不是新鮮事，只是在美國剛開始使用。2017年，國華科技研發(fā)的，具有發(fā)明專利的第三代噴射式浮選機(jī)在美國2個選煤廠安裝使用。

噴射式浮選機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械攪拌浮選機(jī)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)循環(huán)煤漿高壓進(jìn)入噴嘴，隨后從噴嘴出口噴出，突然降壓會在煤漿中產(chǎn)生大量微泡，使煤漿的選擇性大大提高。

(2)沒有轉(zhuǎn)動部件，并使用耐磨材料，大大減少了浮選機(jī)的維修工作量。

(3)結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。

(4)單位容積處理能力大，單位處理能力為6～10 m3/(m3·h)，對于美國多數(shù)可浮性良好的煤泥，單位處理能力可達(dá)到10 m3/(m3·h)左右，且能耗低。

丹尼斯公司聯(lián)系了第三方實驗室，于2017年2月、4月先后對位于西弗吉尼亞州的2座煉焦煤選煤廠噴射式浮選機(jī)進(jìn)行了工業(yè)性測試。

桑德斯(Saunders)選煤廠浮選試驗數(shù)據(jù)見表5。該廠浮選入料粒度組成兩極分化：大于325 網(wǎng)目粒級(0.045 mm)產(chǎn)率為59.16%，灰分僅為6.14%；小于325 網(wǎng)目的粒級產(chǎn)率為40.84%，灰分高達(dá)57.02%。在生產(chǎn)中添加62 cc/min(3.72 L/h)起泡劑的條件下，分選出灰分相當(dāng)?shù)偷膬H為5.89%的精煤和灰分高達(dá)81.33%的尾煤，精煤產(chǎn)率為72.17%，精煤可燃體回收率高達(dá)92.87%。采集桑德斯選煤廠同樣浮選入料，進(jìn)行實驗室選擇釋放浮選試驗，依此分別繪制了精煤產(chǎn)率和灰分關(guān)系曲線和精煤可燃體回收率與灰分關(guān)系曲線(見圖2)，人們常將這2條曲線視為理論產(chǎn)率和理論可燃體回收率曲線，圖2中還標(biāo)注了實際精煤產(chǎn)率和可燃體回收率2個坐標(biāo)點(diǎn)。通常將實際精煤產(chǎn)率與理論精煤產(chǎn)率的百分比值或?qū)嶋H精煤可燃體回收率與理論精煤可燃體回收率的百分比值，稱之為精煤數(shù)量效率，第三方實驗室計算出該噴射式浮選機(jī)的數(shù)量效率約為99%。該實驗室對桑德斯選煤廠原有的浮選柱生產(chǎn)系統(tǒng)也同時進(jìn)行采樣及試驗分析，試驗結(jié)果是84.87%的精煤可燃體回收率和約88%的精煤數(shù)量效率。

表5 桑德斯選煤廠浮選試驗數(shù)據(jù)

在西弗吉尼亞州另一個(Caretta)克萊塔選煤廠對安裝的噴射旋流器浮選機(jī)也進(jìn)行了實際采樣和實驗室樣品浮選釋放試驗和采樣樣品測試。選煤廠浮選試驗的精煤、入料和尾礦由丹尼爾斯公司的人員同時采樣，并發(fā)送到第三方實驗室進(jìn)行樣品測試和分析。在浮選起泡劑添加量為110 cm3/min (6.6 L/h)，捕收劑添加量為130 cm3/min (7.8 L/h)的生產(chǎn)條件下，克萊塔(Caretta)選煤廠分選出灰分為6.19%的精煤，其精煤可燃體回收率為88%，精煤數(shù)量效率為96%，浮選試驗數(shù)據(jù)見表6。圖3是克萊塔選煤廠實驗室選擇釋放浮選試驗的2條曲線。

表6 克萊塔選煤廠浮選試驗數(shù)據(jù)

圖2 桑德斯選煤廠實驗室選擇釋放浮選試驗的2條曲線

圖3 克萊塔選煤廠實驗室選擇釋放浮選試驗的2條曲線

4 結(jié) 語

預(yù)先不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝由于它的高效和簡化的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于中國選煤廠，并在越來越多的其他國家使用。它的高精度分選可以將煤顆粒有效分選下限降到0.25 mm(60網(wǎng)目)，與煤泥重介質(zhì)旋流器聯(lián)合使用可以進(jìn)一步將有效分選下限降至0.10 mm(150網(wǎng)目)。所有這些都無需使用為煤泥重介專門準(zhǔn)備超細(xì)磁鐵礦介質(zhì)即可完成。這將為我們提供250～0.15 mm(或0.10 mm)粒級的重介質(zhì)分選工藝，小于0.15 mm(或0.10 mm)細(xì)顆粒可以由目前的浮選系統(tǒng)得到有效的分選，當(dāng)然粒度上限的大小還取決于原煤的單體解離程度和市場對精煤粒度的要求。

用于油頁巖分選的兩段兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝是三產(chǎn)品重介旋流器分選工藝的最新開發(fā)和應(yīng)用。它已成功應(yīng)用于2座20.0 Mt/a超大型油頁巖選礦廠，分離密度高達(dá)2.40～2.50 kg/L。其應(yīng)用可顯著降低油頁巖煉制成本60%～70%。這種成功應(yīng)用可能也適用于其它礦物加工行業(yè)，如磷酸鹽礦選礦廠。

噴射式浮選機(jī)成功地被應(yīng)用于美國西弗吉尼亞州的2座煉焦煤選煤廠，回收以小于100網(wǎng)目為主的細(xì)煤泥。這讓美國選煤界注視到中國的噴射式浮選機(jī)出色的浮選性能和非常好的生產(chǎn)結(jié)果。于2020年，在美國的選煤廠第三臺噴射式浮選機(jī)也成功投入使用，得到業(yè)主的認(rèn)可。