重介選煤系統(tǒng)粗精煤回收工藝的研究與應(yīng)用

張力強(qiáng)，石 磊，黃 勇

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司,河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000；3.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；4.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299)

2020年，我國(guó)煤炭產(chǎn)量已達(dá)39億t，約占全球總產(chǎn)量的51%，在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.7%，煤炭仍是我國(guó)的主要能源。在選煤工藝方面，我國(guó)主要以跳汰+浮選、重介+浮選、跳汰+重介+浮選、重介+粗煤泥分選+浮選等混合洗選工藝為主，分選效率也隨著選煤技術(shù)的進(jìn)步而不斷提高[1]。隨著煤礦開(kāi)采機(jī)械化程度不斷提高，原煤中粗煤泥含量不斷增加，粗煤泥分選回收一直是選煤工藝中的薄弱環(huán)節(jié)，解決好粗煤泥有效分選及回收問(wèn)題，可以有效保證精煤質(zhì)量和產(chǎn)率的最大化，并提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 粗煤泥分選下限現(xiàn)狀[3-6]

粗煤泥一般指2～0.25 mm粒級(jí)的原煤，兼有粗顆粒特性和煤泥的特性，相對(duì)解離得比較充分、易選。在當(dāng)前的選煤工藝中，對(duì)粗煤泥的分選通常采用干擾床分選機(jī)、螺旋分選機(jī)或重介全級(jí)入選工藝，其中重介全級(jí)入選工藝現(xiàn)場(chǎng)還采用煤泥重介延伸配套工藝，以達(dá)到粗煤泥進(jìn)一步降灰的目的。

對(duì)重介全級(jí)入選工藝現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定表明：1～0.5 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.05～0.07 g/cm3；0.5～0.25 mm粒級(jí)Ep值在工況較好的條件下可達(dá)0.09～0.11 g/cm3,基本實(shí)現(xiàn)分選；0.25～0.125 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.16～0.20 g/cm3左右，可以有效分選，但未完全得到分選。對(duì)重介分級(jí)入選工藝現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定表明：1～0.5 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.04～0.05 g/cm3；0.5～0.25 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.08～0.09 g/cm3,上述粒級(jí)均得到有效分選；0.25～0.125 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.15～0.18 g/cm3，分選不夠充分。對(duì)于有煤泥重介工藝作為重介質(zhì)選煤工藝延伸配套的選煤廠，精煤弧形篩下的分流合格介質(zhì)經(jīng)過(guò)煤泥重介質(zhì)旋流器再選后，0.5～0.25 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.04～0.06 g/cm3；0.25～0.125 mm粒級(jí)Ep值達(dá)0.08～0.09 g/cm3，可見(jiàn)0.5～0.125 mm粒級(jí)基本實(shí)現(xiàn)了有效分選。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，無(wú)論采用重介全級(jí)入選工藝還是重介分級(jí)入選工藝，在選煤系統(tǒng)工況條件正常的情況下，0.25 mm以上粒級(jí)的粗煤泥均能得到有效分選，分選下限的降低，可為浮選減量化提供了很好的工藝基礎(chǔ)。

2 常用的粗精煤回收工藝[7-8]

目前，在以重介質(zhì)旋流器為主選設(shè)備的選煤廠中，均根據(jù)自身?xiàng)l件采用了不同的1.5～0.25(0.15)mm粒級(jí)粗精煤回收工藝，達(dá)到了提高精煤產(chǎn)率的目的。采用的主要工藝為：沉降過(guò)濾式離心機(jī)回收粗精煤、濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤、振動(dòng)弧形篩+煤泥離心機(jī)回收粗精煤等，具體應(yīng)用雖有不同，但幾乎全部圍繞上述核心來(lái)改進(jìn)應(yīng)用。

2.1 沉降過(guò)濾式離心機(jī)回收粗精煤

利用沉降過(guò)濾式離心機(jī)進(jìn)行粗精煤回收工藝在國(guó)外應(yīng)用較為廣泛，但在國(guó)內(nèi)20世紀(jì)80年代才開(kāi)始應(yīng)用，21世紀(jì)獲得一定范圍的推廣。該工藝一般用于煤泥量較大的選煤廠，且該工藝對(duì)入料的粒度組成要求較為苛刻。入料中<0.045 mm粒級(jí)含量一般要求不超過(guò)40%，否則，回收的粗煤泥水分指標(biāo)偏高。此外，該工藝中的沉降過(guò)濾式離心機(jī)的篩網(wǎng)、螺旋體易磨損，設(shè)備維修量大，整體維護(hù)費(fèi)用較高，因此該工藝相對(duì)適應(yīng)性較窄。該工藝原則流程如圖1所示。

圖1 沉降過(guò)濾式離心機(jī)回收粗精煤工藝原則流程

2.2 濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤

對(duì)于煤泥量小、產(chǎn)品水分要求不高的選煤廠，往往采用濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤工藝。該工藝最大的特點(diǎn)是適應(yīng)性好、功耗小、處理量大、故障率低等，最大的不足是回收的粗精煤中高灰細(xì)泥夾帶嚴(yán)重，產(chǎn)品灰分高。隨著當(dāng)前入選原煤中煤泥量的增大以及對(duì)產(chǎn)品水分要求的提高，往往設(shè)置離心機(jī)脫水環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步降低產(chǎn)品的水分，但最終產(chǎn)品的灰分還是幾種工藝中相對(duì)較高的。該工藝原則流程如圖2所示。

圖2 濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤工藝原則流程

從實(shí)際生產(chǎn)情況看，該工藝也有積極的一面，高頻篩回收粗精煤時(shí)，低振幅、高頻率振動(dòng)對(duì)篩上的物料層有一定按密度分選的作用，特別是在入料端，在一定入料濃度下該作用尤為明顯。同一粒級(jí)物料，篩上灰分明顯低于篩下物料的灰分，因此該工藝不僅具有回收粗精煤的作用，而且還有進(jìn)一步降低產(chǎn)品灰分的效果。但整體而言，由于高頻篩上的物料層較厚，分選降灰作用有限，大量的高灰細(xì)泥夾帶于產(chǎn)品中無(wú)法脫除。

2.3 振動(dòng)弧形篩+煤泥離心機(jī)回收粗精煤

該工藝是目前選煤廠應(yīng)用相對(duì)較廣泛的粗精煤回收工藝。為了解決粗精煤中高灰細(xì)泥在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，污染精煤的問(wèn)題，該工藝將弧形篩篩下水和離心液直接進(jìn)入浮選(圖3)，可大幅度減少高灰細(xì)泥對(duì)粗精煤的污染，同時(shí)降低了工藝系統(tǒng)的負(fù)荷。但此工藝也存在一定的不足，當(dāng)離心機(jī)的篩籃磨損后，會(huì)造成一部分灰分已經(jīng)合格的粗精煤進(jìn)入離心液，造成浮選跑粗比較嚴(yán)重，致使浮選尾煤灰分偏低。為解決浮選跑粗問(wèn)題，部分選煤廠將離心液直接返回到濃縮旋流器，但在一定程度上造成了部分高灰細(xì)泥在系統(tǒng)中的循環(huán)。

圖3 振動(dòng)弧形篩+煤泥離心機(jī)回收粗精煤工藝原則流程

從目前我國(guó)粗精煤回收的現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)論是重介全級(jí)入選工藝還是粗煤泥單獨(dú)分選的脫泥入選工藝，常見(jiàn)的問(wèn)題為粗精煤灰分偏高，一般高出主選環(huán)節(jié)精煤1～4個(gè)百分點(diǎn)。究其原因，在粗煤泥得到有效分選的前提下，粗精煤回收工藝系統(tǒng)中，分級(jí)設(shè)備效率低，高灰細(xì)泥脫除不徹底，造成粗精煤灰分偏高，從而需要采用主選系統(tǒng)“背灰”的方式，保證總精煤灰分，在一定程度上影響了經(jīng)濟(jì)效益。

3 粗精煤回收核心設(shè)備的優(yōu)化及工藝的確定

目前的粗精煤回收主流工藝可以說(shuō)以“旋流器濃縮+脫水篩脫水+離心機(jī)脫水”為核心，存在的不足是旋流器濃縮過(guò)程中溢流易跑粗且底流夾細(xì)嚴(yán)重，脫水篩脫水作用明顯，但脫除高灰細(xì)泥作用有限，離心機(jī)脫水后產(chǎn)品水分合格，但容易有粗顆粒隨離心液排出等。上述環(huán)節(jié)的單一設(shè)備分級(jí)效率都在45%～65%，可以說(shuō)也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，組合工藝整體分級(jí)效率可以達(dá)到70%～80%，但也未達(dá)到最優(yōu)的應(yīng)用效果。

針對(duì)分級(jí)設(shè)備效率低，高灰細(xì)泥脫除不徹底的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有各種分級(jí)脫水設(shè)備分析發(fā)現(xiàn)，之所以傳統(tǒng)設(shè)備及其組合無(wú)法達(dá)到較為理想的效果，除目前的單機(jī)在自身效率上未充分發(fā)揮外，參數(shù)仍有持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)而提升效率的空間。同時(shí)組合工藝中，各單機(jī)設(shè)備之間的參數(shù)未達(dá)到相對(duì)較優(yōu)的組合匹配，致使在工業(yè)應(yīng)用中，很多單機(jī)或組合工藝效果達(dá)不到理想狀態(tài)。從工藝環(huán)節(jié)看，優(yōu)化現(xiàn)有分級(jí)設(shè)備結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化分級(jí)效果，有效脫除高灰細(xì)泥，可有效地保證粗精煤的灰分。

3.1 核心分級(jí)設(shè)備的優(yōu)化

3.1.1 高效分級(jí)旋流器的改進(jìn)[9]

分級(jí)旋流器是一種利用離心力場(chǎng)加速礦漿中固體顆粒沉降，并強(qiáng)化其分離的物理分離設(shè)備(圖4)。工作時(shí)，礦漿在一定壓力的作用下給入旋流器，在旋流器內(nèi)部形成高速旋轉(zhuǎn)的離心流場(chǎng)，在離心力的作用下，細(xì)顆粒向中心區(qū)域運(yùn)動(dòng)從溢流口排出，粗顆粒向器壁運(yùn)動(dòng)從底流口排出，從而按粒度大小完成分離過(guò)程。

圖4 分級(jí)旋流器工作原理示意圖

影響分級(jí)旋流器工作效果的因素包括：結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作條件和物料性質(zhì)等。從旋流器自身結(jié)構(gòu)來(lái)講，入料方式和分離筒體的結(jié)構(gòu)是影響旋流器分級(jí)效果的最關(guān)鍵因素。旋流器入料管與分離室相連，其橫斷面形狀有圓形、矩形、方形。理論及試驗(yàn)驗(yàn)證入料管橫斷面形狀以矩形為好，而入料方式以流線(xiàn)形式效果較佳。這種橫斷面流線(xiàn)形狀的入料管使得礦漿在進(jìn)入分離室前按粒級(jí)大小進(jìn)行預(yù)先分級(jí)(圖5)，增大了設(shè)備的分級(jí)空間，延長(zhǎng)了分級(jí)時(shí)間，不僅可以提高旋流器的分級(jí)效率和分級(jí)精度，而且溢流跑粗和底流夾細(xì)的現(xiàn)象明顯弱化。

圖5 旋流器強(qiáng)化入料效果圖

3.1.2 復(fù)式分級(jí)脫水篩的優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]

高頻篩廣泛用于選煤廠煤泥脫水回收作業(yè)中，目前，國(guó)內(nèi)外常用的有兩種振動(dòng)形式的高頻篩，即機(jī)械振動(dòng)高頻篩和電磁振動(dòng)高頻篩。由于振動(dòng)原理不同，兩種高頻篩各具特點(diǎn)及適用范圍。機(jī)械振動(dòng)高頻篩一般振動(dòng)頻率為24 Hz，振動(dòng)強(qiáng)度為5～7 g，振幅為2～3 mm；電磁振動(dòng)高頻篩振動(dòng)頻率為50 Hz，振動(dòng)強(qiáng)度為8～10 g，振幅為2～3 mm。從應(yīng)用效果來(lái)看，機(jī)械振動(dòng)高頻篩更偏向于脫水效果、分級(jí)效果相對(duì)較差的煤泥脫水回收，而電磁振動(dòng)高頻篩則有更強(qiáng)的分級(jí)效果。

電磁振動(dòng)高頻篩整體屬于雙質(zhì)體振動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電磁激振器的驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化選取工作點(diǎn)，使篩網(wǎng)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，而篩箱基本不動(dòng)。一定濃度的煤泥水在電磁振動(dòng)高頻篩上運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于高頻脫水和跳汰分選的復(fù)合過(guò)程。煤泥顆粒一方面在振動(dòng)作用下按粒度分層分布，細(xì)顆粒和水逐漸向下移動(dòng)透篩；另一方面，煤泥顆粒在現(xiàn)有濃度的煤泥水中與跳汰過(guò)程類(lèi)似，低密度顆粒被向上托起，高密度顆粒則沉降下來(lái)，易于透篩，因此電磁振動(dòng)高頻篩在回收煤泥的過(guò)程中效果更為明顯。為進(jìn)一步提升脫水分級(jí)效果，對(duì)電磁振動(dòng)高頻篩進(jìn)行了合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之具有水平負(fù)傾角的高頻篩功能，形成“強(qiáng)化分級(jí)+脫水的電磁復(fù)式分級(jí)篩”結(jié)構(gòu)。

電磁復(fù)式分級(jí)脫水篩如圖6所示。該篩結(jié)構(gòu)具有如下的特點(diǎn)：

圖6 電磁復(fù)式分級(jí)脫水篩

(1)篩面振動(dòng)，篩箱不參與振動(dòng)，功耗??；設(shè)備布置簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，故障率低，維護(hù)方便，整機(jī)運(yùn)行可靠。

(2)振動(dòng)頻率高、強(qiáng)度大，激振頻率為50 Hz，篩網(wǎng)自清理能力強(qiáng)，篩孔不易堵塞，可達(dá)到良好的分級(jí)脫水效果。

(3)整個(gè)篩面可分成多段，篩面下布置多個(gè)激振器，每個(gè)激振器由獨(dú)立的控制模塊控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入料段、分級(jí)段、脫水段、出料段振幅的在線(xiàn)調(diào)節(jié)，還可實(shí)現(xiàn)定時(shí)大振幅清篩的功能，調(diào)節(jié)方便。

(4)篩分粒度區(qū)間大，分級(jí)回收效率高。篩網(wǎng)可采用激光切割聚氨酯篩板，篩分效率高，壽命長(zhǎng)；激振方式采用打擊篩網(wǎng)的方式，對(duì)細(xì)粒級(jí)物料進(jìn)行篩分時(shí)不堵孔、不跑水，篩孔尺寸在0.045～2 mm可選。

3.2 粗精煤回收工藝的確定

為進(jìn)一步提升粗精煤的回收效率，圍繞當(dāng)前主流粗精煤回收工藝，在優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)并強(qiáng)化入料方式及組合電磁復(fù)式分級(jí)脫水篩的基礎(chǔ)上，形成高精度分級(jí)旋流器+電磁復(fù)式分級(jí)篩的高效分級(jí)脫水組合工藝，以最大限度地去除粗精煤中的高灰細(xì)泥，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤泥離心機(jī)離心液的閉路循環(huán)，既避免跑粗，也避免極細(xì)的高灰細(xì)泥在系統(tǒng)中的循環(huán)，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高回收率。具體工藝原則流程如圖7所示。

圖7 粗精煤回收工藝原則流程

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

通過(guò)優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置強(qiáng)化入料的分配器，以及采用合理的工藝參數(shù)，保證了該工藝具有較高的分級(jí)效果，不僅去除了大部分的高灰細(xì)泥而且獲得了合理濃度的底流，滿(mǎn)足了電磁復(fù)式分級(jí)脫水篩的入料要求。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的篩面安裝角度、電磁激振器數(shù)量，并合理確定篩縫尺寸，可使整體分級(jí)效率達(dá)到90%以上，效果優(yōu)于其他工藝組合。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出：該工藝組合對(duì)粗精煤回收過(guò)程中脫除高灰細(xì)泥效果十分明顯，溢流水、篩下水中不跑粗，且能對(duì)低灰分的粗顆粒進(jìn)行有效回收，使粗精煤產(chǎn)品質(zhì)量和回收率都得到了保證。

該工藝組合目前已在邯鄲、太原、烏海等地區(qū)多個(gè)選煤廠推廣應(yīng)用，與其他回收工藝相比，粗精煤中夾雜的高灰細(xì)泥比例大大降低，產(chǎn)品灰分更容易保證，有效解決了主分選工藝環(huán)節(jié)的“背灰”問(wèn)題，提高了精煤產(chǎn)率。

4 結(jié)語(yǔ)

選煤廠中粗煤泥的分選和回收極其重要，直接影響著選煤廠的平穩(wěn)運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。目前的選煤工藝中，粗煤泥分選環(huán)節(jié)的分選下限一般已經(jīng)達(dá)到0.25 mm，甚至更低。為提高精煤的總體回收率，選后粗精煤的回收工藝既要保證有效回收，又要盡量脫除高灰細(xì)泥。但目前尚缺乏單一、有效的分級(jí)回收設(shè)備，還需要通過(guò)幾種設(shè)備優(yōu)化組合來(lái)有效回收粗精煤，造成粗精煤回收工藝比較復(fù)雜，今后各選煤廠可根據(jù)各自實(shí)際情況和產(chǎn)品指標(biāo)的要求來(lái)合理組配使用。