細粒煤泥高效分級脫水提質工藝優(yōu)化

樊京念，張承衛(wèi)，劉先建

(山東先卓機電科技有限公司，山東 淄博 255000)

細粒煤泥通常是指煤炭在開采、儲運和洗選過程中原生或次生的<0.5 mm細粒級原煤與水混合后的副產品，未經分選提質處理的細粒煤泥因其灰分高、水分大、熱值低等缺點已經被列為礦山固體廢物無法直接銷售或使用，不僅造成巨大的自然資源浪費，同時也給煤炭生產企業(yè)帶來較大經濟損失和環(huán)保壓力[1]。

為了真正解決細粒煤泥的出路問題，需要從降灰提質、脫水提質、分質利用等三個方面多管齊下，從經濟性、規(guī)模性、可持續(xù)性等方面綜合分析評價，最終選擇確定更經濟、更高效、更環(huán)保的提質工藝和設備。

目前煉焦煤和部分浮選性能較好的動力煤煤泥因為產品附加值較高，可以通過成熟的浮選工藝和恰當的浮選藥劑實現較為精確的分選降灰，而且浮選后精煤也比較容易實現較為經濟的脫水提質[2-3](這不是筆者重點探討的方向)。但是，對于大部分不適合或經濟性不足以支撐采用浮選降灰提質的動力煤煤泥，仍然缺乏經濟高效的降灰工藝，只能通過單純的脫水工藝來提高發(fā)熱量。鑒于煤泥脫水的運行成本隨著水分降低而大幅升高，從而使煤泥產品的水分降低和附加值提高均很難突破瓶頸。為此研究探索了一種經濟高效的細粒煤泥提質優(yōu)化工藝，通過分級降灰和高效脫水的綜合作用實現煤泥產品的提質增效。

1 常用細粒煤泥提質工藝簡述

大部分動力煤細粒煤泥受可浮性或經濟性制約無法通過降灰來提高發(fā)熱量，目前這類煤泥的主流提質工藝主要通過降低水分來實現。細粒煤泥降低水分的主要途徑比較常見的是機械脫水和熱力脫水。

機械脫水常用的設備為加壓過濾機、沉降過濾式離心機和隔膜壓濾機。隨著國外煤泥脫水設備與工藝的引進消化，國產脫水設備的性能指標也得到了長足進步，并以性價比優(yōu)勢得到了廣泛推廣應用，最終形成了相對成熟的一種或多種脫水設備串聯或并聯應用的煤泥脫水工藝，為選煤廠高效大型化和洗水閉路循環(huán)創(chuàng)造了條件[4-5]。

熱力脫水則主要通過熱煙氣、工業(yè)余熱或電能轉換的煤泥干燥機組實現。近年來全國大部分地區(qū)已經禁止使用小型燃煤鍋爐，此前常用的成本較低的熱煙氣干燥機組已經逐漸被淘汰，而最近興起的熱泵干化技術雖然熱效率較高，但占地面積大和投資成本高也制約了其推廣應用。鑒于熱力脫水投資與運行成本仍然比機械脫水高出許多，目前僅在少數條件比較苛刻的場合有所應用[6-7]。

2 常用細粒煤泥脫水提質工藝對比

2.1 加壓過濾脫水工藝

作為加壓過濾工藝的主體設備，從上世紀90年代中國引進首臺安德里茨120 m2加壓過濾機，并在大柳塔選煤廠應用之后，加壓過濾機逐步成為替代能耗較高的真空過濾機和效率較低的板框壓濾機的主流煤泥脫水設備。該機主要適用于原生煤泥和浮選精煤的脫水，也有個別應用于浮選尾煤和易泥化原生煤泥的案例，但效果不太理想。該機濾餅水分平均在15%～20%之間，濾液濃度在5～15 g/L之間，單臺120 m2加壓過濾機處理浮選精煤時的處理能力可達50～70 t/h[8]。

加壓過濾脫水工藝(圖1)的主要優(yōu)勢在于：入料連續(xù)穩(wěn)定，單機處理量大，產品水分低，濾餅產品松散，自動化程度高。在國內20多年的推廣應用過程中，加壓過濾同時也暴露出一些不足：占地面積較大，單臺120 m2加壓過濾機需占三層廠房，主系統(tǒng)占地總面積約180 m2；入料條件要求較高，濃度通常應在20%～30%之間，正常粒度上限不超過0.5 mm，<0.045 mm粒級的高灰細泥占比不超過20%)；能耗較高，單系統(tǒng)裝機功率約1 000 kW，單位處理能力平均能耗約14～18 kW·h/t；系統(tǒng)比較復雜(包括電、液、氣系統(tǒng)和復雜的控制閉鎖關系)，且投資和運行成本較高[9]。

圖1 加壓過濾脫水工藝原則流程

2.2 沉降過濾離心脫水工藝

沉降過濾式離心機于上世紀50年代起源于美國，后逐步被國內引進消化吸收，主要用于浮選精煤和原生煤泥的脫水。目前兩種主流機型為1420(轉鼓大端直徑為1 400 mm，轉鼓長度為2 000 mm)和1133(轉鼓大端直徑為1 100 mm，轉鼓長度為3 300 mm)。其中1420機型的長徑比為1.4，轉速為550～650 r/min，離心因數為200～300，脫水時間短，產品產率低，回收粒度下限約為0.075 mm，濾餅水分在14%～22%之間，處理能力在25～55 t/h之間。而1133機型的長徑比為3.0，轉速為800～1 000 r/min，離心因數為400～650，脫水時間長，產品產率高，回收粒度下限約為0.045 mm，濾餅水分在15%～20%之間，處理能力在40～80 t/h之間[10-11]。

沉降過濾離心脫水工藝的優(yōu)點在于：入料連續(xù)穩(wěn)定，單機處理量大，入料粒度上限高(正常入料粒度上限1 mm，并允許有少量1.5～5 mm粒級存在)，具有分級沉降效果，占地面積小(單臺1420機型占地僅為36 m2)，濾餅產品松散，系統(tǒng)簡單、自動化程度高。但其應用也有一定的局限性：回收下限偏高，入料濃度要求較高(通常應為20%～40%)，濾液濃度偏高(溢流液濃度正常約為10～20 g/L，篩下離心液約為 250～350 g/L)，轉子需要定期維修(轉子使用周期通常為12個月左右)。沉降過濾離心脫水工藝單位處理能力平均能耗約 2～6 kW·h/t(包含主機和入料能耗)，主要適用于浮選精煤和原生煤泥的脫水[12-13]。

2.3 隔膜壓濾脫水工藝

隔膜壓濾機作為一種高效壓濾脫水設備，在各行業(yè)均作為最終把關的固液分離設備得到廣泛應用。近年來陸續(xù)推出的單絲濾布、快速拉開、自動卸料、高壓清洗、高壓壓榨、氣壓穿濾、單室進料、輔助加熱等技術升級，使隔膜壓濾機的效率和自動化程度有了大幅度提升，單機最大過濾面積可超過1 000 m2，產品水分可達到或接近加壓過濾和沉降過濾離心脫水工藝指標[14]。

隔膜壓濾工藝的主要優(yōu)點是：入料適應性強(入料下限接近于0，入料濃度適應范圍較大)，濾液澄清度高，運行成本低。其缺點和不足是：間歇性入料，占地面積較大(單臺500 m2隔膜壓濾機占地面積約60 m2)，濾餅松散性較差，單位面積處理量低。隔膜壓濾工藝單位處理能力平均能耗約 3～5 kW·h/t，可以適用于各類細煤泥的脫水，尤其是浮選尾煤和易泥化煤泥的首選脫水工藝。

2.4 聯合應用的衍生脫水工藝

鑒于以上三種主要的細粒煤泥脫水工藝都有其優(yōu)點和局限性，國內外也曾利用幾種加壓過濾與隔膜壓濾或沉降過濾離心的組合工藝來揚長避短，發(fā)揮各工藝的最大效用。

(1)加壓過濾與沉降過濾離心聯合工藝。主要用于浮選精煤的高效脫水，工藝效果較好，與單一的加壓過濾工藝相比，雖然投資與運行成本略有降低，但優(yōu)勢并不明顯。

(2)加壓過濾與隔膜壓濾聯合工藝。主要用于原生煤泥的高效脫水，該工藝適應性比單一的加壓過濾更好，但系統(tǒng)占地面積大，運行維護工作量大，與單一的加壓過濾或隔膜壓濾工藝相比也沒有明顯的優(yōu)勢。

(3)沉降過濾與隔膜壓濾聯合工藝。主要用于原生煤泥的高效脫水，該工藝適應性比前兩種更好，工藝效果和投資運行成本具有一定的優(yōu)勢。但目前該工藝對核心設備的參數優(yōu)化與應用效果缺乏深入而系統(tǒng)性分析，對于沉降過濾式離心機的分級與脫水性能特點及運行參數調節(jié)并未深入研究[15]。

3 高效分級脫水提質工藝優(yōu)化

基于現有常用的煤泥脫水工藝中存在的技術和經濟性問題，結合幾種典型煤泥脫水設備的特點和應用經驗，探索出了一種可以替代傳統(tǒng)單一或組合脫水工藝的煤泥分級脫水優(yōu)化工藝，重點解決不適用浮選工藝的動力煤煤泥的降灰和脫水提質問題。

該分級脫水提質優(yōu)化工藝以沉降過濾式離心機和快開隔膜壓濾機作為核心脫水設備，將二者串聯使用，先利用沉降過濾式離心機的沉降作用實現對超細粒級高灰細泥的預分級脫除和中細粒級煤泥的脫水回收。其再利用快開隔膜壓濾機實現對極細粒級高灰煤泥的脫水回收，工藝原則流程如圖2所示。

圖2 分級脫水提質工藝原則流程

由圖2可知，采用此工藝既可以保證脫水后精煤產品的水分和松散度達到加壓過濾工藝，又能確保最終濾液的含固率優(yōu)于加壓過濾和沉降過濾工藝。同時該工藝的占地面積、投資和運行成本、綜合能耗均低于加壓過濾工藝或其他衍生的組合工藝，具有良好的經濟性和環(huán)保性。

該工藝通過對沉降過濾式離心機進行合理參數設計，可以同時發(fā)揮其分級和脫水優(yōu)勢。在轉鼓長徑比為2，離心因數為500左右時，設備機械和工藝性能介于兩種傳統(tǒng)的1420和1133機型之間，可以兼顧良好的沉降段分級和過濾段脫水。該設備通過對入料速度、堰池深度、轉鼓速度、螺旋差速等參數的調節(jié)，并結合入料灰分、粒度組成、入料濃度等因素合理控制分級下限，通過合理的分級粒度來降低脫水產品的灰分和水分，除了可用于常見的原生煤泥和浮選精煤的分級脫水之外，也可用于管道輸煤的終端脫水工藝和水煤漿的分級再磨提濃工藝。

沉降過濾式離心機脫水后的中細粒級煤泥濾餅具有較低的灰分和水分，其發(fā)熱量和松散度可以很好滿足產品回摻銷售要求。離心機沉降段溢流液和過濾段離心液合并后給入快開隔膜壓濾機，可實現超細粒級煤泥的脫水回收，并根據其發(fā)熱量確定其去向，摻入的離心機過濾段離心液中的少量較粗顆粒也有利于實現壓濾機快速成餅，壓濾機濾液作為循環(huán)水實現閉路循環(huán)。

該工藝采用的新型快開隔膜壓濾機的隔膜壓力在1.5 MPa以上，帶有反吹和自動清洗功能，濾板分組拉開快速卸料，單室或多室高低壓結合進料。與傳統(tǒng)的隔膜壓濾機相比，該工藝具有生產效率高、濾餅干度低、自動化程度好的優(yōu)勢，尤其在處理<0.045 mm粒級高灰細泥含量較高的物料時具有更明顯的優(yōu)勢[16]。

考慮到沉降過濾式離心機的入料的適應性，需要合理的入料濃度才能實現更好的沉降分級效果，為保證離心機處于高效的工作區(qū)間，當入料濃度偏低時，可以利用分級濃縮旋流器進行預濃縮，使離心機的入料濃度控制在20%～40%之間，旋流器溢流液可直接混入隔膜壓濾機入料桶。低濃度分級脫水工藝原則流程如圖3所示。

圖3 低濃度分級脫水工藝原則流程

當離心機入料濃度過高時，可以根據需要將隔膜壓濾機濾液作為離心機入料的稀釋液，適當降低濃度以提高沉降效率，其工藝原則流程如圖4所示。

圖4 高濃度分級脫水工藝原則流程

相比于之前常用工藝，采用新工藝方案可產生如下效果：

(1)入料粒度適用范圍廣，能有效吸收跑粗和泥化沖擊。脫水后濾餅全水分平均為15%～18%，濾液固體含量不超過5 g/L，處理每噸干煤泥能耗約5 kW·h。

(2)在同等處理能力條件下，與采用單一加壓過濾工藝相比，預計濾液濃度可降低約70%，占地面積節(jié)約40%，節(jié)約能耗約65%，節(jié)約投資約50%，節(jié)約運行和維護成本約60%。

(3)在同等處理能力條件下，與采用單一隔膜壓濾工藝相比，占地面積節(jié)約30%，產品水分降低2～4個百分點，節(jié)約投資約20%，能耗和運維成本相當。

(4)在處理泥化現象比較明顯的煤泥時，沉降過濾式離心機脫水產品的灰分可以比傳統(tǒng)單一脫水工藝降低1～2個百分點，能實現較明顯的降灰提質效果。

新工藝方案具有占地面積小、投資成本省、系統(tǒng)維護簡單、運行成本低的優(yōu)點，可以作為加壓過濾或隔膜壓濾工藝的升級替代工藝用于新建系統(tǒng)或對現有系統(tǒng)進行替換改造，從而實現節(jié)能降耗、減少投資和運行成本，最終達到提高經濟效益和社會效益之目的。

4 高效分級脫水提質工藝效果分析

細粒煤泥分級脫水提質工藝的核心設備是沉降過濾式離心機，該設備參數設定與性能指標驗證是決定工藝效果的關鍵。結合多年來國內外同類設備的應用經驗，可以明確設備參數的設計范圍及性能指標區(qū)間，為應對不同煤質條件的工藝設計和設備選型提供實踐指導。

美國原BIRD公司SB5700型沉降過濾式離心機在國外三個選煤廠不同種類細粒煤泥脫水的試驗數據匯總得出：該機型轉鼓長徑比為2，離心因數約500，相當于國產機型CSB0918，主電機功率為90 kW。

對于另外兩種長徑比和離心因數不同的主流機型也曾做過對比試驗，將SB6400(轉鼓長徑比3，離心因數600，對應國產機型CSB1133)和SB7700(轉鼓長徑比1.4，離心因數400，對應國產機型CSB1420)的數據進行分析對比后，發(fā)現其工藝效果與脫水時間(長徑比)和離心強度(離心因數)有明顯的規(guī)律關系[17]。

4.1 浮選精煤脫水提質

對浮選精煤脫水進行試驗，當入料灰分在8%～9%之間時，入料濃度在20%～30%之間；平均干煤泥處理能力為20 t/h，濾餅水分為15%～17%，產品灰分為7%～8%；平均溢流濃度為1.06%，溢流灰分為45.66%；產品產率≥97%(離心液循環(huán)入料)。脫水前后采樣小篩分數據見表1。

表1 浮選精煤脫水前后小篩分數據

由表1可知：該設備用于浮選精煤脫水時處理量和產品水分均比較理想，脫水后噸干煤泥能耗約4～4.5 kW·h；在產品產率為97%左右的條件下，產品灰分平均降低1個百分點，具有一定的降灰效果；<0.045 mm(325目)極細粒級的產率高，有效減少了精煤損失。

4.2 煤泥濃縮旋流器或螺旋分選機底流脫水提質

對預脫泥煤泥脫水進行試驗，在入料灰分在13%～15%之間，入料濃度在40%～50%之間時，平均干煤泥處理能力為45 t/h，濾餅水分為11%～13%，產品灰分為10%～12%；平均溢流濃度為0.3%～1.5%，灰分為40%～60%；離心液濃度為20%～30%，灰分為11%～14%；產品產率為98%～99%(離心液循環(huán)入料)。采用濃縮旋流器或螺旋分選機預脫泥后煤泥脫水前后采樣小篩分數據見表2。

由表2可知，預脫泥后>0.075 mm(200目)粒級煤泥脫水效果好，產品水分和處理量優(yōu)異，脫水后噸干煤泥能耗約1.8～2 kW·h；產品產率在98%以上，產品灰分降低2個百分點，具有較好的脫泥降灰效果；離心液濃度和灰分與離心機入料接近，應進行循環(huán)入料或采用隔膜壓濾機脫水回收?？梢姴捎妙A濃縮脫泥工藝可以大幅提高設備處理量，減少設備數量，降低產品水分。

表2 預脫泥煤泥脫水前后小篩分數據

4.3 煤泥細篩篩上物脫水提質

對預分級煤泥進行脫水試驗，在入料灰分為17%～18%，平均入料濃度為36%時，平均干煤泥處理能力為37 t/h，濾餅水分為12%～13%，產品灰分為16%；溢流濃度平均為0.8%，灰分為78%；離心液濃度為20%～22%，灰分為35%～40%；產品產率為98%～99%(離心液循環(huán)入料)。采用煤泥細篩預分級后煤泥在脫水前后采樣小篩分數據見表3。

表3 預分級煤泥脫水前后小篩分數據

由表3可知：預分級后>0.075 mm(200目)粒級煤泥脫水效果好，產品水分和處理量較好，脫水后噸干煤泥能耗約2.2～2.4 kW·h；在產品產率在98%以上的條件下，產品灰分降低1～2個百分點，具有較好的脫泥降灰效果?？梢姴捎妙A分級脫泥工藝后可以大幅提高設備處理量，減少設備數量，降低產品水分。

4.4 試驗工藝效果綜合分析

沉降過濾式離心機在轉鼓長徑比為2、離心因數500的參數條件下，用于<0.5 mm細粒煤泥脫水時，具有良好的脫水和降灰綜合提質性能，其中0.075～0.5 mm粒級產品水分為13%左右，0～0.5 mm粒級產品水分16%左右，物料松散性良好。

通過預濃縮或預分級脫泥，由于入料粒度變粗，可以大幅縮短物料沉降所需時間，設備處理能力亦可提高2倍，折算噸干煤泥能耗低于2 kW·h，系統(tǒng)投資和運行成本都能大幅降低。

分析認為，沉降過濾式離心機的沉降和過濾工作機理具有良好的極細粒級(<0.045 mm或<0.075 mm粒級)分級與脫除作用，對于有矸石泥化現象的煤質具有良好的脫泥降灰提質作用[18-19]。通過調節(jié)轉鼓溢流堰板高度和入料流量可以靈活實現截流粒度調節(jié)，代替上述的煤泥預濃縮或預分級的脫泥工藝；通過適當增加溢流液的濃度，可確保離心機脫水后產品的水分和灰分指標得到進一步優(yōu)化，為高品質煤泥產品的分質利用創(chuàng)造條件。

離心機的溢流液和篩下液合并后可以由隔膜壓濾機回收脫水，既能避免因閉路循環(huán)導致高灰細泥在系統(tǒng)內集聚而影響產品灰分和脫水效果，又能保證壓濾機濾液滿足循環(huán)水的使用要求。為保證隔膜壓濾機的成餅效果和脫水效率，可以根據煤質情況適當提高離心機的截流粒度和溢流濃度，以防止壓濾機因粒度過細、濃度過低而出現成餅困難、濾餅水分過高的情況。

根據上述對細煤泥分級脫水工藝核心設備沉降過濾式離心機的應用數據分析，可以明確沉降過濾式離心機經過合理的設計參數和操作參數設定，可以具備良好的分級和脫水綜合效果，能夠取代常規(guī)的煤泥分級或濃縮工藝，實現簡化工藝和減少投資的目標。鑒于沉降過濾式離心機處理能力大、占地面積小、運行成本低的特點，采用分級脫水工藝可以減少隔膜壓濾機或加壓過濾機的使用臺數，進一步壓縮基建投資和運行成本。

5 結語

對于大部分未經浮選的原生煤泥，采用高效分級脫水優(yōu)化工藝，能夠實現煤泥產品的分質高效利用。其中沉降過濾式離心機回收的較粗粒級煤泥產品因為水分和灰分更低，具有更好的松散度和更高發(fā)熱量，可以成為附加值更高的產品銷售；較細粒級的煤泥經過隔膜壓濾脫水后根據發(fā)熱量可以作為副產品回摻銷售。新工藝能夠根據對煤質情況的綜合分析和產品市場價格分析，靈活調整和優(yōu)化沉降過濾式離心機的工作參數和分級粒度，從而兼顧粗、細煤泥產品的灰分和水分指標，最終實現更好的綜合經濟效益和環(huán)境效益。

采用該分級脫水提質工藝，可以通過對現場的局部改造替代現有加壓過濾或隔膜壓濾的單一或組合工藝，正常情況下無需增加過多基建投資即可實現運行與維護成本的同步降低。此外，新工藝能有效提高煤泥脫水系統(tǒng)對煤質波動的適應性，提高煤泥產品質量的穩(wěn)定性，減輕煤泥水系統(tǒng)運行壓力，為整個選煤廠的高效穩(wěn)定運行創(chuàng)造條件。