衛(wèi)中寬,郭大林,史英祥
(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,天津 300120)
三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段在線調(diào)節(jié)是困擾重介選煤生產(chǎn)的難題,目前國(guó)內(nèi)選煤廠多采用更換底流口的方式來(lái)調(diào)整二段旋流器的分選效果。因更換底流口必須在停車狀態(tài)下完成,往往造成調(diào)節(jié)滯后。近年來(lái),三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器大型化、定制化成果有目共睹,但存在的瓶頸問(wèn)題一直沒(méi)得到妥善解決,似乎到了一個(gè)技術(shù)的天花板,無(wú)法逾越。筆者引入二段雙供介的理念,提出內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)的概念,相較傳統(tǒng)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器,通過(guò)在二段旋流器筒體上增設(shè)一個(gè)供介口,將來(lái)自中煤、矸石脫介篩的合格介質(zhì)引入,形成一個(gè)小的二段供介內(nèi)循環(huán)系統(tǒng),來(lái)解決三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段在線調(diào)節(jié)問(wèn)題。這種新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及配套工藝在國(guó)內(nèi)外尚屬首例,打破了現(xiàn)有三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)的天花板,豐富了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的應(yīng)用,為煤矸精確分離與精細(xì)化選煤開(kāi)展了有益嘗試,填補(bǔ)了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段在線調(diào)節(jié)研究領(lǐng)域的空白,對(duì)我國(guó)選煤技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。
三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器雖起源于國(guó)外,但在中國(guó)得以廣泛應(yīng)用,并開(kāi)啟了大型化、定制化裝備實(shí)踐之先河,推動(dòng)中國(guó)選煤技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,為世界選煤工業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。其中具有里程碑意義的事件是1999年1200/850型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及成套洗選工藝在貴州老屋基選煤廠成功應(yīng)用[1],單系統(tǒng)處理能力達(dá)到1.5 Mt/a,標(biāo)志著我國(guó)重介質(zhì)選煤技術(shù)發(fā)展邁入了快車道。此后伴隨著國(guó)家選煤廠建設(shè)的熱潮,以三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器為核心設(shè)備的大型選煤廠如雨后春筍般拔地而起,逐步形成了中國(guó)選煤史上重介工藝一統(tǒng)天下的局面,擴(kuò)展范圍至今仍在延續(xù)。
三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器按給料方式可分為兩類,即有壓給料和無(wú)壓給料,通常所說(shuō)的有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器,嚴(yán)格來(lái)講,應(yīng)該稱為“周邊(有壓)給料圓筒、圓錐旋流器并式串聯(lián)選三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器”,無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器則應(yīng)該稱為“中心(無(wú)壓)給料圓筒、圓錐旋流器并式串聯(lián)選三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器”[2-3]。從工藝設(shè)計(jì)的角度重介選煤可分為脫泥或不脫泥工藝,一般情況下脫泥工藝附帶單獨(dú)的粗煤泥分選環(huán)節(jié),而不脫泥工藝附帶煤泥重介工藝。進(jìn)入21世紀(jì)后,三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的研發(fā)方向主要瞄準(zhǔn)提高單機(jī)處理能力,從大型化、定制化、精細(xì)化的方向起步,開(kāi)發(fā)了一系列大規(guī)格的單機(jī)裝備,目前最大直徑已達(dá)1 500 mm[4],單機(jī)處理能力也有700 t/h的先例[5]。
1999年1200/850型不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在老屋基選煤廠應(yīng)用[1](附帶煤泥重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng))。
2003年1300/920型不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在火燒鋪選煤廠應(yīng)用[6]。
2004年1200/850型脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在響水選煤廠應(yīng)用[7](附帶干擾床分選機(jī)分選系統(tǒng))。
2004年1400/1000型不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在老屋基選煤廠應(yīng)用[8](擴(kuò)能改造工程)。
2005年1200/850型脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在張雙樓選煤廠應(yīng)用[9](粗煤泥采用干擾床分選機(jī)分選系統(tǒng))。
2007年3SNWX1300/920脫泥一段雙供介無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在晉陽(yáng)選煤廠應(yīng)用[10]。
2009年1500/1100型不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在棋盤(pán)井選煤廠應(yīng)用[11]。
2009年1400/1050不脫泥一段雙供介無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在鮑店選煤廠應(yīng)用[12](附帶煤泥重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng))。
2010年1500/1100一段四供介無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在火石咀選煤廠應(yīng)用(入料粒度為60~25 mm)[4]。
2010年1500/1100型不脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在顧橋選煤廠應(yīng)用[13]。
2010年1400-880/850型雙錐體不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在百靈選煤廠應(yīng)用[14]。
2012年1300/920型雙錐體脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在中興選煤廠應(yīng)用[15]。
2016年定制開(kāi)發(fā)的超級(jí)旋流器在南關(guān)選煤廠應(yīng)用[16](替代原有1200/850型不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器)。
2018年定制開(kāi)發(fā)的超級(jí)旋流器在臨渙選煤廠應(yīng)用[5](替代原有1300/920型不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器)。
三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器之所以取得如此多的成就,與科研單位、制造單位、設(shè)計(jì)單位、運(yùn)營(yíng)單位的精誠(chéng)合作與推廣實(shí)踐密不可分。特別要提及的是原煤科總院唐山分院,在老一輩科研工作者的帶領(lǐng)下,從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代開(kāi)始就一直從事三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的研發(fā)工作,在理論研究與工程實(shí)踐中均取得了豐碩的成果,為大型旋流器的誕生奠定了基礎(chǔ)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)、山東科技大學(xué)等單位一直致力于煤炭領(lǐng)域三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器方面的理論研究,并培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的專業(yè)人才,為三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的迅速普及培養(yǎng)了生力軍。2000年以后,唐山國(guó)華科技公司逐步引領(lǐng)了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的發(fā)展潮流,推出了一系列大型定制化三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器,掀起了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器迭代性革命的開(kāi)始。這期間,威海海王旋流器公司作為專業(yè)化的設(shè)備制造商,為三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的大范圍推廣起到了規(guī)模支撐效應(yīng),市場(chǎng)占有率穩(wěn)居第一。各設(shè)計(jì)公司均優(yōu)先選用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器,并結(jié)合設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)工藝流程,把設(shè)備的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到了極致,為設(shè)備的優(yōu)化升級(jí)提出了寶貴的建設(shè)性意見(jiàn),催生了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)向著更高層次邁進(jìn)。各運(yùn)營(yíng)單位提供了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件,積累了大量運(yùn)行數(shù)據(jù),成為檢驗(yàn)理論研究的最佳場(chǎng)所,信息反饋使得三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器技術(shù)不斷精進(jìn),從而更好地服務(wù)于生產(chǎn)。眾多單位的共同努力,使得中國(guó)選煤技術(shù)在世界上占有一席之地,擁有了更多的業(yè)內(nèi)話語(yǔ)權(quán)。
三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器最大優(yōu)勢(shì)就是采用一套介質(zhì)系統(tǒng)和一臺(tái)洗選設(shè)備可一次性完成三種物料的分選,從而使重介分選工藝大大簡(jiǎn)化,運(yùn)營(yíng)成本大幅降低,這種短流程相較于主再選工藝操作簡(jiǎn)單,管理便捷,次生煤泥量少,切中了國(guó)內(nèi)煤炭工業(yè)發(fā)展的脈搏,是其迅速推廣的主要原因。
三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器無(wú)法實(shí)現(xiàn)二段分選效果在線自由調(diào)整,一直是其備受詬病的主要原因。據(jù)了解,大部分采用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的選煤廠二段分選均存在問(wèn)題,以山西高陽(yáng)選煤廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明。該廠生產(chǎn)能力為6.0 Mt/a,主廠房有三套系統(tǒng),單系統(tǒng)處理能力均為2.0 Mt/a,分別稱為A、B、C系統(tǒng),其中A、B系統(tǒng)為脫泥有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主再選工藝,而C系統(tǒng)采用了單套介質(zhì)系統(tǒng)的脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝。入選原煤全部來(lái)自本礦,煤源一致,選煤廠整體裝備水平較高,技術(shù)管理規(guī)范,化驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)。
表1為2017年3—4月該選煤廠生產(chǎn)技術(shù)檢查臺(tái)賬中中煤的快浮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。選煤廠實(shí)際生產(chǎn)時(shí)每個(gè)班中煤產(chǎn)品做一兩個(gè)浮沉樣,收集了6份試驗(yàn)數(shù)據(jù),與2016年全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)相比,反映的趨勢(shì)基本一致,因此,表1數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的代表性,屬該選煤廠的常態(tài)。
從表1可以看出,A、B系統(tǒng)中煤帶矸(>1.8 g/cm3)平均為24.19%,中煤產(chǎn)品以1.4~1.8 g/cm3密度級(jí)為主,呈良態(tài)分布。C系統(tǒng)中煤帶矸(>1.8 g/cm3)平均高達(dá)73.84%,中煤產(chǎn)品以>1.8 g/cm3密度級(jí)為主,中煤帶矸十分嚴(yán)重,說(shuō)明三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的二段分選效果較差。該廠C系統(tǒng)的中煤發(fā)熱量不到9.21 MJ/kg,遠(yuǎn)小于A、B系統(tǒng)中煤16.74 MJ/kg左右的發(fā)熱量,C系統(tǒng)中煤因含大量矸石,銷售途中將產(chǎn)生一半的無(wú)效運(yùn)輸,且發(fā)熱量過(guò)低時(shí),有滯銷的可能。
表1 山西高陽(yáng)選煤廠中煤快浮數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
上述現(xiàn)象在濟(jì)寧、邯鄲礦區(qū)均長(zhǎng)期存在,濟(jì)寧霄云選煤廠中煤帶矸超過(guò)20%,邯鄲觀臺(tái)選煤廠中煤帶矸在15%~30%之間波動(dòng),這樣的例子不勝枚舉。生產(chǎn)中的普遍做法是保兩頭,即保證精煤不超灰,保證矸石少帶煤,無(wú)視中煤質(zhì)量。原因主要是在現(xiàn)有技術(shù)條件下,在線改善二段分選效果的方法已出現(xiàn)“瓶頸”,窮盡了多種思路,但收效甚微。
現(xiàn)常用的二段調(diào)節(jié)方法有兩種:其一是調(diào)節(jié)二段溢流管的插入深度,其二是改變底流口直徑。調(diào)節(jié)二段溢流管插入深度需要對(duì)二段結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),增加伸縮系統(tǒng),但在現(xiàn)場(chǎng)使用中往往因?yàn)樯炜s系統(tǒng)銹死而無(wú)法在線調(diào)節(jié),形同虛設(shè),多已棄之。而更換底流口需在停車狀態(tài)下進(jìn)行,不僅影響連續(xù)生產(chǎn),且更換工作量大,工作環(huán)境也比較臟,現(xiàn)場(chǎng)不得已而為之。傳統(tǒng)無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖
重介質(zhì)旋流器的調(diào)節(jié)主要有兩種途徑,一是調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),二是調(diào)整操作參數(shù)。對(duì)于三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的二段,以往普遍通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)改善其分選效果,因?yàn)槭怯稍O(shè)備制造單位主導(dǎo),所以表現(xiàn)為調(diào)節(jié)溢流管和底流口,包括定制化的超級(jí)旋流器中修改一二段連接管的長(zhǎng)度及過(guò)流面積等。這些改進(jìn)措施都是從調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的視角出發(fā)的。
受原煤科總院唐山分院研發(fā)的一段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的啟發(fā),筆者聯(lián)想到三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段也可以進(jìn)行雙給介設(shè)計(jì),一個(gè)給介口來(lái)料是一段旋流器的重產(chǎn)物,另一個(gè)給介口可以單獨(dú)給入一股介質(zhì)流,這樣就可以從工藝操作的角度解決二段旋流器在線精確調(diào)節(jié)問(wèn)題。
如果二段采用雙供介,這股單獨(dú)的介質(zhì)流從哪里來(lái)才能既不影響一段的分選效果,又不使整個(gè)工藝系統(tǒng)變得復(fù)雜,且不增加過(guò)高的投資與運(yùn)行成本?這里需要回顧一下維持重介系統(tǒng)平衡的條件。重介分選系統(tǒng)是一個(gè)液固兩相流的混合分選體系,運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入系統(tǒng)的物料有煤、煤泥、補(bǔ)加水、磁選精礦、補(bǔ)加介質(zhì),排出系統(tǒng)的物料有精煤、中煤、矸石、磁選尾礦。運(yùn)行過(guò)程如圖2所示。
圖2 重介系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程
有以下三點(diǎn)需要說(shuō)明:
(1)系統(tǒng)穩(wěn)定后,所需的煤泥量是恒定的,進(jìn)入系統(tǒng)的多余煤泥需要通過(guò)分流來(lái)解決,一般采用脫泥工藝后,進(jìn)入系統(tǒng)的煤泥量少,分流量很小或不分流。
(2)補(bǔ)加水的原因是將磁選精礦調(diào)整到合格介質(zhì)所需要的密度,由于介質(zhì)損耗,補(bǔ)加水量是不斷減少的,合格介質(zhì)桶的液位是不斷下降的,下降幅度與介耗有關(guān),介耗大則下降快,介耗小則反之,待桶位達(dá)到設(shè)定液位下限時(shí),即需要補(bǔ)加介質(zhì),并補(bǔ)充水。如果桶容較大,則補(bǔ)加介質(zhì)的頻次非常低。
(3)脫泥篩噴水、脫介篩噴水容易給人誤導(dǎo),其實(shí)二者并未進(jìn)入重介分選系統(tǒng),因脫泥而帶入系統(tǒng)的水量以及磁選精礦帶入的水量可忽略不計(jì)。
因此,重介選煤廠生產(chǎn)過(guò)程中,一般只控制一個(gè)因素,就是補(bǔ)加水,補(bǔ)加地點(diǎn)往往為合格介質(zhì)桶或合介泵入料口管路上。
通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),介質(zhì)系統(tǒng)可劃分為內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)兩個(gè)區(qū)域,只要二段這股單獨(dú)的介質(zhì)流來(lái)自內(nèi)循環(huán),就不會(huì)影響一段的分選效果,且可以達(dá)到調(diào)節(jié)二段密度的目的。下面以一個(gè)典型的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝(圖3)為例進(jìn)行說(shuō)明。
圖3 新開(kāi)發(fā)的二段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器介質(zhì)系統(tǒng)設(shè)備流程
由圖3可看出:系統(tǒng)中增加了一個(gè)小的二段介質(zhì)桶(保證有溢流,且溢流至一段合介桶),其來(lái)料可由以下四種物料按不同比例搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)二段的介質(zhì)密度:①精煤合格介質(zhì);②中煤合格介質(zhì);③矸石合格介質(zhì);④介質(zhì)系統(tǒng)補(bǔ)充水(用于稀釋磁選精礦的水量)。內(nèi)循環(huán)區(qū)域設(shè)備主要有二段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、精煤脫介篩、中煤脫介篩、矸石脫介篩、分流箱、二段雙供介入料桶及泵。外循環(huán)區(qū)域設(shè)備在內(nèi)循環(huán)基礎(chǔ)上,增加了磁選機(jī)、補(bǔ)加水、補(bǔ)加介系統(tǒng)。從圖3中可看出,二段雙供介系統(tǒng)處于內(nèi)循環(huán)區(qū)域,二段介質(zhì)桶來(lái)料無(wú)論怎么變化,改變的只是進(jìn)入二段物料的比例,調(diào)節(jié)的僅為二段密度,由于溢流一直存在,進(jìn)入一段合格介質(zhì)桶的物料沒(méi)有變化。因此,一段旋流器的運(yùn)行狀況不會(huì)受任何影響,一段分選精度和分選密度也不會(huì)發(fā)生變化,精煤質(zhì)量不受影響。
上述四種來(lái)料比例可以任意選擇,從而實(shí)現(xiàn)更寬范圍的二段分選密度調(diào)節(jié)。如果采用加水的方式,需維持介質(zhì)系統(tǒng)中總的補(bǔ)充水量不變。此外,不建議使用精煤合介,以免造成精煤泥損失。最好的做法是只引入中煤合介與矸石合介,通過(guò)調(diào)節(jié)二者的比例來(lái)調(diào)整二段的分選密度,改善二段的分選效果。
針對(duì)無(wú)壓和有壓兩種典型的入料方式,中煤天津設(shè)計(jì)公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了無(wú)壓、有壓新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其配套工藝(定名為高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器),并開(kāi)發(fā)了配套工藝的二段密度控制系統(tǒng)。兩種高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其配套工藝如圖4—圖7所示。
圖5 高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器典型配套工藝設(shè)備流程(無(wú)壓系列)
圖6 高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器(有壓系列)
圖7 高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器典型配套工藝設(shè)備流程(有壓系列)
(1)首次提出了介質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)區(qū)域和外循環(huán)區(qū)域的概念,開(kāi)發(fā)了新型二段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其配套工藝,填補(bǔ)了該研究領(lǐng)域的空白,是對(duì)傳統(tǒng)工藝的補(bǔ)充與完善,對(duì)提高中煤質(zhì)量,減少無(wú)效運(yùn)輸具有積極意義。
(2)在單一介質(zhì)系統(tǒng)條件下,采用新裝備與新工藝,實(shí)現(xiàn)了二段旋流器分選效果動(dòng)態(tài)在線調(diào)節(jié),提高了二段旋流器的分選精度,將二段調(diào)節(jié)方式研究視角從注重調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)移到了工藝系統(tǒng)變革,探索出一條實(shí)現(xiàn)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段精確分選的新途徑,是一次選煤工藝設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新。
(3)二段雙供介系統(tǒng)可開(kāi)可不開(kāi),提高了重介系統(tǒng)二段在線調(diào)整的靈活性,且輔助設(shè)備少,工藝簡(jiǎn)單,便于布置,增加投資不多,市場(chǎng)易接受。
(1)隨著新工業(yè)革命的到來(lái),流體模擬與仿真技術(shù)將進(jìn)一步賦能煤炭行業(yè),如果煤源穩(wěn)定,未來(lái)定制化開(kāi)發(fā)將成為主流。但中國(guó)以井工礦為主,且開(kāi)采難度逐年增加,造成煤質(zhì)波動(dòng)頻繁,設(shè)備選型與工藝布置時(shí)一定要考慮這些因素,預(yù)留一定的富余空間是必要的。下一步研題將會(huì)探索適度降低一段旋流器的入料壓力或流量,在節(jié)能降耗的前提下,實(shí)現(xiàn)二段分選效果的在線調(diào)節(jié),并探索二段的調(diào)節(jié)范圍與初始結(jié)構(gòu)的匹配性,最大限度地適應(yīng)多變的煤質(zhì)。
(2)大型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器盛行多年,理論研究嚴(yán)重滯后,要邁向世界選煤強(qiáng)國(guó),這些軟實(shí)力的提升是不可或缺的。只有做到實(shí)踐與理論雙驅(qū)動(dòng),且與時(shí)俱進(jìn),工業(yè)體系才會(huì)趨于更完善。
(3)隨著時(shí)代的發(fā)展,任何事物都有突破的空間,有的甚至是迭代性的,創(chuàng)新無(wú)止境。就像三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器一樣,突破了這層天花板,該技術(shù)會(huì)再上一個(gè)新臺(tái)階。