南梁選煤廠動力煤煤泥浮選回收技術的研究與應用

霍志飛

(中煤集團西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

南梁煤礦選煤廠位于陜西南梁礦業(yè)有限公司工業(yè)廣場內(nèi)，于 2011年4月開工建設，2012年6月15日建成投產(chǎn)。選煤廠原設計規(guī)模為3.0 Mt/a，工作制度為16 h/d，330 d/a。選煤工藝為：200～13 mm塊煤重介淺槽分選，13～1.5 mm末煤脫泥有壓兩產(chǎn)品重介旋流器分選，1.5～0.15 mm粗煤泥螺旋分選機分選，小于 0.15 mm煤泥不經(jīng)分選直接由快開壓濾機脫水后排棄。入選煤種主要為長焰煤，主要用途為動力用煤及化工用煤，80～30 mm塊精煤灰分不大于6.00%，30～0 mm電煤灰分不大于12.00%。

1 目前存在的問題

自投產(chǎn)以來，南梁選煤廠煤泥量約為10%，灰分在40%～50%之間，每年排棄的煤泥在30萬t以上。由于煤泥灰分高、水分高、發(fā)熱量低，且煤泥粘滯，摻配后易于結(jié)團等原因。煤泥實際處理方式為少部分由地方電廠低價或無償拉走，絕大部分排棄至排矸場傾倒掩埋處理，不僅對周圍環(huán)境造成了污染，還浪費了寶貴的煤炭資源。煤泥的低級處理方式帶來以下主要問題：

(1)煤泥沒有得到有效的回收利用，大量的煤泥直接外排，浪費了寶貴的煤炭資源，因而直接影響企業(yè)經(jīng)濟效益。

(2)環(huán)保壓力不斷增大。洗選產(chǎn)生的煤泥脫水后存放在排矸場，煤泥在晾曬過程中，遇水流失、遇風飛揚，污染了礦區(qū)環(huán)境，煤泥的堆存還易造成排矸場自燃，后期可能增加排矸場自燃處理費用。同時由于環(huán)保政策越來越嚴，排棄矸石、煤泥量大，對礦區(qū)造成環(huán)境污染的風險日益加重。

(3)影響排矸場的正常服務年限。大量煤泥直接外排，將直接導致公司排矸場服務年限縮短，后期勢必需要再征用場地，征地程序復雜且需支付高昂費用。

(4)根據(jù)礦井開采計劃，下一步矸石泥化現(xiàn)象比較嚴重，屆時煤泥量和煤泥灰分會更高、發(fā)熱量更低，煤泥的處理將比目前更困難。煤泥浮選是煤泥提質(zhì)利用的可靠技術手段，為低階煤煤泥處理打開了新的路徑。

2 相關技術國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

低階動力煤具有較高的表面孔隙度和較高的含氧官能團，親水性較強，可浮性較差；當變質(zhì)程度增高，煤的排列變得致密，孔隙度降低，表面含氧官能團減少，疏水性增強，在焦煤時可浮性最好。然而，隨著變質(zhì)程度進一步提高，孔隙度增加(孔隙度是指煤樣中所有孔隙空間體積之和與該煤樣體積的比值)，側(cè)鏈減少，碳鏈變短，疏水性降低[1]。對于高變質(zhì)程度的煤種，選用合適的浮選設備，通過調(diào)整礦漿濃度、加藥制度和粒度組成就可以達到理想的浮選效果。對于低階煤種，國內(nèi)外學者做了大量的研究工作，取得一定的進展，但均仍停留在實驗室階段。為了減小資源浪費，提高選煤廠的精煤產(chǎn)量，增加選煤廠的經(jīng)濟效益，低階煤浮選問題一直是各大科研機構研究的重點。

在蒙陜地區(qū)，選煤廠設計時幾乎不配套煤泥浮選系統(tǒng)，通過工藝設計，盡可能地降低煤泥量，根據(jù)壓濾后煤泥的發(fā)熱量，一是將煤泥回摻到混煤中，作為產(chǎn)品銷售，二是排棄掉。近幾年，由于煤價的上漲，也有一些企業(yè)在嘗試采用浮選回收煤泥中的精煤，如采用機械攪拌浮機、浮選柱，但因為成本和回收率的問題，能正常生產(chǎn)的幾乎沒有。

3 煤泥的特性分析

2017年，中煤西北能源接管南梁礦業(yè)公司，根據(jù)當時中煤集團公司提質(zhì)增效的要求，著手研究煤泥的回收利用，經(jīng)過對周邊及全國不同煤種選煤廠的煤泥處理方式的調(diào)研和研究，發(fā)現(xiàn)低階動力煤的煤泥回收成本較高，在全國范圍內(nèi)基本上采取的措施是排棄、直接脫水回摻或干燥后回摻。南梁的煤泥水分大于27%，灰分大于40%，發(fā)熱量小于7.53 MJ/kg，直接脫水回摻不合適。如果采用干燥工藝，投資需3 500萬元左右，發(fā)熱量可以提到高11.72 MJ/kg左右，仍然無法回摻，而且環(huán)保手續(xù)難度較大。采用傳統(tǒng)浮選工藝，成本較高，降低成本的可能性較小。經(jīng)多方研究試驗，選煤廠最終確定采用配套表面改質(zhì)、射流微泡浮選、空氣穿流干燥壓濾機的工藝對煤泥進行回收利用。

經(jīng)與相關專家學者對南梁煤泥的特性進行研究發(fā)現(xiàn)，南梁選煤廠煤泥特點，一是易泥化，高泥化煤泥容易產(chǎn)生細泥覆蓋現(xiàn)象，即大量高灰細泥覆蓋在精煤表面，污染精煤；二是煤泥細顆粒含量高，需要高分散性的大量微泡對其捕集才能獲得好的浮選效果，而且需要較高的浮選選擇性；三是表面活性差，浮選藥劑在其表面反應與吸附的時間要比較長，需要較長的浮選時間；四是需要較高的能量輸入，只能在強剪切和強紊流流體力學環(huán)境下，提高細顆粒和氣泡的碰撞附著概率，才可以獲得較高的精煤產(chǎn)率。

3.1 煤泥小篩分、小浮沉及可浮性研究

3.1.1 煤泥篩分粒度組成分析

按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》，對南梁煤礦原煤泥進行了多次小篩分試驗，其典型的、具有代表性的結(jié)果見表1。

表1 小于0.5 mm 小篩分試驗結(jié)果

分析表1可知：

(1)原煤泥中大于0.25 mm含量不到9%，說明前段分級跑粗不嚴重；主導粒級為小于0.045 mm(325 目)級，占煤樣的62.70%；其余各粒級產(chǎn)率相對均衡。

(2)物料中小于0.045 mm粒級灰分高達54.36%，比其余各級累計灰分高出39個百分點以上，比總灰高出14個百分點。說明矸石泥化嚴重。

(3)小于0.045 mm粒級產(chǎn)率為62.7%，說明微細粒級的細泥大量存在，這將對浮選精煤產(chǎn)生比較嚴重的污染，可能加大煤泥浮選的難度。

3.1.2 煤泥浮沉組成分析

煤泥中小于0.5 mm粒級小浮沉試驗研究結(jié)果見表2。

表2 原煤泥中小于0.5 mm粒級浮沉試驗研究結(jié)果

從表2原煤泥小于0.5 mm浮沉試驗研究結(jié)果報告表可知：

(1)原煤泥小于0.5 mm中小于1.4 kg/L密級產(chǎn)率為52.64%，灰分為7.63%，可見低密度物含量高，灰分低，易于生產(chǎn)低灰精煤。

(2)原煤泥小于0.5 mm中大于2.0 kg/L密級產(chǎn)率為37.07%，灰分為88.78%，為主導密度級，亦說明矸石易泥化。

(3)原煤泥小于0.5 mm中1.4～2.0 kg/L各密級產(chǎn)率相對較低。

(4)這一浮沉組成可以通過浮選獲取低灰分的精煤和高灰分的尾煤產(chǎn)品。

3.1.3 煤泥浮選分步釋放試驗研究

煤泥浮選理論指標可通過煤泥分步釋放試驗確定理想條件下煤泥浮選可得到的灰分和產(chǎn)率。依據(jù)GB/T 36167—2018《選煤實驗室分步釋放浮選試驗方法》相關規(guī)定，開展了煤泥的分步釋放試驗研究，試驗結(jié)果見表3、圖1。

表3 煤泥分步釋放試驗結(jié)果

圖1 分布釋放浮選試驗結(jié)果

分析表3和圖1可知，當浮選精煤灰分要求為10.00%時，理論精煤產(chǎn)率為46.35%，尾煤灰分為58.55%；當浮選精煤灰分要求為11.00%時，理論精煤產(chǎn)率為50.43%，尾煤灰分為61.53%；當浮選精煤灰分要求為12.00%時，理論精煤產(chǎn)率為52.65%，尾煤灰分為62.79%。

3.2 煤泥可浮性評定

參照 MT/T 259—1991《煤炭可浮性評定方法》，以精煤灰分為12.00%的浮選試驗結(jié)果為依據(jù)，對煤粉可浮性進行評定。

浮選精煤產(chǎn)率γc=52.65%，浮選精煤灰分Ad，c=12.00%，浮選入料灰分Ad，r=36.05%，浮選精煤可燃體回收率Ec=(100-Ad，c)/(100-Ad，r)=67.51%。

根據(jù)浮選精煤可燃體回收率為67.51%，判斷煤粉的可浮性等級為中等可浮。

3.3 灰分、水分對煤泥發(fā)熱量影響

根據(jù)近幾年對煤泥化驗檢測數(shù)據(jù)進行分析計算，得灰分每增加1%時，發(fā)熱量降低321.86 J/g；水分每增加1%時，發(fā)熱量降低257.906 J/g。

3.4 煤泥浮選半工業(yè)性試驗研究

為了進一步驗證煤泥浮選的可行性，降低未來工業(yè)化生產(chǎn)的風險，在南梁煤礦選煤廠現(xiàn)場對煤泥進行了半工業(yè)浮選試驗。

(1)半工業(yè)生產(chǎn)試驗裝備系統(tǒng)。經(jīng)過多次研究分析，最終選擇采用φ1 600 mm的射流微泡浮選機進行煤泥半工業(yè)生產(chǎn)試驗，收到了良好的浮選效果，并且獲取了可貴的基礎實驗數(shù)據(jù)，浮選效果見圖2。

圖2 半工業(yè)浮選試驗效果

(2)半工業(yè)生產(chǎn)試驗研究結(jié)果。2018年11月2日試驗數(shù)據(jù)及11月3日代表性重復性試驗數(shù)據(jù)整理如表4。

表4 浮選工業(yè)性試驗

(3)浮選精煤產(chǎn)率及指標的計算結(jié)果見表5。

從表5浮選工業(yè)性試驗研究計算結(jié)果表可知，南梁煤礦選煤廠煤泥浮選綜合產(chǎn)率為49.22%，灰分11.30%。

3.5 浮選精煤過濾脫水試驗

(1)實驗室脫水試驗。為了解浮選精礦脫水的難易程度以及最終浮選精礦水分，指導脫水設備選型等，在南梁煤礦選煤廠現(xiàn)場取樣并進行了實驗室煤泥浮選，對浮選精礦進行過濾脫水試驗。

實驗室采用空氣穿流干燥壓濾機，分別對浮選精礦濃度20%和25%及濾餅厚度25 mm和30 mm進行過濾脫水試驗。

經(jīng)試驗，在25 mm濾室深度條件下，空氣穿流干燥10 min，濾餅含水率可達20.7%；在30 mm濾室深度條件下，空氣穿流干燥10 min，濾餅含水率20.1%。試驗結(jié)果見表6，試驗圖片見圖3、圖4。

圖4 壓濾試驗2

通過試驗可知，南梁選煤廠浮選精煤采用空氣穿流干燥壓濾機進行脫水，效果較好，當濾餅厚度為30 mm時，最佳產(chǎn)品水分約為 20.7%。

因此可以判定，在正式生產(chǎn)過程中，浮選精煤水分可以控制在20%左右。目前通用的陶瓷壓濾機，浮選精煤水分一般都在26%左右，所以，采用空氣穿流干燥壓濾機效果會更好。

(2)工業(yè)性脫水試驗。為進一步驗證試驗數(shù)據(jù)，2017年9月，委托中煤裝備公司的中煤(天津)洗選有限公司制造了1臺空氣穿流干燥壓濾工業(yè)實驗機，并運至南梁選煤廠現(xiàn)場進行了工業(yè)實驗。

(3)試驗結(jié)論。采用空氣穿流干燥壓濾機對南梁選煤廠壓濾車間進行過濾實驗，給料時間為8～15 min，空氣干燥時間8～15 min，過濾后濾餅水分21%～24%，平均22.5%。試驗記錄見表7。

表7 空氣穿流干燥壓濾機試驗結(jié)果

4 煤泥回收設計方案

4.1 建設規(guī)模

南梁選煤廠主洗系統(tǒng)的設計處理能力為3.0 Mt/a，2016年主洗系統(tǒng)入洗量為2.56 Mt/a，產(chǎn)生的煤泥量26.30萬t(干基)，占10.30%；2017年主洗系統(tǒng)已經(jīng)達到3.50 Mt/a，產(chǎn)生煤泥量27.98萬t(干基)，占8.18%，兩年煤泥產(chǎn)率的平均值為9.24%，考慮國家對超產(chǎn)的控制，最終確定全年設計原煤洗選量3.0 Mt/a，平均煤泥量為300×9.24%=27.73萬t/a。雖然礦井可采煤層變化不大，但考慮地質(zhì)條件不可預設的變化，原煤煤質(zhì)變差，末煤洗選比例增加，產(chǎn)生煤泥量可能有所增加，為此，浮選工程的最終能力確定為0.30 Mt/a，設備選型的不均衡系數(shù)確定為1.2。

浮選工程建設規(guī)模確定0.30 Mt/a，生產(chǎn)能力為56.82 t/h。工作制度與選煤廠一致，為年生產(chǎn)330 d，二班生產(chǎn)，一班檢修，每天運轉(zhuǎn)16 h。

天要亮時，思雨才迷糊了一小覺。起床洗漱后，還是覺得昏昏沉沉。他去餐廳用早餐時，那些熟悉的服務員們，看他的眼神有些異樣。在餐廳遇到了小林經(jīng)理，小林經(jīng)理也只沖他訕訕地笑了笑。沒有像過去那樣同他熱情招呼，或簡單說幾句話什么的。思雨心里明白了八九分。他的心里很不是滋味。簡單用完早餐走出餐廳時，他在心里做了個決策：以后公司的定點賓館應該換一家了。他在這里已經(jīng)背了一個很大的黑鍋。

4.2 工藝流程

依據(jù)前期的半工業(yè)試驗，最終確定采用對高灰細泥選擇性好的射流微泡浮選機進行分選。采用兩段浮選工藝，即浮選入料首先給入一段射流微泡浮選機回收大部分精煤，然后再將一段浮選尾煤給入二段射流微泡浮選機以進一步回收殘余精煤的浮選工藝。

4.2.1 浮選系統(tǒng)

采用煤泥表面改質(zhì)+射流微泡浮選+空氣穿流干燥壓濾的工藝流程，如圖5所示。

圖5 浮選工藝流程

為簡化流程，分級旋流器溢流通過自流進入到新增浮選車間，螺旋分選機尾礦煤泥水、螺旋分選機精礦弧形篩篩下水經(jīng)現(xiàn)有轉(zhuǎn)排桶泵送至新增浮選車間，兩者入料與浮選藥劑(起泡劑、捕收劑)充分混合，表面改質(zhì)后的煤泥自流至射流微泡浮選機入料桶，再由渣漿泵打入射流微泡浮選機分選。

射流微泡浮選機共設2臺，串聯(lián)布置。射流微泡浮選機分選出的浮選精煤用渣漿泵輸送至壓濾機脫水。

脫水后的浮選精煤經(jīng)均質(zhì)化給料機均勻給料至刮板機上。壓濾精煤經(jīng)過1臺轉(zhuǎn)載刮板收集后摻配到混煤中。

浮選尾礦自流至原濃縮機濃縮沉降。將原有的2臺30 m高效濃縮機，1臺改為消泡池，采用多點加藥的方式，確保煤泥水沉降且穩(wěn)定。濃縮機溢流作為循環(huán)水由泵打回主廠房循環(huán)使用。濃縮機底流經(jīng)底流泵打到原有壓濾車間壓濾機入料攪拌桶，再經(jīng)壓濾機脫水回收，脫水后的尾煤泥落地外排。壓濾機濾液自流至濃縮機，該工藝具有以下優(yōu)點。

(2)由內(nèi)部企業(yè)自行研制的射流微泡浮選機無機械攪拌裝置，單位處理量高、回收率高、運行成本低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。

(3)采用兩段串聯(lián)的工藝方式，增加了浮選面積，延長了浮選時間，易浮煤在第一段優(yōu)先浮選，難浮煤經(jīng)過第二段有足夠的浮選時間浮起。

(4)采用新型空氣干燥壓濾機。與普通隔膜壓濾機相比，在隔膜壓榨的基礎上，增加了氣流穿流脫水工藝環(huán)節(jié)，對內(nèi)在水分高、粒度細、比表面積大的難過濾物料有很好的脫水效果。

(5)設置均質(zhì)化給料機，無需對煤泥進行破碎，也可保證浮選精煤與原主洗系統(tǒng)末精煤均勻混合，保證末精煤煤質(zhì)的穩(wěn)定。

4.2.2 輔助系統(tǒng)

(1)空氣壓縮機房。煤泥浮選需要壓縮空氣為空氣干燥壓濾機提供空氣源，為此，在浮選車間內(nèi)設有空壓機房，新增空壓機2臺，風包2個，以滿足新增浮選車間壓濾機對壓縮空氣的需求。

(2)浮選藥劑庫。為了保證浮選與原有主洗系統(tǒng)連續(xù)銜接、穩(wěn)定運行，增加浮選藥劑庫1座，可儲存選煤廠15 d以上的藥劑消耗量。

4.3 浮選技術指標

精煤預計回收率：根據(jù)半工業(yè)性試驗數(shù)據(jù)，精煤灰分11.59%時，精煤產(chǎn)率可達49.41%。

浮選預計精煤水分：浮選精煤水分暫按25%計算。

發(fā)熱量：根據(jù)模擬出的適合本廠的發(fā)熱量公式：Qnet，ar=7265.44-77.0Ad-61.7Mt(kcal/kg)，按照這一公式計算，浮精灰分11.59%，水分25%，收到基發(fā)熱量為20.21 MJ/kg 。

5 實際取得效果

(1)陜西南梁礦業(yè)煤泥浮選項目，自2019年7月中旬單機調(diào)試，8月開始和主洗生產(chǎn)同步進行生產(chǎn)運行，投產(chǎn)時指標跟蹤監(jiān)測結(jié)果見表8。

表8 投產(chǎn)時指標跟蹤監(jiān)測

從表8可知，浮選精煤產(chǎn)品灰分Ad不大于12%，水分Mt在24.4%～26.5%，發(fā)熱量Qnet，ar約20.08 MJ/kg，精煤回收率大多為48%～50%?；痉袭a(chǎn)品方案中灰分Ad不大于12%，水分Mt不大于25%，發(fā)熱量Qnet，ar在20.08 MJ/kg左右，與設計相符。

(2)2020年1—12月，南梁選煤廠從煤泥中回收精煤12.5萬t，平均銷售價格342元/t，銷售收入=12.5×342=4275(萬元)，環(huán)保費減免283.36萬元，煤泥排放費節(jié)約50萬元，上交稅費739.26萬元，年利潤1 700多萬元。2020年各月生產(chǎn)情況及指標統(tǒng)計見表9。

表9 2020年各月生產(chǎn)情況及指標統(tǒng)計

6 結(jié) 語

西北能源公司本著“改革創(chuàng)新、提質(zhì)增效”的發(fā)展理念，以實事求是的原則，著重研究并尋求適用南梁煤泥的合理處理工藝，選擇了“表面改質(zhì)+射流微泡浮選+空氣穿流干燥壓濾”工藝，將煤泥綜合利用，不僅可以回收資源，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，同時還可以減少環(huán)境污染。