煤矸石破碎制漿技術(shù)裝備優(yōu)化研究

何 闖

（江蘇遠(yuǎn)方動(dòng)力科技有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

煤炭資源在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤矸石，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。煤矸石的大量堆存，降低了土地的利用率，同時(shí)矸石淋溶水還會(huì)對(duì)周?chē)寥篮偷叵滤斐晌廴?。煤矸石中含有一定量的可燃物，特定條件下容易發(fā)生自燃，排放如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體和煙塵，造成大氣污染。秉承“從哪來(lái)，到哪去”的原則，將煤矸石破碎制漿充填離層區(qū)，保護(hù)地面建筑物、構(gòu)筑物，同時(shí)解決了煤矸石污染問(wèn)題，一舉多得。

1 煤矸石性能

本文選取西部地區(qū)的母杜柴登煤礦、唐家會(huì)煤礦、曹家灘煤礦，對(duì)煤矸石成分、物理性能、含水率等性能進(jìn)行研究。分析顯示，煤矸石主要成分為石英60%～70%、高嶺土8%～10%、鈉長(zhǎng)石9%～17%、其他5%。經(jīng)檢測(cè)分析，煤矸石硬度為3～5，屬硬度較低物料；抗壓強(qiáng)度為15～25 MPa，按照標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)礦物抗壓強(qiáng)度小于40 MPa，稱(chēng)為軟物料，所以煤矸石屬軟物料；煤矸石屬于脆性礦物，以應(yīng)變形式儲(chǔ)存應(yīng)力的能力很小，因而很容易破裂。

2 破碎機(jī)理

2.1 常規(guī)礦石破碎方式

礦石破碎形式分別有擠壓破碎、劈裂破碎、折斷破碎、研磨破碎、沖擊破碎等形式（圖1）。

（1）擠壓破碎：利用2 個(gè)工作面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的破碎，物料在壓力到達(dá)抗壓強(qiáng)度極限時(shí)破碎，如顎式破碎機(jī)。

（2）劈裂破碎：工作面帶有2 個(gè)尖棱，通過(guò)尖棱來(lái)擠壓物料，當(dāng)尖棱面工作時(shí)會(huì)楔入物料。當(dāng)尖棱面產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于物料的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，礦石將會(huì)裂開(kāi)并被破碎。如齒輥破碎機(jī)。

（3）折斷破碎：物料被夾在工作面之間，物料會(huì)像簡(jiǎn)支梁或多支梁一樣受到集中力的作用。折斷破碎物料主要是受到彎曲應(yīng)力從而折斷。物料在和工作面接觸的作用力為劈力。

（4）研磨破碎：物料塊的位置在兩個(gè)保持相對(duì)移動(dòng)的破碎板之間，物料表面受到研磨作用會(huì)產(chǎn)生剪切變形，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到物料抗剪切強(qiáng)度極限時(shí)，物料就會(huì)被破碎。如球磨機(jī)、圓錐破碎機(jī)等。

（5）沖擊破碎：物料受到足夠大的瞬時(shí)沖擊力而破碎。如立軸式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)等。

2.2 新型料床粉碎

礦石粉碎過(guò)程分為單顆粒粉碎和料床粉碎2 種。單顆粒粉碎主要指在破碎過(guò)程中產(chǎn)生的粉碎，而料床粉碎則是在粉磨中產(chǎn)生的粉碎。單顆粒粉碎是理想環(huán)境下外力直接對(duì)單顆粒產(chǎn)生作用力，形成破壞應(yīng)力而粉碎。料床粉碎則不同，料床粉碎是指被粉碎的物料聚合在一起，形成顆粒料床，各個(gè)顆粒的位置被相鄰的顆粒限制。外力不會(huì)直接施加在單顆粒上，而是會(huì)施加在顆粒層，應(yīng)力傳遞靠的是顆粒本身，各個(gè)顆粒之間相互作用擠壓、裂縫、斷裂、剪切等而粉碎。單顆粒粉碎的功耗比較單一，能耗主要為粉碎能，料床粉碎除了粉碎能外，還存在料床壓縮和流動(dòng)的能量。因此破碎能耗一般小于粉磨能耗。然而實(shí)際在微細(xì)物料粉碎中單顆粒粉碎是不可能做到的。

3 煤矸石破碎制漿裝備集成

3.1 煤矸石破碎制漿1.0 版

煤矸石破碎制漿1.0 版采用“以磨為主”的破碎工藝。采用1 臺(tái)60-90 顎式破碎機(jī)最大進(jìn)料粒度400 mm，處理能力60～120 t/h，功率75 kW，以及1 臺(tái)1616 制砂機(jī)和1 臺(tái)Φ3.5×13 m 球磨機(jī)。

3.1.1 顎式破碎機(jī)

該顎式破碎機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)顎破，技術(shù)成熟運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定（圖2）。主要破碎方式有擠壓破碎、劈裂破碎和折斷破碎3 種。

圖2 顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1.2 球磨機(jī)

球磨機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是在市場(chǎng)上已經(jīng)大范圍使用，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。缺點(diǎn)是設(shè)備功率大，能耗高，鋼球和襯板磨損較快，耗材高。

煤矸石破碎制漿1.0版，整線共裝有顎式破碎機(jī)、反擊破碎機(jī)、球磨機(jī)。顎式破碎機(jī)75 kW、反擊破碎機(jī)400 kW、球磨機(jī)2000 kW，破碎制漿裝機(jī)總功率2475 kW。破碎1 t 煤矸石實(shí)際能耗20 kW·h，平均消耗1 kg 鋼球。

3.2 煤矸石破碎制漿2.0 版

球磨機(jī)的能量利用率是破碎設(shè)備中最低的設(shè)備，所以減少球磨機(jī)工作量是節(jié)能的關(guān)鍵。煤矸石破碎制漿2.0 版采用“多破少磨”的破碎工藝降低能耗，采用1臺(tái)750-1060 顎式破碎機(jī)最大進(jìn)料粒度550 mm，處理能力150～500 t/h，裝機(jī)功率110 kW；2 臺(tái)300-1300細(xì)顎破最大進(jìn)料粒度為250 mm，處理能力為16～105 t/h，裝機(jī)功率為55 kW；2 臺(tái)1600 立軸破碎機(jī)和1 臺(tái)Φ3.6×6.0 m 球磨機(jī)。

3.2.1 煤矸石破碎制漿2.0 版產(chǎn)線

采用兩條生產(chǎn)線（分別為1 號(hào)、2 號(hào)），其中一條為備用生產(chǎn)線。從前破碎生產(chǎn)線經(jīng)緩沖料倉(cāng)通過(guò)皮帶輸送機(jī)后直接供給MQS-3660 型球磨機(jī)，球磨機(jī)研磨出來(lái)的漿經(jīng)過(guò)二級(jí)攪拌，供給注漿泵使用（圖3）。

圖3 煤矸石破碎制漿2.0 版布置

3.2.2 立軸式破碎機(jī)

立軸式破碎機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為立軸破，主體部件有筒體、轉(zhuǎn)子、機(jī)蓋附件、底座等，最大進(jìn)料粒度100 mm，處理能力60～110 t/h，裝機(jī)功率160 kW。其破碎部分由錘擊和反擊兩個(gè)部分組成。物料先從進(jìn)料口進(jìn)入破碎腔，錘頭會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生沖擊、剪切、劈碎、折斷，使得物料粒徑初步降低。再經(jīng)過(guò)反擊破碎，反擊板會(huì)對(duì)物料產(chǎn)生沖擊、剪切。物料會(huì)因自撞破碎，通過(guò)錘擊部分和反擊部分的兩次破碎之后，物料可以被控制在均衡粒徑，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)物料粉碎。

該設(shè)備由機(jī)械傳動(dòng)部分、反擊破碎部分、錘擊破碎部分組成。其中起到破碎作用的是錘擊破碎部分和反擊破碎部分，皮帶傳動(dòng)部分傳遞破碎所需要的動(dòng)力。采用立軸式上下安裝，這樣的安裝方法可以利用物料的自重，減少物料運(yùn)輸過(guò)程所消耗的動(dòng)力。通過(guò)反擊破碎，最終可達(dá)到降低粒徑的目的。

煤矸石破碎制漿2.0 版，顎式破碎機(jī)110 kW、細(xì)顎破55×2=110 kW、立軸破160×2=320 kW、球磨機(jī)1600 kW，破碎制漿裝機(jī)總功率2140 kW。1 t 煤矸石實(shí)際能耗14 kW·h，鋼球消耗0.4 kg。相較于1.0 版，由兩級(jí)破碎增加到三級(jí)破碎，球磨機(jī)功率由2000 kW 降至1600 kW，每噸煤矸石能耗下降20%，鋼球消耗下降60%。

3.3 煤矸石破碎制漿3.0 版

3.3.1 制粉線設(shè)計(jì)

在1.0 版中球磨機(jī)功率占比80%，2.0 版球磨機(jī)功率占比74%，功率降低了400 kW，每噸煤矸石破碎制漿能耗減少20%。減少球磨機(jī)做功是降低能耗和減少耗材的直接方式。

基于煤矸石物理化學(xué)性能，本著“以破代磨”的制粉原則，設(shè)計(jì)了煤矸石破碎制漿3.0 版（圖4）。該制粉站包含煤矸石粗破、細(xì)破、輥壓制粉及篩分設(shè)備等。制粉站參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤矸石制粉注漿站參數(shù)

圖4 煤矸石破碎注漿3.0 版系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在矸石倉(cāng)出矸口布置板式給料機(jī)，矸石經(jīng)出料口落入板式給料機(jī)，再經(jīng)板式給料機(jī)進(jìn)入皮帶機(jī)，皮帶機(jī)上部設(shè)有除鐵器，用于去除煤矸石中鐵質(zhì)雜物。由皮帶機(jī)將煤矸石輸送至齒輥破碎機(jī)。入料粒徑小于300 mm，經(jīng)齒輥破碎機(jī)粗破后，出料粒徑小于50 mm。經(jīng)輸送機(jī)進(jìn)入雙輥破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)破，破碎后粒徑小于15 mm。再經(jīng)輸送機(jī)進(jìn)入高壓制粉站。高壓制粉站穩(wěn)料倉(cāng)和布料口作用下，矸石顆粒形成穩(wěn)定料層進(jìn)入雙輥之間，雙輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)，煤矸石料層進(jìn)入雙輥擠壓通道，隨著通道截面越來(lái)越窄，顆粒間隙減小，進(jìn)入料層擠壓粉磨。在高壓下矸石顆粒被擠壓，矸石與矸石之間互相擠壓，當(dāng)壓力超過(guò)矸石本身強(qiáng)度時(shí)矸石產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，矸石顆粒越來(lái)越小。

煤矸石經(jīng)過(guò)制粉站高壓輥是一次性通過(guò)，會(huì)有部分矸石顆粒在壓力下未形成小于80 目的粉末，內(nèi)部已產(chǎn)生較多微裂紋。最終達(dá)標(biāo)粉末與未達(dá)標(biāo)顆粒在高壓下形成料餅從出料口落入皮帶輸送機(jī)。再經(jīng)斗式提升機(jī)提升至選粉裝置，擠壓后的煤矸石料餅進(jìn)入選粉機(jī)在重力作用下撞擊在打散板上，料餅分散。選粉機(jī)內(nèi)部在風(fēng)機(jī)作用下將細(xì)顆粒煤矸石粉向上吹，進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的鼠籠式分選器。小于80 目的顆粒進(jìn)入離心式旋風(fēng)筒，在離心作用下顆粒沉降，經(jīng)重力閥落入皮帶輸送機(jī)，再由皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至制漿機(jī)進(jìn)行制漿。

選粉機(jī)中粗顆粒在打散板撞擊后向下落入選粉機(jī)粗料出料口。部分被風(fēng)吹上去的較粗顆粒在分選板的撞擊后落下也落至粗料出料口。粗煤矸石經(jīng)皮帶輸送機(jī)返回煤矸石制粉站，與細(xì)破后的煤矸石一同進(jìn)入煤矸石制粉站。再次制粉循環(huán)，直至達(dá)標(biāo)后制漿。

煤矸石破碎制漿3.0 版，齒輥破碎機(jī)130 kW、雙輥破碎機(jī)130 kW、制粉站630 kW、選粉機(jī)255 kW，破碎制粉裝機(jī)總功率1145 kW，每噸煤矸石理論能耗10 kW·h。相較于1.0 版，節(jié)約鋼球600 t，按照鋼球每噸單價(jià)6000 元計(jì)算，每年可節(jié)約360 萬(wàn)元。相較于2.0版，節(jié)約鋼球240 t，按照鋼球每噸單價(jià)6000 元計(jì)算，每年可節(jié)約144 萬(wàn)元。

3.3.2 智能化控制設(shè)計(jì)

為保證煤矸石破碎制漿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化、自動(dòng)化、少人化。系統(tǒng)采用DCS 與PLC 分散控制，集中操作系統(tǒng)。采用DCS 與PLC 分散控制集中操作系統(tǒng)，對(duì)各種設(shè)備順序控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、自動(dòng)制粉、自動(dòng)選粉工作，實(shí)現(xiàn)智能化控制，整條線僅需1 人操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤矸石主要成分是石英、高嶺土、長(zhǎng)石等，屬于低硬度、低強(qiáng)度礦石，其硬度為3～5 級(jí)、強(qiáng)度為15～25 MPa，更適合靜壓破碎制粉。粉磨是煤矸石破碎制漿能耗最高的環(huán)節(jié)，減少粉磨工作量是減少煤矸石破碎制漿能耗的關(guān)鍵，同時(shí)也是減少耗材的關(guān)鍵。本文提出的煤矸石破碎制漿設(shè)備3.0 版“以破代磨”是目前最適合煤矸石破碎制漿的工藝方案。