井下原煤初選工藝探析

文/曹偉 趙建偉

井下原煤初選工藝探析

文/曹偉 趙建偉

我國是世界第一煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，煤炭產(chǎn)量已連續(xù)5年達(dá)到每年30億噸以上。在當(dāng)前新的經(jīng)濟(jì)形勢下，尤其是隨著目前國內(nèi)外對環(huán)保的重視和要求越來越高，煤炭的清潔利用成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。而煤矸石，是煤炭大量開采伴生的最大環(huán)境污染源。機(jī)械化采煤方法夾帶的大量矸石不僅造成煤炭灰分大，煤質(zhì)差，也給選煤和煤炭運(yùn)輸、銷售帶來諸多問題。如何合理分離原煤中的大量矸石，成為擺在眾多煤礦、選煤科研工作者面前的課題。本文介紹了煤礦實(shí)施井下原煤初選的意義，以及從工藝復(fù)雜程度、煤泥水處理、原煤準(zhǔn)備等方面，對主分選設(shè)備及三種初選工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，最后得到了三種工藝投資、建設(shè)規(guī)模、生產(chǎn)成本及經(jīng)濟(jì)效益的差異。

一、實(shí)施井下原煤初選的意義

在這一領(lǐng)域的不斷探索中，實(shí)現(xiàn)井下原煤初選 （即井下排矸）是煤炭洗選行業(yè)近年的重大創(chuàng)新，它將煤炭洗選與煤炭開采有機(jī)的融合到了一起，是國內(nèi)外煤炭行業(yè)的一項(xiàng)前沿技術(shù)。實(shí)施井下原煤初選，確保大粒度矸石不升井，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并且符合國家的科學(xué)環(huán)保發(fā)展理念。

1.釋放礦井產(chǎn)能。將矸石舍棄在井下的同時可以多提升等量的煤炭，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2.大塊矸石不升井。減少土地占用，節(jié)省廢渣排放費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)用，可以為企業(yè)減少生產(chǎn)成本。

3.就地取材，矸石用于井下充填，以矸換煤。矸石充填是有效解決“三下”壓煤的方法之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國煤礦“三下”壓煤量達(dá)137.9億噸，以矸換煤潛力巨大。

4.保護(hù)礦區(qū)周圍的環(huán)境。地面矸石山一方面產(chǎn)生粉塵和釋放有害氣體，危及人、畜健康，破壞植被、酸化土壤；另一方面，矸石的地面堆放占用土地，據(jù)統(tǒng)計，全國僅礦山堆積的固體廢物所占用或破壞的土地就達(dá)900km2，其中2/3是耕地。我國煤矸石累計堆存已達(dá)50億噸以上，且總量仍在以每年3～3.5億噸的速度增加。

5.煤炭提質(zhì)增收。通過井下初選，能為地面選煤廠提供質(zhì)量更好的原煤，同時節(jié)省地面洗選的加工費(fèi)用；若礦井原煤直接作為商品煤，灰分每降低2個點(diǎn)，每噸價格約提高20元。

6.井下初選可以降低基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)。井下初選的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)大約為地面初選車間的70%。

7.可以取消供熱設(shè)施，減少冬季防寒取暖產(chǎn)生的費(fèi)用。

二、井下原煤初選工藝闡述及其區(qū)別

目前已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用并為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的井下初選工藝有三種：井下機(jī)械動篩跳汰機(jī)初選工藝；井下重介淺槽初選工藝；井下空氣跳汰機(jī)初選工藝。三種初選工藝流程，詳見圖1、圖2、圖3。

圖1 井下機(jī)械動篩跳汰機(jī)初選工藝流程圖

圖2 井下空氣跳汰機(jī)初選工藝流程圖

圖3 井下重介淺槽初選工藝流程圖

1.工藝復(fù)雜程度

對比上述三種工藝可以看出，動篩初選工藝最為簡單，重介淺槽初選工藝最復(fù)雜，空氣跳汰機(jī)初選工藝介于二者之間。動篩跳汰機(jī)初選工藝包括原煤準(zhǔn)備、分選和產(chǎn)品運(yùn)輸三個環(huán)節(jié)；空氣跳汰機(jī)初選包括準(zhǔn)備、分選、脫水、煤泥水處理、產(chǎn)品運(yùn)輸五個環(huán)節(jié)；重介淺槽分選包括準(zhǔn)備、分選、脫介、介質(zhì)回收、煤泥水處理、產(chǎn)品運(yùn)輸六個環(huán)節(jié)。

2.煤泥水處理

重介淺槽初選與空氣跳汰機(jī)初選工藝的煤泥水處理系統(tǒng)相對較復(fù)雜；動篩跳汰機(jī)初選工藝的煤泥水處理系統(tǒng)非常簡單。煤泥水處理在選煤工藝中占有重要位置，三種初選工藝中存在的煤泥水處理差異，主要是基于以下原因：

（1）動篩跳汰機(jī)選矸的循環(huán)水耗量小，噸煤的循環(huán)水耗量約為0.1m3，同時對煤泥水的濃度要求不太嚴(yán)格，所以煤泥水可以簡化處理或者直接外排進(jìn)入井下水倉。

（2）淺槽初選中，工作介質(zhì)對循環(huán)介質(zhì)中的煤泥量、水量要求嚴(yán)格，產(chǎn)品脫介時也需要大量的干凈循環(huán)水作為噴水，噸煤循環(huán)水消耗量約為1 m3，所以重介淺槽分選必須增加煤泥水澄清、磁選和分流設(shè)施，以便及時排除循環(huán)介質(zhì)系統(tǒng)中多余的煤泥量和水量，回收復(fù)用介質(zhì)，保證工作介質(zhì)的穩(wěn)定。

（3）空氣跳汰機(jī)初選中，同樣需要大量的循環(huán)水，噸煤消耗循環(huán)水量約為3m3，要想獲得較好的分選效果，應(yīng)盡可能采用清水洗煤，因此也必須單獨(dú)增設(shè)煤泥水處理系統(tǒng)，以保證循環(huán)水符合洗選要求。

無論是重介淺槽初選還是空氣跳汰機(jī)初選，二者的循環(huán)水消耗量都非常大，都不宜將煤泥水排入井下水倉，否則會嚴(yán)重干擾井下礦井水系統(tǒng)。動篩排矸則可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活調(diào)整。

3.原煤準(zhǔn)備

三者都需要原煤準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，原煤準(zhǔn)備工藝基本相同，但三者預(yù)先篩分的分級粒度不同，井下動篩分級粒度為300mm，重介淺槽和空氣跳汰機(jī)均為150mm。

（1）動篩初選工藝的物料粒度上限為350mm，下限為30mm，最佳分選粒級為300～50mm。井下動篩跳汰機(jī)初選，物料的運(yùn)輸依靠篩板的上下往復(fù)運(yùn)動，對較大粒度物料運(yùn)動的影響并不大，所以其分選粒度上限較大，可達(dá)350mm。

（2）重介淺槽初選工藝入選上限200mm，入選下限為13mm，最佳分選粒級為150～25mm。重介淺槽工作時，低密度物料的運(yùn)輸完全依靠淺槽內(nèi)水平流的橫沖力，粒度越大，需要的循環(huán)介質(zhì)量越大。所以不宜分選過大粒級的物料，其分選上限一般最大為200mm。否則會大幅度加大循環(huán)介質(zhì)量。

（3）空氣跳汰機(jī)初選工藝入選上限為200mm，下限為13mm，最佳分選粒度為150～25mm。空氣跳汰機(jī)工作中，跳汰室內(nèi)物料的運(yùn)輸主要靠風(fēng)水的共同作用，尤其是水的運(yùn)輸作用，粒度過大，對跳汰室內(nèi)物料的分選和運(yùn)輸影響都較大，會出現(xiàn)大粒度矸石在床層內(nèi)堆積移動緩慢的現(xiàn)象。所以不宜分選過大粒級的物料，其分選上限一般最大為200mm。否則會大幅度加大循環(huán)水量和風(fēng)量。

在礦井原煤中，會有部分大于200mm的物料。因此，需對原煤進(jìn)行預(yù)處理，以保證重介淺槽初選或空氣跳汰機(jī)初選的粒度上限要求。但礦井原煤中大于350mm的物料量相對較少或沒有，所以部分井下動篩初選工藝不設(shè)預(yù)先篩分。

三、主分選設(shè)備及三種初選工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

三種井下原煤初選工藝中，因主分選設(shè)備井下動篩跳汰機(jī)、重介淺槽、井下空氣跳汰機(jī)工作原理的差異，必然會導(dǎo)致分選工藝具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

重介淺槽初選。分選精度高，單臺處理能力大；但系統(tǒng)相對復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用相對較高，對塊原煤中煤泥含量要求嚴(yán)格，對煤泥變化較敏感，煤泥水處理相對復(fù)雜。

動篩跳汰機(jī)初選。處理粒度上限大，可達(dá)350mm；循環(huán)水用量小，對煤泥水的濃度要求不太嚴(yán)格，煤泥水系統(tǒng)簡單，生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，易于管理，生產(chǎn)運(yùn)行成本低；但是相對于重介分選，分選精度偏低。

空氣跳汰機(jī)初選。跳汰選煤歷史悠久，工藝流程相對簡單，維護(hù)管理方便，加工費(fèi)用較低，不受分選密度的限制，可以實(shí)現(xiàn)高密度初選，缺點(diǎn)是循環(huán)水量大，洗水系統(tǒng)負(fù)荷較大，分選精度偏低。

通過表1可以看出，重介淺槽分選精度最高，選后矸石中損失的煤炭最少，相對回收的煤炭最多。

表1 分選設(shè)備的部分技術(shù)性能表

表2 井下初選投資及建設(shè)規(guī)模表

四、投資、建設(shè)規(guī)模、生產(chǎn)成本及經(jīng)濟(jì)效益的差異

1.投資、建設(shè)規(guī)模及生產(chǎn)成本

三種井下初選工藝的不同決定了其設(shè)備投資及生產(chǎn)成本的差異，現(xiàn)將三種初選工藝使用單位的投資及建設(shè)規(guī)模列舉如下，見表2。

通過表2可以看出，動篩跳汰機(jī)初選的噸煤投資較低，重介淺槽排矸相對較高；噸煤加工成本中，動篩初選最低，重介淺槽最高。

2.經(jīng)濟(jì)效益

井下原煤初選帶來的企業(yè)效益和社會效益已在前文做了論述。而企業(yè)獲得的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在各礦將矸石舍棄在井下后，多生產(chǎn)出來的煤炭所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)省的矸石運(yùn)輸及矸石無害化處理費(fèi)用。無論是哪種初選工藝，將矸石篩選在井下后，都能釋放礦井產(chǎn)能，主井多提升的煤炭，相當(dāng)于增加了一座中小型礦井，去掉開采成本和充填成本后，每年可獲得純利潤約千萬元以上。

（作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院）

（責(zé)任編輯：周瓊）