我國粗煤泥分選設備應用現狀

孟凡彩，同秀林，張 爽

(1.兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.唐山德安科技有限公司，河北 唐山 063000;3.黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150022)

粗煤泥是指粒度接近煤泥，一般粒度下限在0.3～0.5 mm之間、粒度上限在2～3 mm之間的煤泥。隨著采煤機械化程度的提高和煤炭賦存條件的惡化，我國選煤廠生產系統內的粗煤泥含量不斷增多[1]，部分選煤廠的粗煤泥含量在45%左右。由于粗煤泥的粒度組成比較特殊，傳統的跳汰機、重介質旋流器、浮選機等均不能對其實現有效分選[2]。傳統的跳汰機、重介質旋流器的理論分選粒級是50～0.5 mm，浮選機的理論分選粒級是0.5～0 mm[3-4]。生產實踐發現：跳汰機的有效分選下限在1～2 mm以上，重介質旋流器的有效分選下限在2～0.25 mm之間，浮選機的有效分選上限可以達到0.25 mm[5-7]。目前，0.25～0 mm粒級細煤泥浮選、>2 mm粒級原煤重選(重介選)的設備已經非常成熟，但2～0.25 mm粒級粗煤泥分選效果欠佳的問題突出，成為制約精煤數質量提高的重要因素。

為了滿足實際生產需要，我國部分選煤廠設置了粗煤泥分選環節，采用干擾床分選機、煤泥重介質旋流器、水介質旋流器、螺旋分選機等對粗煤泥進行分選[8]，并取得了良好效果。為此，對這四種常用的粗煤泥分選設備進行分析，以期為粗煤泥的有效分選和分選設備的合理選擇提供借鑒。

1 干擾床分選機

1.1 結構組成與工作原理

干擾床分選機(TBS)結構如圖1所示，它是利用上升流使物料流態化，以粗顆粒和高密度顆粒作為加重質，使待選物料按密度分層、分離的重選設備[9]。在設備工作時，入料從槽體的上端沿切線進入，上升流以一定的壓力和流量從槽體底部進入，入料與上升流在槽體中部相遇，形成干擾沉降床層，同時懸浮于干擾床層的顆粒形成分選介質；被選顆粒在槽體內做干擾沉降運動，并在自生介質內進行分選；輕顆粒上浮至溢流收集槽，再從溢流口排出成為精礦，重顆粒穿過分選床層聚集在槽體下部，從底部排料閥門排出后成為尾礦[9]。

圖1 干擾床分選機結構示意圖

1.2 技術特點

根據設備結構組成和現場應用效果，干擾床分選機的技術特點可以歸納成兩部分，具體如下：

(1)優點。①結構緊湊，占地面積小，自身無運動部件，無需磁鐵礦粉和藥劑，所需水量少，維護簡單，生產成本低；②許用的脫介篩篩孔尺寸較大，后續脫介更加容易，有利于提高介質回收效果，降低重介系統介耗；③一般情況下，分選密度可在1.40～1.90 g/cm3之間自動調節，且能夠實現低密度分選；④能夠實現粗煤泥的有效分選，有助于提高脫泥篩的脫泥效果，減少生產系統內的煤泥含量，進而改善重介質旋流器的分選效果。

(2)缺點。①有效分選粒級較窄，一般在4～0.1 mm之間，最佳分選粒級在1～0.25 mm之間，入料上下限之比以4∶1為宜；②對入料濃度要求較為嚴格，一般要求入料濃度在40%～60%之間；③所產精礦含有高灰細泥，經過脫泥處理后才能成為合格產品。

1.3 工藝效果

現場生產發現：干擾床分選機對易選煤或中等可選煤具有優勢，而在分選難選煤時效果較差[1,3]。通常采用可能偏差和不完善度評價干擾床分選機的分選效果，在正常生產條件下，梁北選煤廠、東曲礦選煤廠的干擾床分選機工藝效果[5,10]見表1。

表1 干擾床分選機工藝效果

由表1可知：在分選梁北選煤廠的易選煤時，其可能偏差為0.06 g/cm3，不完善度為0.15；在分選東曲礦選煤廠的極難選煤時，可能偏差為0.16 g/cm3，不完善度為0.22。這在一定程度上說明其適用范圍較廣，且分選效果能夠較好地滿足要求，不容易出現重介精煤“背灰”的問題。

1.4 改進與創新

由于選煤工藝和原煤煤質的影響，干擾床分選機在使用中暴露出一些問題，為此，國內研究人員對其進行了改進，并研制出一系列改進型干擾床分選機，包括CSS分選機[11]、FBCC分選機、阻尼脈動液固流化床分選機[9]等，這些設備的分選原理與干擾床分選機基本相同，但結構組成有所不同，且適應性更強。

近些年，在我國科研人員的不懈努力之下，新型干擾床分選機已被研制出來。其中，三產品干擾床(TPS)和TCS智能粗煤泥分選機已在現場得到成功應用。

1.4.1 三產品干擾床

(1)結構組成。三產品干擾床是傳統干擾床分選機的升級換代產品，根據結構形式的不同，三產品干擾床分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種。兩者的主要區別是分選室的布置方式不同，Ⅰ型的分選室由兩個同中心軸的圓桶(內外桶)組成，Ⅱ型的分選室由一個從上到下分割成兩部分的圓桶組成。Ⅱ型三產品干擾床的結構如圖2所示[12]。

(2)工作原理。在設備工作時，入料首先進入第一段，在第一段上升流和顆粒重力作用下分選出兩種產品——第一段溢流和底流，第一段底流從對應的底流口排出成為產品，第一段溢流自流進入第二段繼續分選；在第二段內，物料在上升流和顆粒重力作用下分選出第二段溢流和底流，第二段底流可以作為最終產品，也可與第一段底流合并后作為最終產品，第二段溢流作為最終產品。入料經過分選后產出三種產品，即第一段底流、第二段底流、第二段溢流[12]。

1—分選桶；2—平臺；3—隔板；4—導板；5—第一分選室；6—第二分選室；7—溢流通道；8—中間溢流口；9—入料口；10—溢流口

(3)工藝效果。三產品干擾床除擁有干擾床分選機的優點外，分選精度更高，能夠一次產出三種產品，有助于簡化工藝流程和實現粗煤泥的精細化分選。三產品干擾床已在山西等地選煤廠投入運行，對于易選煤，在入料粒度控制較好、兩段參數控制合理的條件下，矸石帶煤量、中煤帶精煤量非常小，數量效率可以達到97.11%[12]，分選效果良好。

1.4.2 TCS智能粗煤泥分選機

(1)結構組成。TCS智能粗煤泥分選機是在干擾床分選機的基礎上研制出來的一種新型粗煤泥分選設備，主要由驅動裝置、智能干擾裝置、行走平臺、分選筒體、入料桶、密度計、頂水噴嘴、底流箱等組成，結構如圖3所示[13]。

(2)工作原理。在設備工作時，上升流以設定的壓力和流速進入分選室，再通過紊流板均勻地分散到箱體底部；干擾床的中下部形成由懸浮顆粒組成的床層，該床層內顆粒物高度富集，形成自生介質。顆粒在下降過程中相互干擾，在懸浮物中形成不同的密度梯度，以限制物料通過。物料在分選室內分層，粗或重的物料集中在槽體底部，細或輕的物料向上運動。隨著入料的不斷進入，細或輕的物料通過溢流堰進入溢流槽，粗或重的物料通過底部排料口排出[14]。

圖3 TCS智能粗煤泥分選機結構示意圖

(3)技術特點。①設計有智能干擾器，在低速運轉過程中，可以輔助沉淀物向排料口移動，能夠強化干擾床層分選效果，并防止床層板結；②通過流量控制尾礦排料量，排料量可以無限減小，不會發生堵塞故障；③設計有多臺流量計，尾礦排料量實現在線顯示；④干擾床層相對穩定，分選精度更高。

(4)工藝效果。TCS智能粗煤泥分選機已在選煤廠投入運行，在分選斜溝煤礦選煤廠1.5～0.2 mm 粒級粗煤泥時，在入料灰分為30%～33%的情況下，精礦灰分在18%～20%之間，尾礦灰分在 65%以上[13]，分選效果較好。采用TCS智能粗煤泥分選機分選補連塔煤礦煤粗煤泥時，在有效分選粒級(1.5～0.2 mm)內，尾礦灰分>50%，可能偏差≤0.03 g/cm3，且精礦產品的硫含量比入料少50%。

2 煤泥重介質旋流器

2.1 結構組成與工作原理

煤泥重介質旋流器結構與三產品重介質旋流器二段相似，主要包括圓柱段、圓錐段、入料管、底流管、溢流管等，結構如圖4所示。煤泥重介質旋流器的分選原理與常規有壓三產品重介質旋流器二段基本相同，通常在設備運行時其利用大直徑重介質旋流器對不同物料的分級和濃縮作用，使重介懸浮液密度提高；在洗選產品經過精煤脫介篩和煤泥脫介篩時，合格介質被收集到煤泥重介質旋流器內，作為分選煤泥的介質[14]。

圖4 煤泥重介質旋流器結構示意圖

2.2 技術特點

在生產實踐過程中，煤泥重介質旋流器表現出以下技術特點：

(1)優點。①對入料的適應性強，可以分選易選煤、中等可選煤、難選煤、極難選煤及高硫煤等；②分選密度調節范圍寬，在1.30～1.80 g/cm3之間均可調節；③分選精度高，平均可能偏差在0.07 g/cm3左右，數量效率在90%以上；④分選下限低，可以達到0.045 mm。

(2)缺點。①由于設備結構和系統組成原因，單臺設備處理能力較小，所需介質粒度偏細，介質系統復雜；②與大直徑重介質旋流器配合使用時，分選效果受大直徑重介質旋流器的影響較大，且在線調節較為困難；③分選下限不能達到0，不能完全替代浮選作業[15]。

2.3 工藝效果

煤泥重介質旋流器研發的初衷是解決原煤不脫泥分選時，大直徑重介質旋流器分選下限高，無法對煤泥進行有效分選的問題；解決粗煤泥的有效分選問題，使洗選精煤灰分易于控制；對于有浮選系統的選煤廠，用于減輕浮選系統生產壓力，降低洗水濃度[1]。目前，煤泥重介質旋流器在現場使用時，通常采用兩種布置方式，即在原煤不預先脫泥的情況下，與主選重介質旋流器配合，不再設置單獨的介質系統；在原煤預先脫泥的情況下，設計具備獨立介質系統的重介分選系統。在原煤不脫泥和脫泥兩種情況下，煤泥重介質旋流器的工藝效果見表2[5]。

由表2可知：無論原煤是預先脫泥還是不預先脫泥，煤泥重介質旋流器均能取得較好的分選效果，甚至能夠取得數量效率為95.50%、可能偏差在0.07 g/cm3左右的良好分選效果。這與原煤特性、選煤工藝、產品質量要求、重介懸浮液性質等都有關系，在生產過程中應根據實際情況對設備進行選型，并結合有關要求調節工藝參數，確保產品質量滿足要求。

表2 煤泥重介質旋流器工藝效果Table 2 Separation performance of the H.M. cyclone %

3 螺旋分選機

3.1 結構組成與工作原理

螺旋分選機結構示意圖如圖5所示，它是一種依靠液流特性，在重力和離心力作用下實現礦物分離與分選的設備[11]。入料進入螺旋槽后，根據密度差異分層，輕顆粒浮于上層，重顆粒沉于下層；輕顆粒在斷面環流上層液流和離心力作用下向外緣運動，重顆粒在斷面環流下層液流和重力沿槽面向下的分力作用下向內層移動；由于液流具有連續性，上層物料不斷被甩向外緣，下層物料不斷向內沿聚集，此時在螺旋槽的橫斷面處形成顆粒群，其按密度由高到低從螺旋槽的內沿至外緣均勻分布；不同密度物料在各自的回轉半徑中運動，最終達到運動平衡狀態；通過排料端的集料槽，將不同產品分別收集，從而完成入料的分選[16-18]。

1—礦漿分配器；2—分配器支架；3—分選機機架；4—入料管；5—入料口；6—穩定槽；7—變徑槽；8—中心柱；9—分選槽；10—排料槽；11—精礦排料管；12—中礦排料管；13—尾礦排料管；14—分選機下支架；15—精礦集料槽；16—中礦集料槽

3.2 技術特點

螺旋分選機的實際分選密度通常在1.60 g/cm3以上，多用在動力煤選煤廠和可選性好的煉焦煤選煤廠。在實際生產過程中，其表現出以下特點：

(1)優點。①結構簡單，無轉動部件，無需動力，投資小，使用壽命較長，生產成本低；②占地面積小，可以通過三頭四轉螺旋提高設備處理能力；③無須風、水、介質等輔助材料，運行成本比重介質旋流器和浮選機都低。

(2)缺點。①對入料的適應性較差，適用于易選煤分選或精煤產品灰分要求不高的生產環節；②在原煤煤質發生變化時，設備結構參數不易調節；③設備的有效分選密度較高，不宜作為精選設備[1]。

3.3 工藝效果

螺旋分選機多用在我國動力煤選煤廠，通常采用不完善度和數量效率評價其工藝效果。馬脊梁選煤廠、西易選煤廠、潘一選煤廠的螺旋分選機工藝效果見表3。

表3 螺旋分選機工藝效果

由表3可知：螺旋分選機的分選精度不高，不完善度在0.26～0.32之間，加之其分選密度較高，有效分選粒級在2～0.15 mm之間，故不宜作為分選低灰精煤的分選設備，而比較適合分選細粒動力煤或排除粗煤泥中的高灰泥質和硫鐵礦。

4 水介質旋流器

4.1 結構組成與工作原理

水介質旋流器又稱自生介質旋流器，其分選原理與煤泥重介質旋流器相同，都是通過離心力作用實現物料的分選，但水介質旋流器的分選介質是入料中的細顆粒。水介質旋流器由筒體、錐體、入料管、中心溢流管及底流管等組成，選煤中常見的屬于復錐型水介質旋流器，即錐體由多組帶有不同錐角的部分組成。近些年應用較為廣泛的三錐角水介質旋流器結構示意圖如圖6所示[19-20]。

圖6 三錐角水介質旋流器結構示意圖

4.2 技術特點

水介質旋流器適合分選易選煤，在我國主要作為高硫煤和氧化煤的分選設備，其具有以下技術特點：結構簡單，維護便捷，建設周期短，投資小；工藝靈活，處理能力大，且無需額外介質。但其分選精度低，分選下限高，溢流不經脫泥難以達到要求。

4.3 工藝效果

通常通過可能偏差、不完善度評價水介質旋流器的工藝效果，我國部分選煤廠的三錐角水介質旋流器工藝效果見表4。

表4 三錐角水介質旋流器工藝效果Table 4 Separator performance of the 3-cone water-only cyclone %

由表4可知：三錐角水介質旋流器的分選精度較低，不完善度在0.22～0.29之間；但其具有投資少、見效快等特點，對于易選煤優勢比較明顯。

5 結語

粗煤泥是選煤廠的重要產物，其中含有一定數量的精煤，隨著煤炭資源的不斷減少，實現粗煤泥的有效分選和回收成為必須解決的問題，這對節約煤炭資源有著重要意義。由于粗煤泥的粒度組成比較特殊，采用傳統的跳汰機、重介質旋流器、浮選機等均不能對其實現有效分選。目前，我國選煤廠應用較多的粗煤泥分選設備有四種，分別是干擾床分選機、煤泥重介質旋流器、水介質旋流器、螺旋分選機，這些設備各有特點和適用性，在設備選型時應根據入料可選性、選煤工藝、產品質量要求、投資費用等綜合考慮。