陽(yáng)泉一礦選煤廠主選系統(tǒng)脫硫效果與優(yōu)化方案研究

劉國(guó)慶，王艾生，劉文昌，董憲姝，張秀文

(1.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

陽(yáng)泉一礦選煤廠是隸屬于陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司的礦井型選煤廠，設(shè)計(jì)能力為7.50 Mt/a，實(shí)際生產(chǎn)能力在8.00～8.50 Mt/a之間。選煤工藝為>13 mm粒級(jí)塊原煤由淺槽重介分選機(jī)分選、<13 mm粒級(jí)末原煤由跳汰機(jī)分選或不洗選的聯(lián)合工藝。目前，主要入選15#原煤，主要產(chǎn)品有粒精煤、末精煤、中煤等，其中，粒精煤的粒度在13～9 mm之間，灰分≤16%，硫分≤2.00%，水分≤9%，作為高爐噴吹煤和化工用煤使用；末精煤的粒度在9～0 mm之間，灰分≤16%，硫分≤2.00%，水分≤9%，也可作為化工用煤和高爐噴吹煤使用。

隨著環(huán)保壓力的日益增大，市場(chǎng)對(duì)煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格[1-2]。該選煤廠精煤產(chǎn)品硫分過高的問題尤為嚴(yán)重，目前，塊煤產(chǎn)品的硫分普遍在1.60%以上，最高達(dá)到1.90%，篩末煤產(chǎn)品的硫分甚至達(dá)到2.40%。隨著礦井開采深度的增加，原料煤煤質(zhì)將會(huì)繼續(xù)惡化，硫分過高的問題也會(huì)更加嚴(yán)重。為此，基于當(dāng)前洗選系統(tǒng)分析，探索洗選系統(tǒng)優(yōu)化方案，以提高原料煤脫硫效果[3-5]。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 選煤工藝與生產(chǎn)方式

陽(yáng)泉一礦選煤廠的選煤工藝為淺槽重介分選機(jī)分選、跳汰機(jī)分選的聯(lián)合工藝，其中，>13 mm粒級(jí)塊原煤采用淺槽重介分選機(jī)分選，主要產(chǎn)出洗中塊和洗小塊兩種產(chǎn)品；<13 mm粒級(jí)末原煤有兩種處理方式，當(dāng)原料煤煤質(zhì)較好時(shí)，<13 mm粒級(jí)末原煤可直接進(jìn)入產(chǎn)品倉(cāng)，作為篩末煤產(chǎn)品銷售；當(dāng)原煤煤質(zhì)較差時(shí)，<13 mm粒級(jí)末原煤經(jīng)9 mm分級(jí)后，13～9 mm粒級(jí)末原煤采用跳汰機(jī)分選，產(chǎn)出洗末煤產(chǎn)品，<9 mm粒級(jí)末原煤直接作為篩末煤產(chǎn)品銷售。陽(yáng)泉一礦選煤廠洗選系統(tǒng)原則流程如圖1所示。

圖1 洗選系統(tǒng)原則流程

1.2 產(chǎn)品硫分與銷量的關(guān)系

隨著原料煤煤質(zhì)的逐漸惡化和市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，該選煤廠生產(chǎn)壓力越來(lái)越大，產(chǎn)品硫分過高的問題始終存在，末煤產(chǎn)品的硫分問題尤為突出。

從2017年1—7月主要產(chǎn)品的銷量變化趨勢(shì)和硫分變化趨勢(shì)(圖2)可以看出：末煤產(chǎn)品(包括洗末煤、篩末煤)的銷量遠(yuǎn)大于塊煤產(chǎn)品(包括洗小塊、洗中塊)的銷量，但末煤產(chǎn)品的銷量波動(dòng)較大，塊煤產(chǎn)品的銷量相對(duì)穩(wěn)定，兩種產(chǎn)品都表現(xiàn)出銷量逐漸降低的趨勢(shì)。末煤產(chǎn)品的硫分遠(yuǎn)高于塊煤產(chǎn)品的硫分，塊煤產(chǎn)品的硫分可以控制在1.90%以下，而末煤產(chǎn)品的硫分均大于2.30%，最高到達(dá)2.50%，且波動(dòng)范圍較大，在2.24%～2.50%之間波動(dòng)。此外，兩種塊煤產(chǎn)品的硫分比較接近，從3月份開始，塊煤產(chǎn)品的硫分基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)兩種產(chǎn)品硫分差別較大時(shí)，洗中塊的硫分一般高于洗小塊的硫分。

圖2 2017年1—7月陽(yáng)煤一礦選煤廠的生產(chǎn)與銷售數(shù)據(jù)

綜合分析，在當(dāng)前生產(chǎn)過程中，末煤量占入選原煤量的比例較大。根據(jù)2017年的原煤大樣數(shù)據(jù)可知：<13 mm粒級(jí)末原煤在原煤中的占比接近60%，而末煤產(chǎn)品硫分普遍偏高，故末煤洗選工藝及其效果對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。末煤產(chǎn)品的銷量與硫分存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且硫分高低對(duì)產(chǎn)品銷量影響非常明顯。另外，塊煤產(chǎn)品銷量持續(xù)下滑，這在一定程度上說明該選煤廠產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力出現(xiàn)弱化的趨勢(shì)。

2 生產(chǎn)過程中硫遷移特征

2.1 設(shè)備脫硫能力分析

2.1.1 設(shè)備脫硫能力計(jì)算

目前，該選煤廠的主選設(shè)備為淺槽重介分選機(jī)和跳汰機(jī)，兩者在洗選過程中可以對(duì)原料煤起到脫硫作用，但由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和工作原理存在差異，兩者的脫硫效果必然有所不同。為了考察兩種主選設(shè)備的脫硫效果，采用脫硫效率φ和脫硫貢獻(xiàn)率φ兩個(gè)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-2]。其中，脫硫效率是指原料煤經(jīng)洗選設(shè)備處理后，脫除的硫分占入料硫分的比例；脫硫貢獻(xiàn)率是指在脫硫過程中，某種設(shè)備脫除的硫分占總脫除硫分的比例。

(1)

(2)

式中：S1為入料硫分；S2為出料硫分；g1為入料質(zhì)量；g2為出料質(zhì)量；S為原料煤硫分；g為原料煤質(zhì)量；S0為產(chǎn)品硫分；g0為產(chǎn)品質(zhì)量。

為了有效計(jì)算脫硫效率和脫硫貢獻(xiàn)率，采用現(xiàn)場(chǎng)多組測(cè)定數(shù)據(jù)繪制變化趨勢(shì)曲線的方法對(duì)其進(jìn)行研究。在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中，采取所要考察設(shè)備的入料和產(chǎn)品，每生產(chǎn)班采樣三次，將三次所采樣品化驗(yàn)后，以其平均值作為該生產(chǎn)班的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。淺槽重介分選機(jī)和跳汰機(jī)分別取12個(gè)有效數(shù)據(jù)，其中淺槽重介分選機(jī)樣品為以25 mm進(jìn)行分級(jí)之前的產(chǎn)品，洗末煤為跳汰機(jī)洗中煤和洗末煤之和。將這些數(shù)據(jù)繪制成變化趨勢(shì)曲線，如圖3所示。

圖3 主選設(shè)備對(duì)洗選產(chǎn)品硫分的影響規(guī)律

由圖3可知：在原料煤煤質(zhì)比較穩(wěn)定的情況下，淺槽重介分選機(jī)和跳汰機(jī)的脫硫效果均比較穩(wěn)定，說明兩種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)良好。

對(duì)圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與匯總，得到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)果見表1和表2。在此基礎(chǔ)上利用式(1)、(2)計(jì)算出兩種設(shè)備的脫硫效率和脫硫貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表3。

表1 主選設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)

由表3可知：淺槽重介分選機(jī)和跳汰機(jī)均具備脫硫能力，但末煤產(chǎn)品硫分仍然偏高，這可能與跳汰機(jī)的脫硫能力偏低有關(guān)[6-9]。

表2 主要產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)

表3 主選設(shè)備脫硫能力

2.1.2 跳汰機(jī)脫硫效果分析

為此，以三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器作為主選設(shè)備對(duì)原料煤進(jìn)行洗選，并將其脫硫效果與跳汰機(jī)的脫硫效果進(jìn)行對(duì)比。試樣粒度<13 mm，共進(jìn)行8組試驗(yàn)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上分別計(jì)算兩者的脫硫效率，結(jié)果見表4。

表4 兩種主選設(shè)備的脫硫效率

依據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制的兩種主選設(shè)備脫硫效率變化曲線如圖4所示。由圖4可知：在原料煤煤質(zhì)相同的情況下，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的脫硫效率始終高于跳汰機(jī)的脫硫效率，這主要得益于重介分選在密度控制方面的先天優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)分選密度的精確控制[10]。因此，在入料粒度相同的條件下，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器可以更好地將硫鐵礦等組分脫除，從而獲得更好的脫硫效果。

圖4 兩種設(shè)備的脫硫效率變化曲線

2.2 原料煤中硫賦存狀態(tài)

由于當(dāng)前重介系統(tǒng)生產(chǎn)較為穩(wěn)定，而末煤產(chǎn)品硫分偏高的問題最為突出，因此對(duì)<13 mm粒級(jí)末原煤硫分進(jìn)行分析。<13 mm粒級(jí)末原煤的主要煤質(zhì)指標(biāo)見表5，末原煤浮沉產(chǎn)物的硫形態(tài)檢測(cè)結(jié)果表6。

表5 <13 mm粒級(jí)末原煤的主要煤質(zhì)指標(biāo)

由表5可知：隨著粒度的減小，硫分逐漸降低，灰分逐漸減小，而發(fā)熱量逐漸增大。這說明原煤中的煤巖組分硬度小于矸石硬度，且含硫組分的硬度更小。當(dāng)粒度>3 mm時(shí)，粒度的減小使硫分的降低更加明顯，而粒度<3 mm后這種變化不再明顯。生產(chǎn)實(shí)踐表明：6 mm可在實(shí)現(xiàn)降低硫分的同時(shí)保持較高的破碎效率，說明含硫組分與煤巖組分的最佳解離粒度在6 mm左右。

表6 末原煤浮沉產(chǎn)物的硫形態(tài)檢測(cè)結(jié)果

由表6可知：末原煤中的硫主要是硫鐵礦硫和有機(jī)硫[11]，其中，高密度級(jí)中主要是硫鐵礦硫，低密度級(jí)中主要是有機(jī)硫。這說明產(chǎn)品中殘余的硫主要是有機(jī)硫，這部分硫采用當(dāng)前洗選手段難以脫除。綜合分析，洗小塊產(chǎn)品的硫分一般低于洗中塊產(chǎn)品的硫分，因此適當(dāng)降低入料粒度有助于脫除其中的硫。

3 優(yōu)化方案

為了降低產(chǎn)品硫分，提高商品煤質(zhì)量，對(duì)當(dāng)前洗選工藝提出優(yōu)化方案，涉及從原煤準(zhǔn)備系統(tǒng)、主選系統(tǒng)到煤泥水處理系統(tǒng)的多個(gè)主要環(huán)節(jié)。

3.1 原煤準(zhǔn)備系統(tǒng)

停用現(xiàn)有末原煤篩分系統(tǒng)，對(duì)末原煤洗選工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)末原煤全部洗選。為了提高煤巖組分與硫鐵礦的解離程度，適當(dāng)降低末原煤的入選粒度[5]。為此，考慮在末原煤準(zhǔn)備環(huán)節(jié)增加一段閉路破碎系統(tǒng)，并將破碎粒度控制在6 mm。

3.2 主選系統(tǒng)

為了在末原煤全部洗選后取得較好的脫硫效果，考慮采用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器替換跳汰機(jī)對(duì)末原煤進(jìn)行洗選。由于有壓給料的入料壓力較大，容易造成原煤泥化[12]，加之15#煤自身存在煤巖組分比矸石易碎的問題[6-7]，應(yīng)該選用無(wú)壓給料方式。三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的分選下限很低(在0.1 mm左右)，但依然不能實(shí)現(xiàn)全粒級(jí)入選，因此應(yīng)該對(duì)末原煤進(jìn)行預(yù)先分級(jí)，將細(xì)粒煤篩出后再分別洗選。但這種情況下需要增設(shè)脫泥環(huán)節(jié)，必然使煤泥水處理量大幅增加，導(dǎo)致煤泥處理系統(tǒng)改造強(qiáng)度增大。在末原煤全部入選時(shí)無(wú)法對(duì)部分煤泥進(jìn)行有效分選，但卻能省掉脫泥環(huán)節(jié)，僅需在三產(chǎn)品重介旋流器作業(yè)后統(tǒng)一對(duì)煤泥進(jìn)行處理，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.3 煤泥水處理系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)末煤全部入選后，目前僅有的斗子撈坑系統(tǒng)難以滿足煤泥處理需求。為此，考慮增加煤泥離心機(jī)和壓濾機(jī)對(duì)煤泥進(jìn)行統(tǒng)一處理，以緩解煤泥水處理系統(tǒng)壓力。

4 預(yù)期效果

在末原煤全部入選后，由于跳汰系統(tǒng)被取消，主選系統(tǒng)全部為重介系統(tǒng)，因此可以從主選系統(tǒng)全局考慮介質(zhì)回收系統(tǒng)的布置和介質(zhì)消耗的管控。從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看，有利于降低重介系統(tǒng)介耗，有助于對(duì)洗水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[13]。

在末原煤全部入選后，洗末煤產(chǎn)品的硫分可以控制在1.65%以下，每年的末精煤產(chǎn)品產(chǎn)量預(yù)計(jì)在1.50～2.00 Mt之間，由此產(chǎn)生的利潤(rùn)預(yù)計(jì)在1億元左右。

5 結(jié)語(yǔ)

選煤廠生產(chǎn)工藝是一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)整體，在原料煤煤質(zhì)逐漸惡化的情況下，對(duì)洗選系統(tǒng)進(jìn)行合理改造，對(duì)保持選煤工藝的適應(yīng)性和推動(dòng)企業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展具有重要意義。陽(yáng)煤一礦選煤廠以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)常規(guī)洗選工藝下如何進(jìn)一步提高原料煤脫硫效果進(jìn)行了探索，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，不但有利于選煤廠生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，而且可為煤炭高效、清潔利用技術(shù)的發(fā)展提供有益借鑒。