新礦集團沙章圖選煤廠工藝設計探討

母長春

(大地工程開發(集團)有限公司，天津 300381)

隨著我國經濟的快速發展，科學技術不斷進步，煤炭行業勘探、設計及機械裝備水平不斷提高，在煤炭賦存條件較好的礦區，大型高效的礦井不斷涌現，這對煤炭行業的發展和國民經濟的發展起到了積極的推動作用，同時也對后續煤炭的分選加工提出了更高要求。

沙章圖礦井距內蒙古自治區鄂托克前旗西約70 km處，地處內蒙古自治區與寧夏回族自治區接壤地帶。井田資源儲量683.88 Mt，設計可采儲量422.247 Mt，可采煤層達7層，采煤方式為綜采。沙章圖礦井設計生產能力為5.00 Mt/a，與礦井配套的沙章圖選煤廠工程設計生產能力也為5.00 Mt/a，小時最大處理量與礦井最大提升能力相匹配，為1 287 t。

1 原煤煤質特點

沙章圖礦井目前主采3層煤和9層煤，分別位于山西組中部和太原組下部，煤層厚度在0.73～4.95 m之間，平均厚度分別為3.32 m和2.23 m。原煤灰分以中灰/中高灰分為主，硫分以中硫為主，煤種以氣煤和1/3焦煤為主。

3層煤和9層煤原煤篩分試驗和浮沉試驗結果見表1—表6。從表1和表2可以看出：原煤中>50 mm粒級產率分別為17.22%和22.11%，塊煤中夾矸煤含量低，但矸石約占塊煤含量的60%以上，說明大塊煤中矸石較純且含量高；<0.5 mm粒級煤泥含量分別為6.78%和2.92%，灰分均低于原煤灰分；各粒級灰分隨粒度減小而降低，說明煤的質地較脆；兩種煤的灰分分別為38.88%和34.10%，說明原煤屬中高灰煤。

表1 3層煤粒度組成Table 1 Screen analysis of the raw coal from seam 3# %

表2 9層煤粒度組成Table 2 Screen analysis of the raw coal from seam 9# %

表3 3層煤各粒級浮沉綜合表Table 3 Composite float-and-sink data of each size fraction of raw coal (seam 3#) %

表4 9層煤各粒級浮沉綜合表Table 4 Composite float-and-sink data of each size fraction of raw coal (seam 9#) %

從表3和表4可以看出：各粒級浮沉中，主導密度級為1.3～1.4 kg/L和>1.8 kg/L，各粒級浮沉組成呈兩頭大、中間小的特點，有利于排除純矸和分選低灰精煤；塊煤中浮沉煤泥含量較少，末煤中浮沉煤泥含量較多，且末煤的浮沉煤泥灰分較高。

表5 3層煤各粒級可選性Table 5 Washability of each size fraction of raw coal (seam3#) %

表6 9層煤各粒級可選性Table 6 Washability of each size fraction of raw coal (seam9#) %

從表5和表6可以看出：原煤可選性較差，無論高密度排矸還是低密度分選均屬難選、極難選等級；當采取1.8 kg/L密度排矸時，浮物灰分在11%～13%之間，完全滿足動力煤產品質量要求；當采用1.4～1.5 kg/L密度分選時，精煤灰分在7.0%～9.0%之間，滿足煉焦配煤的灰分要求。

2 產品定位

沙章圖選煤廠入選原煤以氣煤和1/3焦煤為主，項目位于上海廟能源化工園區附近。產品定位以煉焦配煤為主，主要供應上海廟能源化工項目；同時結合原煤煤質、市場波動情況以及化工項目的建設規模，兼顧生產動力用煤。

3 選煤工藝設計

根據選煤廠的產品定位：以煉焦配煤為主，兼顧生產動力用煤，因此在選煤廠工藝設計時需要考慮生產煉焦配煤和動力用煤的靈活切換。生產煉焦配煤時，進行低密度分選和高密度排矸；生產動力用煤時，僅進行高密度排矸即可。

3.1 主選環節

3.1.1 塊煤分選

結合原煤煤質，>50 mm粒級中夾矸煤含量極低，說明大粒級原煤解離情況良好，應盡量減少原煤、塊煤的破碎環節，以減少煤泥量和末煤入選量。從表1和表2可以看出，3層、9層原煤中>50 mm粒級含矸率分別為82.35%和59.52%，均屬高含矸等級，塊原煤更應避免破碎作業，宜設置塊煤機械排矸，以充分發揮塊煤分選精度高、設備處理能力大、生產成本低等優點[1]。

目前國內選煤廠常用的塊煤分選設備有動篩跳汰機和淺槽重介分選機。動篩跳汰機是跳汰機的一種，為水力分選設備，工作時，槽體中水流不脈動，直接靠動篩機構用液壓或機械驅動篩板在水介質中作上下往復運動，使篩板上的物料形成周期性地松散[2]。淺槽重介分選機的工作原理為：煤在充滿重介質的槽形分選機中，在重力作用下，按密度浮沉分層，浮煤在槽的上部，利用重介懸浮液的自然流動排出槽外，沉物則從底部用刮板排出。為了避免重介質在槽內沉淀分層，在槽箱底部有介質上升流，以穩定介質懸浮液的密度[3]。

相比淺槽重介分選機而言，動篩跳汰機雖然在入料上限和生產成本上具有一定優勢，但其分選精度較低，特別是在分選難選或極難選煤時，會造成精煤損失[4]。因此，對于難選或極難選塊煤來說，應優先采用淺槽重介分選機。

3.1.2 末煤分選

對于難選煤來說，末煤應首先考慮采用重介工藝，目前國內末煤重介分選設備主要有三產品重介質旋流器和兩段兩產品重介質旋流器。兩種設備各有優缺點，主要體現在系統可靠性、建設及運行成本等方面。結合本項目煤質情況和產品質量要求，設計推薦采用兩段兩產品重介質旋流器粗精選工藝。分析如下：

(1)從系統可靠性來看，由于三產品重介質旋流器采用一套密度系統，二段排矸的密度由一段重介懸浮液濃縮而成，一般二段密度比一段密度高0.3～0.4 kg/L，故其對原煤煤質適應性差，產品品種不好調節。在實際生產中二段排矸的密度受一段分選密度影響，很難實現自動控制[5]。而兩段兩產品重介質旋流器分選密度控制相互獨立，能夠滿足生產多級精煤的要求，系統可靠，管理方便[6]。

(2)從建設及運行成本來看，三產品旋流器最大的優勢就是通過一套密度系統分選出精煤、中煤和矸石，系統較為簡單；但由于三產品旋流器的處理量相對較小，介質循環量較大，一段入料口入料壓力較大，實際運行中的電耗與兩段兩產品重介質旋流器工藝相當。

(3)從系統靈活性來看，本工程主要生產煉焦配煤，但是也可以根據市場需求僅開啟一段旋流器排矸來生成優質動力煤，二段旋流器不用開啟，可有效降低生產成本，增加生產的靈活性。對于本廠而言，三產品旋流器就不存在這種降低生產成本的優勢。

3.1.3 推薦工藝

在選定塊、末煤分選方法后，初步確定的主選工藝為：塊煤淺槽重介排矸+末煤兩段兩產品重介旋流器粗精選。圖1為初步確定的主選工藝流程圖。

圖1 初步確定的主選工藝流程圖

圖1中，塊煤經淺槽重介分選機排矸，塊精煤破碎后進入一段兩產品重介質旋流器粗選排矸，一段兩產品重介質旋流器分選的粗精煤進入二段兩產品重介質旋流器精選，產出最終精煤產品和中煤。該流程塊煤采用淺槽重介分選，以塊煤機械排矸代替人工揀矸，減少了員工的勞動量；一段重介質旋流器為高密度排矸，當生產動力煤時可選擇不開啟二段重介質旋流器，靈活性高。

但在該工藝流程中，塊煤經重介淺槽排矸后，需要進入一段重介質旋流器內分選，而一段重介質旋流器仍然為排矸環節，存在塊煤重復入選問題。

為解決工藝中存在的重復入選問題，對工藝流程進行了進一步優化，優化后的工藝流程如圖2所示。使重介淺槽精煤破碎后進入二段重介質旋流器精選，從而解決了塊煤重復入選的問題，使工藝環節設置更加合理。

圖2 優化后的主選工藝流程圖

3.1.4 選前脫泥的必要性

關于選前是否需要脫泥，在選煤行業一直爭論不休，支持選前不脫泥的一般觀點是：重介旋流器分選下限可以達到0.5 mm或以下，可以對部分細粒煤進行有效分選，而且還可以減少工藝環節。但長期的實踐表明，選前不脫泥仍然存在諸多弊端[7]：

(1)大量的煤泥進入重介分選系統，需要很長時間才能從系統中排出，導致煤泥的進一步細化，對后續煤泥水處理極為不利[8]。

(2)煤泥進入重介分選系統，會加大懸浮液的粘度，降低分選設備的分選精度。

(3)系統循環懸浮液和循環水都大大增加，合格介質分流量也隨之增加，使得介質回收系統負荷增加，設備數量增多，導致介耗等生產成本增高。

(4)降低重介旋流器的分選下限，需要設置較小篩縫的脫介篩，這將降低脫介篩的處理能力和脫介效果，使得配置的脫介篩數量增多，投資增加，同時也很難保證系統介耗。

采用選前脫泥流程則具有分流量少、介耗低、煤質適應性強、便于設備大型化等諸多優勢[9]。

3.2 粗煤泥分選環節

大直徑重介旋流器對<1.0 mm以下粒級的分選精度較差，而且重介旋流器較低的分選下限也存在前述的諸多弊端，因此有必要單獨設置粗煤泥分選環節。這樣可以使重介旋流器入料下限升高，減少煤泥在系統中的循環量，提高重介系統的脫泥、脫介效率和單位設備處理能力[10]。

目前，國內和國際上對粗煤泥的分選比較成熟、穩定的工藝設備有螺旋分選機和干擾床分選機(RC、TBS或TCS)。兩者在入料范圍、分選密度、分選精度上各有不同。

(1)螺旋分選機。目前螺旋分選機在國內使用較多，其優點是投資少、生產成本低、操作簡單，分選上限可達3 mm，一般為1.5(1.0) mm，分選下限為0.15 mm，一般認為螺旋分選機的Ep值在0.16～0.21 g/cm3之間。分選密度一般要求>1.6 kg/L，低密度分選時的精度較差，多用于排矸、脫硫工藝[11]。

(2)干擾床分選機。干擾床分選機(RC、TBS或TCS)是一種目前在國內和國際上被廣泛使用的粗煤泥分選設備，它是一種利用上升水流在槽內產生紊流的干擾沉降分選設備。工作時，物料通過入料管沿切向方向進入入料井中，在上升水流的作用下，輕而細的顆粒溢流到溢流槽中，集中于槽體底部的高密度物料通過底流排料閥排出。干擾床分選機的分選精度較好，根據實測的數據，干擾床分選機的Ep值一般為0.10～0.12 g/cm3，優于螺旋分選機，在煉焦煤選煤廠應用較多，因此推薦采用干擾床分選機作為粗煤泥分選設備[12]。

3.3 細煤泥分選環節

沙章圖選煤廠煤種主要以氣煤和1/3焦煤為主，產品主要作為焦化廠的煉焦配煤，資源寶貴。根據煉焦煤選煤廠最大限度回收精煤的原則[13]，宜設置細煤泥分選環節，增加精煤回收率；同時也可減少煤泥的落地，減低對環境的污染。

3.4 全廠工藝流程

通過對原煤煤質分析，結合產品結構定位，確定適合本選煤廠的工藝流程為：>25(13) mm塊煤采用淺槽重介分選機排矸，分選出的精煤破碎至<50 mm后進再選旋流器精選，25(13)～1 mm末煤采用有壓兩產品重介旋流器粗精選，1～0.25 mm粗煤泥采用干擾床分選機分選，0.25～0 mm細煤泥采用浮選工藝分選。

該工藝中塊煤采用淺槽重介分選，實現了塊煤機械排矸代替人工揀矸，減少了員工的勞動量；淺槽重介精煤破碎后進入再選旋流器精選，工藝環節設置合理，不存在塊煤重復入選的現象；既有塊煤分選系統、又有末煤分選系統，工藝配置較為完善；工藝充分發揮了淺槽重介分選機處理能力大、入料粒度范圍寬以及生產成本低的特點；實現了塊煤淺槽重介分選機分選與末煤重介旋流器分選的最佳匹配，提出了大型煉焦煤選煤廠工藝設計的新思路。

目前，新礦集團沙章圖選煤廠已經投產，各項生產指標均較為優異，其中原煤實際處理能力達1 300 t/h，噸原煤介耗低于1.2 kg，噸原煤電耗低于4.5度，噸原煤水耗在0.06 m3以下，干煤泥浮選藥耗在1.3 kg以下，具有良好的經濟及社會效益。

4 結語

大型煉焦煤選煤廠的工藝一般較為復雜，需考慮的因素眾多。在選煤方法的選擇和工藝流程設計時，應在充分分析原煤煤質、結合產品定位和廠型規格的基礎上進行。雖然目前我國選煤技術已經發展較為成熟，但到目前為止沒有任何一套工藝流程是通用的。只有具體分析各選煤廠的實際情況，制定符合現場情況的工藝流程才是最佳工藝流程。