代池壩選煤廠重介分選系統及介質回收系統優化策略及應用實踐

周愛榮 何昊宇 劉登科 丁 林 楊仲卿

(1.四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司代池壩選煤廠，四川省廣元市，628209；2.重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400044)

煤炭在我國能源結構中一直占據主導地位，即使近年來占比有所下降，在可預見的將來煤炭仍是我國能源的主體[1-3]。但是由于原煤煤質和煤炭市場及經濟形勢的變化，導致很多選煤廠的選煤設備和工藝難以適應新的環境和標準。

選煤廠中較為普遍存在的問題是重介質旋流器的分選精度、運行穩定性和介耗問題，許多從業者針對此問題提出了各種解決方案。從旋流器結構和操作參數這2個角度提出了提高重介質旋流器的分選精度及穩定性的方案，有的通過調整旋流器入介口尺寸，減小旋流器的介質循環量，并提高入料壓力，使得分選精度提升[4]；有的通過改造混料桶結構和增加混料泵葉輪通道解決了有壓三產品重介質旋流器系統不穩定的問題[5]；還有的通過介質泵變頻調速、介質泵出口閥門和旋流器入口閥門協同調節的方式，解決了煤泥重介系統工作的連續性問題[6]；或者改造三產品重介質旋流器的溢流管直徑、底流口直徑和椎體角度以解決重介洗選系統中中煤帶精煤、中煤夾矸高的問題[7,8]。而介耗問題主要是通過增加脫介能力來解決，如增加篩面開孔率，增設阻尼板[6]采用新型弧形篩、增加開孔率和改造回收工藝[8]等等。這一系列方案在實際工程中具有非常重要的參考價值，為四川廣旺能源發展(集團)有限責任公司代池壩選煤廠(以下簡稱“代池壩選煤廠”)的優化改造提供了諸多思路。

代池壩選煤廠原設計采用淺槽排矸處理200～50 mm原煤，雙給介無壓三產品重介旋流器分選工藝處理50～0.3 mm原煤， -0.3 mm原煤采用浮選工藝，尾煤濃縮壓濾，全廠洗水實現閉路循環，設計洗選能力為150萬t/a。在投入運行后歷經多次技術改造，解決了很多技術問題和設備問題。本文針對代池壩選煤廠重介分選系統目前所面臨的新問題進行總結，分析問題產生的原因，提出相應的優化改造措施，并對改造實施后產生的效益進行分析。

1 存在的問題

1.1 重介質旋流器預分選系統運行不穩定

重介質旋流器作為目前應用最廣泛的煤炭分選設備，也是代池壩選煤廠最主要的分選設備。預分選裝置是重介質旋流器的前處理設備，原煤和介質液在錐形設備中進行混合，完成原料濕潤和預分選的任務。在生產過程中原煤經過原煤預先分級篩篩分和破碎機破碎后進入三產品重介質旋流器預分選裝置后，即使按照設計量給料，也經常會出現物料堵塞的狀況，嚴重影響了旋流器的分選精度和重介洗選系統的穩定運行。另外，高速旋轉的懸浮液對潤濕桶磨損嚴重，也需要經常更換。但因為潤濕支管安裝位置高，拆除時操作空間狹小，所以需要對重介質旋流器的預分選設備進行優化設計，做到預防堵塞、減少磨損以及增加重介洗選系統的穩定性。

1.2 高頻篩跑粗

現有的高頻篩分別用于中矸、精煤煤泥的脫水，在實際運行中由于原設計使用的復合篩板兩側壓篩木材質為硬木，和篩面結合不容易脹緊，篩上物料易通過篩框和篩板間縫隙進入篩下水，造成跑粗，也大大增加了后續煤泥水處理設備的負荷。從而導致大粒度煤泥無法浮選出來，藥耗達到0.96 kg/t，浮選精煤產率只有7.6%左右。而且原設計使用的復合篩板極易堵塞，需要經常更換網面，導致使用壽命短、生產成本高、生產效率低。

1.3 帶式輸送機負荷監控困難

重介質旋流器的運行穩定性不僅僅與旋流器本身有關，還與選煤廠的運行負荷有關。如果處理量變化過大，不利于提高分選精度，若負荷過大，便會造成堵塞降低旋流器的運行穩定性。帶式輸送機是以連續的方式摩擦驅動來運輸物料的機械設備，原煤沿輸送線從落料點工作面輸送到儲煤場或者各煤炭處理設備進行下一步處理。代池壩選煤廠的原煤由5臺給料機同時向帶式輸送機給料，不可避免的存在煤倉堵塞情況，使帶式輸送機輸送煤量不穩定，導致后續洗選設備運行工況的不穩定。由于現有皮帶秤的測速裝置安裝位置的遠離皮帶秤計量托輥，導致皮帶秤的稱量準確度不高，不僅不易直接計算入選量，也不方便對后續設備進行調控，設備負荷監控困難。

2 問題分析及改造優化

2.1 預分選結構堵塞及優化

為了解決重介質旋流器預分選結構物料堵塞的問題，需要提高預分選裝置的處理能力，影響預分選系統處理能力的主要因素有原煤給料方式、潤濕管管路設置和介質液進料方向。

2.1.1 原煤給料方式

物料通過給料設備進入預分選結構，在桶內介質液的帶動下產生旋轉，實現預分選效應。預分選效果與物料在潤濕桶內的落點有關。不同的入料方式將產生不同的預分選效果，與常見的旋流器一樣，預分選結構的潤濕桶內有內旋流區域和外旋流區域這2個運動區域。如果物料進入到內旋流區域，基本沒有分選效果；如果物料進入外旋流區域會立即產生分選作用，并可減少入料口短路和湍流的影響。如果所有原煤都由潤濕桶外旋流區域給料，則會大大提高預分選結構的處理能力。因此，為了優化入料方式，采用潤濕桶前設置分料盤的措施，使物料充分分散，落點位于潤濕桶內的外旋流區域，促進物料及時分選。

2.1.2 潤濕管管路設置

代池壩選煤廠的雙給介無壓三產品重介旋流器設置了大合介和小合介2條管路，沿切線方向給入重介質旋流器。預分選結構的分選效果與介質液的離心力大小密切相關，離心力Fc計算見式(1)：

(1)

式中：Fc——離心力，N；

m——顆粒質量，kg；

Vt——介質液的切向速度，m/s；

R——旋流器直徑，mm。

介質液的切向速度Vt計算見式(2)：

(2)

式中：K——修正系數，由入口流道的阻力損失決定；

g——重力加速度，m/s2；

H——給料壓力，MPa。

由式(1)和式(2)可知，入料壓力越大離心力越大，預分選效果也越好。改造前重介旋流器管路系統中設置的大合介泵流量Q1為1000 m3/h，揚程為45 m；小合介泵流量Q2為400 m3/h，揚程為55 m。原設計中預分選結構的介質液來自大合介泵管路，當考慮管道沿程損失等不可逆損失后，預分選結構內的出口壓力往往不足0.2 MPa。這將導致介質液的切向速度過低、介質量少，潤濕效果和預分選效果變差，進而造成預分選結構內物料發生堵塞。因此，為了提高預分選結構的介質液出口壓力并同時節約改造成本，提出將預分選結構介質液接口改接至小合介泵管路系統的改造措施，并將潤濕管加工成兩部分，通過法蘭連接，既方便維修，又克服了改造前整根潤濕管堵塞后拆卸困難的問題。

2.1.3 介質液進料方向

預分選結構的處理能力不僅和介質液的切向速度有關，軸向速度也是影響重介質旋流器處理能力的重要因素。介質液軸向速度越大，煤質混合液的通過能力越強，入料流量越大，重介質旋流器的處理性能越好。在出口壓力不變的條件下，預分選結構內介質液的切向速度和軸向速度的分配取決于介質液的進入角度。根據流體在圓形容器內形成向下的外螺旋流的螺旋角θ表達式見式(3)：

(3)

式中：θ——螺旋角，(°)；

h——入口到底流口的垂直距離，m。

經過實際測量，選煤廠預分選入口到底流口的垂距h和給料壓力H分別為0.835 m和0.264 MPa，由式(3)可知螺旋角θ為5.1°?？紤]到摩擦因素的影響，預分選結構內形成的流體螺旋角實際值小于5.1°。在相同給料壓力下對0°和5°兩種入料角的切向速度分布如圖1所示。A-A截面處切向速度分布如圖2所示。

圖1 試驗模型圖

圖2 A-A截面處切向速度分布圖

由圖1和圖2可以看出，在2種入料角度下，旋流器的切向速度沿器壁向中心逐漸增大，與半徑成反比，達到最大值后便迅速減?。欢谙嗤瑥较蛭恢?，特別是在主要分選區域，5°給料方式旋流器的切向速度比水平給料方式下的切向速度高，物料受到的離心力更大。因此，介質液選擇5°進入預分選結構，將有利于增強其分選能力。

2.1.4 增加結構的耐磨性

重介質旋流器選煤工藝是利用重介質懸浮液的高速旋轉形成的離心力場來實現物料分選的，高濃度介質液和高速旋轉是系統的必備條件，因此不可避免存在對設備和管道的磨損。為了增加預分選效果、減少堵塞，預分選結構接入小介質泵，這增大了入料的壓力同時也增加了磨損，所以需要增加預分選結構的耐磨性能。經過考察研究，最后決定采用耐磨陶瓷片粘貼于鋼結構表面上作為保護層，以延長預分選結構的壽命。

由以上分析可知，為了提高預分選結構的處理能力，可采取的主要措施包括：

(1)設置分料盤，優化原煤入料方式，使物料充分分散，落點位于潤濕桶內的外旋流區域，促進物料及時分選；

(2)潤濕管接口設置在小合介泵管路系統，引介質液進入預分選結構，優化潤濕管路系統；

(3)將環形潤濕管加工為兩段，克服改造前潤濕管堵塞拆卸困難的問題，便于檢查維修；

(4)介質液改水平切線入料為5°傾角切線入料，優化預分選結構內介質液的進入方式；

(5)改用耐磨陶瓷材料(剛玉)做面層，改善潤濕桶內表面的耐磨性能，延長預分選結構的使用壽命。

2.2 高頻篩優化

為了解決原高頻篩篩板和篩面結合不脹緊導致的高頻篩跑粗和使用壽命短的問題，優先考慮采用焊接篩板。但是一般焊接篩板開孔率低，篩上物水分高，對細粒煤回收粒度不容易控制，處理量小，還可能會導致篩面跑水、產品灰分偏高等問題。為了改善焊接篩板的性能，采用進口耐磨材料制成的小篩條，小篩條背寬為1.0～1.2 mm，開孔率可提升近1倍，而且使用壽命將大大增加，使焊接篩板替代昂貴的復合篩板成為可能。將篩板做成聚氨酯包邊的形式，側面的壓篩木由硬木改為聚氨酯材質，楔子由硬木改為高分子聚乙烯材質。這樣可以將側邊篩框以及篩板接觸處有效壓緊，進而有效地解決現在存在的高頻篩跑粗問題。為了提高高頻篩的脫水能力，將篩機的出料端抬高，由原來水平(δ=0°)改為負角度(δ=-2°)出料，使物料在出料端形成爬坡效果。同時將固定篩板的平板式壓篩鋼板改為擋水式壓篩鋼板，避免物料通過弧形篩面后致使物料速度過快，有效地增加物料通過篩面的時間以保證對物料進行充分脫水。高頻振動篩的改造前和改造后的篩面結構示意如圖3和圖4所示。

圖3 高頻振動篩改造前的篩面結構示意圖

圖4 高頻振動篩改造后的篩面結構示意圖

2.3 皮帶秤的測速及運輸方式優化

為了對整個重介洗選系統的運行負荷進行監控，首先需對入洗量進行準確測量。皮帶秤的測速準確性和實時性直接關系到皮帶秤的實際稱重精度，因此針對皮帶秤的測速裝置進行優化升級改造。改造后的電子皮帶秤整體結構與測速托輥的結構如圖5所示。

圖5 電子皮帶秤整體結構與測速托輥結構

該裝置通過安裝在測速輥筒下的霍爾元件感應裝在測速輥筒表面的磁鋼運轉速率，并發出信號，從而達到測速的目的。為了防止震動影響測量精度，可設置多個固定架和限位板。測速裝置的優化升級，使得原煤入洗量的測量更加精確。同時為了適應頻繁的大負荷變動，代池壩選煤廠擬采用永磁直驅電機(PMSM)傳動系統適應復雜工況。相較于原來的“電機+液力耦合器+減速驅動”的模式，永磁直驅電機可以實現零速度軟啟動，使帶式輸送機重載軟啟動，啟動過程可控；實現智能停車，可自主協調上下級皮帶停車的同步性。

3 效益分析

采取以上措施對重介質旋流器預分選結構實施優化改造后，避免了物料堵塞，物料處理能力加強。當潤濕管壓力為0.28 MP時，重介質旋流器處理能力可達300 t/h以上。經過對精煤的污染指標和中煤損失指標進行觀測，發現觀察期內精煤污染率低于5%，平均污染率1.5%；中煤平均損失率為2%；矸石損失率低于0.5%。重介質分選系統的操控性能更好，能很好地適應物料波動的影響，有效增強了選煤廠的重介洗選系統的運行穩定性，平均每班設備運行時間達到9.5 h。預分選結構優化前后主要項目統計資料對比見表1。

根據入洗原煤150萬t/a、精煤單價1000元/t、用電單價0.77元/(kW·h)計算，重介質旋流器預分選系統優化改造后增加精煤收入約750萬元，節約電費約184.8萬元，共增加年收益934.8萬元。而且，當實施高頻篩結構改造以后，杜絕了跑粗、跑水現象的發生，減輕了整體洗選系統的負荷，降低了壓濾機、浮選機、離心機等下游工序的工作壓力，減少配件更換，增加整機壽命，同時能提高產品質量，提高介質回收率，降低產品灰分，藥耗降低至0.82 kg/t，提升了選煤的處理能力。以焊接篩板6個月壽命計，單臺曲面篩每年可節省更換復合網成本約10萬元，同時減少頻繁更換篩板所需的工時約3萬元。

表1 預分選結構優化前后主要項目統計資料對比

4 結論

針對代池壩選煤廠重介洗選系統設備運行不穩定問題，重點分析了預分選結構堵塞原因，并提出設置分料盤、改變介質液切入角等優化改造措施；同時針對高頻篩跑粗和帶式輸送機負荷監控不準確等問題，提出相應的設備優化與改進措施。改造實施后，有效提高重介分選系統的運行穩定性，增加設備使用壽命，節約了煤炭洗選成本，提高了煤炭洗選經濟效益。改造措施可為其他重介質分選設備及煤炭洗選工藝的改進提供參考。