潘集選煤廠重介質懸浮液循環的定量分析

丁光耀，吳大為，桂洋洋，倪恒球，苑金朝，葉樹強

(1.北京國華科技集團有限公司，北京 101300；2.淮河能源集團選煤分公司潘集選煤廠，安徽 淮南 232082)

1 概 述

原料煤是在重介選煤設備的重介質懸浮液中依據密度差異來實現分選的。因此，在生產中需要預先配置好循環使用的合格重介質懸浮液，合格重介質懸浮液是固、液二相粗分散體系，其中固相又是磁性物、非磁性物2種成分的混合物。確切地講非磁性物也可分成兩部分，一是原料煤中攜帶的大量煤泥，二是混雜的極少量非磁性物雜質，為表述方便，本文統將非磁性物統稱為煤泥。

由圖1可知，配制成一定密度的合格重介質懸浮液和經潤濕的原料煤進入三產品重介質旋流器分選出精煤、中煤和矸石，經弧形篩預先脫除的重介質懸浮液分流一部分和產品脫介篩的稀介質分別由精煤、中煤、矸石磁選機處理，帶有少量水和煤泥的磁選精礦重新返回重介質懸浮液，大量的煤泥和水由磁選尾礦攜帶而到煤泥水系統。適量的循環水和磁鐵礦粉補加到合格介質桶，以保持合格重介質懸浮液的動態平衡。

有關重介質懸浮液循環的定量分析，尤其是21世紀以來，我國大力推廣使用的三產品重介質旋流器的定量分析，鮮見于公開發表的專業刊物中。

圖1 三產品重介質旋流器的重介質懸浮液循環示意

2 重介質懸浮液的數質量分布

本文引用的資料是潘集選煤廠于2018年12月完成的工業性試驗的翔實數據，該廠是年處理能力為12.0 Mt的特大型煉焦煤選煤廠，共有4套生產系統，每套生產系統配置1臺3GDMC1500/1100A型無壓給料三產品重介質旋流器。其工藝流程如圖2所示。

該廠采用選前不脫泥、不分級的無壓給料三產品重介質旋流器選煤工藝。來自準備車間的50～0 mm粒級原料煤經預先潤濕后，進入重介質旋流器分選，攜帶重介質懸浮液的精煤，經弧形篩預先脫介，脫除的重介質懸浮液部分分流至煤泥重介旋流器入料桶，其余返回合格介質桶，其篩上物進脫介篩處理，脫介篩上的精煤，再經離心機脫水，成為最終精煤產品，脫介篩篩下水自流至精煤磁選機，其精礦返回合格介質桶，其尾礦去精煤泥弧形篩。分流重介質懸浮液經煤泥重介質旋流器分選，其溢流送至精煤磁選機處理，其底流則送至中煤磁選機處理。

圖2 潘集選煤廠重介質旋流器分選工藝流程

重介質旋流器分選出的攜帶重介質懸浮液的中煤經弧形篩預先脫介，篩下重介質懸浮液返回合格介質桶；其篩上物進脫介篩處理，脫介篩篩上中煤經離心機脫水，成為最終中煤產品；其篩下稀懸浮液至中煤磁選機處理，磁選精礦返回合格介質桶，磁選尾礦進入后續煤泥水系統處理。

重介質旋流器分選出的矸石攜帶重介質懸浮液，經弧形篩預先脫介，篩下重介質懸浮液返回合格介質桶，其篩上物進入脫介篩，脫介篩的篩上物為矸石，最終送出廠外。篩下稀懸浮液由矸石磁選機處理，其精礦返回合格介質桶，其尾礦進入后續煤泥水系統處理。

1號生產系統的重介質懸浮液的數量分布見表1。該系統實際給煤量為570 t/h，原料煤含水分為5.20%，小于0.5 mm粒級煤泥含量(以干重計)為21.11%。

根據重介質旋流器單機試驗的50～0.5 mm粒級原料煤和選后產品的密度組成，計算出精煤、中煤、矸石的產率分別為45.35%、28.20%、26.45%。實測精煤、中煤、矸石所攜帶的重介質懸浮液濃度分別為390 g/L、950 g/L、1 330 g/L，磁性物含量分別為41.83%、69.63%、78.08%。

合格介質泵的流量按設計考慮為2 500 m3/h，實測其密度為1.38 kg/L。原料煤在進入旋流器之前，用105.69 m3/h的合格懸浮液和105.69 m3/h循環水(濃度為0.5 g/L)進行潤濕。隨原料煤帶進了114.1 t/h的煤泥，融為了重懸浮液的一部分，因此在分選設備中實際參與分選的重懸浮液流量增為2 718.14 m3/h。

依據以上情況，可建立3個平衡式：即懸浮液流量平衡、磁性物總量平衡和懸浮液密度平衡。

懸浮液流量平衡：V1+V2+V3=2718.14 m3/h

磁性物總量平衡：V1Gf1+V2Gf2+V3Gf3=1009.1 t/h

懸浮液密度平衡：(V1ρ1+V2ρ2+V3ρ3)/2718.1=1.36 kg/L

式中：V1、V2、V3分別為精煤、中煤、矸石所攜帶的重介質懸浮液流量，m3/h；Gf1、Gf2、Gf3分別為精煤、中煤、矸石所攜帶重介質懸浮液的磁性物含量，%；ρ1、ρ2、ρ3分別代表精煤、中煤、矸石所攜帶重介質懸浮液的密度，kg/L。

則得：V1=1 953.96 m3/h，V2=273.54 m3/h，V3=490.58 m3/h。

以此又可計算出進入第二段旋流器的重介質懸浮液流量。

即：273.54+490.58=764.12 m3/h

結合工業性試驗的實測數據，進而可得重懸浮液的數量分布(見表1)。

表1 重懸浮液的數質量分布

在重介質旋流器的離心力場中，不但是大于0.5 mm粒級原料煤按密度的差異分選出精煤、中煤和矸石，而且由磁性物、煤泥和水所構成的重介質懸浮液本身，也受到離心力的影響。水體因密度小，受到的離心力也就小，所以有3/4趨向于第一段旋流器的溢流管隨精煤流出；磁性物密度大，受到的離心力也大，因此只有30%左右的細粒級混在精煤溢流中；煤泥因其密度遠小于磁性物，除粗顆粒外，也有近3/4隨精煤流出。

綜上，進入重介質旋流器的重介質懸浮液中有3/4以上隨精煤攜帶而出，因其磁性物數量少，所以密度由1.36 kg/L降到了1.20 kg/L；進入第二段旋流器的懸浮液因水流量小，磁性物量分布量達68.41%，所以密度升至1.77 kg/L，在第二段旋流器的離心濃縮作用下，底流中富集了一半的磁性物，而水量僅是入料的15.77%，致使矸石攜帶的懸浮液密度高至1.86 kg/L。

圖3 重介質懸浮液數量分布

表2 分選后的重介質懸浮液、磁性物、水體、煤泥的分布

根據表1數據，繪制了重介質懸浮液的數量分布圖(見圖3)。根據圖3所示，可用表2中的數據加以匯總。該圖可更加直觀地表現懸浮液、磁性物、煤泥、水在旋流器分選前后的數量變動情況，圖中各個圓的面積大小，反映的是各個階段懸浮液流量的多少，此處的流量也可理解為單位時間內各懸浮液的體積。圖中的磁性物、煤泥、水所占有面積是這三者質量(t/h)的百分比值。

從圖3中可以清楚地看到，選后產品所攜帶的懸浮液中煤泥量變動的幅度較小，而由于重介質旋流器的離心濃縮效應，磁性物與水的變動幅度是格外顯著的。

3 磁性物回收和循環指標

3.1 磁性物回收

潘集選煤廠磁選作業指標和工藝效果見表3。

表3 磁選作業指標和工藝效果

從表3可知：

(1)各磁選作業共處理1 016.9 m3/h的礦漿，礦漿中攜帶了89.28 t/h的磁性物(占合格介質循環量的8.83%)，回收了89.16 t/h，只損失0.12 t/h，磁性物回收率竟達99.87%，突破了磁選機廠商的指標99.80%。磁選精礦中煤泥含量僅為7.76%，煤泥脫除率高至93.69%，以上數據佐證了潘集選煤廠工程設計中對磁選機的選型是正確合理的，管理操作水平也是先進的。

(2)精煤磁選作業處理的礦漿量最大，其密度較低，磁性物粒度細，所以磁性物回收率略低一些，為99.68%。

(3)中煤磁選作業所回收的磁性物量最大，由于其入料濃度高至332.98 g/L，致使其煤泥脫除率低了一些，為80.14%。

(4)磁選效率=磁性物回收率+煤泥脫除率-100%，相比之下，矸石磁選作業的磁選效率最高為94.75%。

3.2 磁性物循環指標

對重介質懸浮液的循環提出2項指標。

3.2.1 循環系數

循環系數a的定義是某種循環物質的循環量(t/h)與所添加(或進入)的該物質(t/h)的比值(見圖4)。

圖4 磁性物循環示意

圖4中Q1是返回合格介質桶的循環磁性物的質量，它是由二部分組成：大部分是脫介弧形篩篩下以及脫介篩合介段的重介質懸浮液，另一部分是磁選機回收的精礦。

添加到合格介質桶的磁性物Q0與Q1匯合后，由合格介質泵送到重介質旋流器的合格重介質懸浮液為Q2，其計算式為：

循環系數是動態值，即循環量與添加量的比值，添加量多少是根據分選過程中磁性物損失量，需要維持磁性物循環的動態平衡而決定的。

根據工業性試驗報告，重介選產品中的磁性物損失量見表4。

表4 磁性物損失量

從表1可知，合格循環重介質懸浮液中磁性物Q2=1 009.14 t/h

K值越大就意味著磁性物損失(添加)量就越小。本次工業性試驗測定潘集選煤廠磁性物技術損耗是每入選1 t原料煤損失0.48 kg，磁性物循環系數高達4 204.8，是潘集選煤廠噸煤介耗列入國際先進水平的真實寫照。

3.2.2 靜態置換時間

靜態置換時間是以小時為單位的指標。置換系數b的定義是靜態的合格懸浮液中，磁性物被其所添加(或進入)的質量所置換的時間(以小時計)。其計算為：

式中：t1為靜態條件下磁性物的質量，t；t0為被添加(或進入)的磁性物的質量，t/h。

由此可見，由于長時間循環導致磁性物與外購的磁鐵礦粉在粒度、密度組成以及磁性強度方面形成的差異，是值得人們進行深入研究分析的。

4 水體和煤泥的循環指標

原料煤帶進重介質旋流器中的煤泥要及時排出，以維持它在重介質懸浮液內適中的含量，煤泥是以重介質懸浮液形態排至后續作業的。由于在重介質懸浮液中煤泥和水的各自比例不同，所以它們的循環指標也不盡相同。

4.1 水的循環指標

水體在重介質懸浮液中循環示意如圖5所示，水體在重介質懸浮液系統中外排有2種形式，一是重介選產品所攜帶的水量，這些水量是少量的；二是以重介質懸浮液形式分流出來。對于潘集選煤廠而言，是分流到煤泥重介質旋流器，該旋流器的輕、重產物分別到精煤磁選機或中煤磁選機。它們攜帶的水量見表5。

圖5 水體循環示意

表5 循環重介質懸浮液中外排水量

4.2 煤泥的循環指數

煤泥在重介質懸浮液中的循環示意如圖6所示。煤泥在重介質懸浮液循環系統中排出的2個途徑：一是重介選產品所攜帶的煤泥， 這些煤泥在數量上極有限的；二是以重介質懸浮液形式分流出來。為保持在循環重介質懸浮液中煤泥濃度在一個合適范圍，必須從合格懸浮液中進行分流，這股分流出來的懸浮液可以直接到精煤磁選機進行脫泥凈化，也可以像潘集選煤廠那樣由煤泥重介質旋流器再進行分選。此分流量的大小直接決定原料煤不分級、不脫泥重介選煤工藝的成敗。

圖6 煤泥循環示意

5 結 語

以潘集選煤廠工業性試驗數據為依據，對其重懸浮液循環作了定量分析，重懸浮液中的磁性物、水體和煤，以各自的比例分布在重介質懸浮液中，隨后又以不同的比例分布在精煤、中煤、矸石產品所攜帶的重介質懸浮液中，文中以圖示比例形式更直觀形象地描述了上述的分布情況。

采用了2項指標來反映磁性物、水體、煤泥的循環情況，一是動態指標—循環系數，二是靜態指標—置換時間。

對于重介質選煤廠重介質懸浮液循環的研究，從目前的情況來看，還是遠遠不夠的，希望本文能起到拋磚引玉的效果，有助于人們全面、深入的研究。