重介選煤系統粗精煤回收工藝的研究與應用

張力強，石 磊，黃 勇

(1.天地(唐山)礦業科技有限公司,河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063000；3.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；4.唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299)

2020年，我國煤炭產量已達39億t，約占全球總產量的51%，在我國一次能源結構中，煤炭消費量占能源消費總量的56.7%，煤炭仍是我國的主要能源。在選煤工藝方面，我國主要以跳汰+浮選、重介+浮選、跳汰+重介+浮選、重介+粗煤泥分選+浮選等混合洗選工藝為主，分選效率也隨著選煤技術的進步而不斷提高[1]。隨著煤礦開采機械化程度不斷提高，原煤中粗煤泥含量不斷增加，粗煤泥分選回收一直是選煤工藝中的薄弱環節，解決好粗煤泥有效分選及回收問題，可以有效保證精煤質量和產率的最大化，并提高經濟效益[2]。

1 粗煤泥分選下限現狀[3-6]

粗煤泥一般指2～0.25 mm粒級的原煤，兼有粗顆粒特性和煤泥的特性，相對解離得比較充分、易選。在當前的選煤工藝中，對粗煤泥的分選通常采用干擾床分選機、螺旋分選機或重介全級入選工藝，其中重介全級入選工藝現場還采用煤泥重介延伸配套工藝，以達到粗煤泥進一步降灰的目的。

對重介全級入選工藝現場評定表明：1～0.5 mm粒級Ep值達0.05～0.07 g/cm3；0.5～0.25 mm粒級Ep值在工況較好的條件下可達0.09～0.11 g/cm3,基本實現分選；0.25～0.125 mm粒級Ep值達0.16～0.20 g/cm3左右，可以有效分選，但未完全得到分選。對重介分級入選工藝現場評定表明：1～0.5 mm粒級Ep值達0.04～0.05 g/cm3；0.5～0.25 mm粒級Ep值達0.08～0.09 g/cm3,上述粒級均得到有效分選；0.25～0.125 mm粒級Ep值達0.15～0.18 g/cm3，分選不夠充分。對于有煤泥重介工藝作為重介質選煤工藝延伸配套的選煤廠，精煤弧形篩下的分流合格介質經過煤泥重介質旋流器再選后，0.5～0.25 mm粒級Ep值達0.04～0.06 g/cm3；0.25～0.125 mm粒級Ep值達0.08～0.09 g/cm3，可見0.5～0.125 mm粒級基本實現了有效分選。

通過現場分析，無論采用重介全級入選工藝還是重介分級入選工藝，在選煤系統工況條件正常的情況下，0.25 mm以上粒級的粗煤泥均能得到有效分選，分選下限的降低，可為浮選減量化提供了很好的工藝基礎。

2 常用的粗精煤回收工藝[7-8]

目前，在以重介質旋流器為主選設備的選煤廠中，均根據自身條件采用了不同的1.5～0.25(0.15)mm粒級粗精煤回收工藝，達到了提高精煤產率的目的。采用的主要工藝為：沉降過濾式離心機回收粗精煤、濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤、振動弧形篩+煤泥離心機回收粗精煤等，具體應用雖有不同，但幾乎全部圍繞上述核心來改進應用。

2.1 沉降過濾式離心機回收粗精煤

利用沉降過濾式離心機進行粗精煤回收工藝在國外應用較為廣泛，但在國內20世紀80年代才開始應用，21世紀獲得一定范圍的推廣。該工藝一般用于煤泥量較大的選煤廠，且該工藝對入料的粒度組成要求較為苛刻。入料中<0.045 mm粒級含量一般要求不超過40%，否則，回收的粗煤泥水分指標偏高。此外，該工藝中的沉降過濾式離心機的篩網、螺旋體易磨損，設備維修量大，整體維護費用較高，因此該工藝相對適應性較窄。該工藝原則流程如圖1所示。

圖1 沉降過濾式離心機回收粗精煤工藝原則流程

2.2 濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤

對于煤泥量小、產品水分要求不高的選煤廠，往往采用濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤工藝。該工藝最大的特點是適應性好、功耗小、處理量大、故障率低等，最大的不足是回收的粗精煤中高灰細泥夾帶嚴重，產品灰分高。隨著當前入選原煤中煤泥量的增大以及對產品水分要求的提高，往往設置離心機脫水環節，以進一步降低產品的水分，但最終產品的灰分還是幾種工藝中相對較高的。該工藝原則流程如圖2所示。

圖2 濃縮旋流器+高頻篩回收粗精煤工藝原則流程

從實際生產情況看，該工藝也有積極的一面，高頻篩回收粗精煤時，低振幅、高頻率振動對篩上的物料層有一定按密度分選的作用，特別是在入料端，在一定入料濃度下該作用尤為明顯。同一粒級物料，篩上灰分明顯低于篩下物料的灰分，因此該工藝不僅具有回收粗精煤的作用，而且還有進一步降低產品灰分的效果。但整體而言，由于高頻篩上的物料層較厚，分選降灰作用有限，大量的高灰細泥夾帶于產品中無法脫除。

2.3 振動弧形篩+煤泥離心機回收粗精煤

該工藝是目前選煤廠應用相對較廣泛的粗精煤回收工藝。為了解決粗精煤中高灰細泥在系統中不斷循環，污染精煤的問題，該工藝將弧形篩篩下水和離心液直接進入浮選(圖3)，可大幅度減少高灰細泥對粗精煤的污染，同時降低了工藝系統的負荷。但此工藝也存在一定的不足，當離心機的篩籃磨損后，會造成一部分灰分已經合格的粗精煤進入離心液，造成浮選跑粗比較嚴重，致使浮選尾煤灰分偏低。為解決浮選跑粗問題，部分選煤廠將離心液直接返回到濃縮旋流器，但在一定程度上造成了部分高灰細泥在系統中的循環。

圖3 振動弧形篩+煤泥離心機回收粗精煤工藝原則流程

從目前我國粗精煤回收的現狀來看，無論是重介全級入選工藝還是粗煤泥單獨分選的脫泥入選工藝，常見的問題為粗精煤灰分偏高，一般高出主選環節精煤1～4個百分點。究其原因，在粗煤泥得到有效分選的前提下，粗精煤回收工藝系統中，分級設備效率低，高灰細泥脫除不徹底，造成粗精煤灰分偏高，從而需要采用主選系統“背灰”的方式，保證總精煤灰分，在一定程度上影響了經濟效益。

3 粗精煤回收核心設備的優化及工藝的確定

目前的粗精煤回收主流工藝可以說以“旋流器濃縮+脫水篩脫水+離心機脫水”為核心，存在的不足是旋流器濃縮過程中溢流易跑粗且底流夾細嚴重，脫水篩脫水作用明顯，但脫除高灰細泥作用有限，離心機脫水后產品水分合格，但容易有粗顆粒隨離心液排出等。上述環節的單一設備分級效率都在45%～65%，可以說也是當前應用最廣泛的設備，組合工藝整體分級效率可以達到70%～80%，但也未達到最優的應用效果。

針對分級設備效率低，高灰細泥脫除不徹底的問題，經過對現有各種分級脫水設備分析發現，之所以傳統設備及其組合無法達到較為理想的效果，除目前的單機在自身效率上未充分發揮外，參數仍有持續優化設計進而提升效率的空間。同時組合工藝中，各單機設備之間的參數未達到相對較優的組合匹配，致使在工業應用中，很多單機或組合工藝效果達不到理想狀態。從工藝環節看，優化現有分級設備結構、強化分級效果，有效脫除高灰細泥，可有效地保證粗精煤的灰分。

3.1 核心分級設備的優化

3.1.1 高效分級旋流器的改進[9]

分級旋流器是一種利用離心力場加速礦漿中固體顆粒沉降，并強化其分離的物理分離設備(圖4)。工作時，礦漿在一定壓力的作用下給入旋流器，在旋流器內部形成高速旋轉的離心流場，在離心力的作用下，細顆粒向中心區域運動從溢流口排出，粗顆粒向器壁運動從底流口排出，從而按粒度大小完成分離過程。

圖4 分級旋流器工作原理示意圖

影響分級旋流器工作效果的因素包括：結構參數、操作條件和物料性質等。從旋流器自身結構來講，入料方式和分離筒體的結構是影響旋流器分級效果的最關鍵因素。旋流器入料管與分離室相連，其橫斷面形狀有圓形、矩形、方形。理論及試驗驗證入料管橫斷面形狀以矩形為好，而入料方式以流線形式效果較佳。這種橫斷面流線形狀的入料管使得礦漿在進入分離室前按粒級大小進行預先分級(圖5)，增大了設備的分級空間，延長了分級時間，不僅可以提高旋流器的分級效率和分級精度，而且溢流跑粗和底流夾細的現象明顯弱化。

圖5 旋流器強化入料效果圖

3.1.2 復式分級脫水篩的優化設計[10]

高頻篩廣泛用于選煤廠煤泥脫水回收作業中，目前，國內外常用的有兩種振動形式的高頻篩，即機械振動高頻篩和電磁振動高頻篩。由于振動原理不同，兩種高頻篩各具特點及適用范圍。機械振動高頻篩一般振動頻率為24 Hz，振動強度為5～7 g，振幅為2～3 mm；電磁振動高頻篩振動頻率為50 Hz，振動強度為8～10 g，振幅為2～3 mm。從應用效果來看，機械振動高頻篩更偏向于脫水效果、分級效果相對較差的煤泥脫水回收，而電磁振動高頻篩則有更強的分級效果。

電磁振動高頻篩整體屬于雙質體振動系統，通過電磁激振器的驅動，優化選取工作點，使篩網產生高頻振動，而篩箱基本不動。一定濃度的煤泥水在電磁振動高頻篩上運動，相當于高頻脫水和跳汰分選的復合過程。煤泥顆粒一方面在振動作用下按粒度分層分布，細顆粒和水逐漸向下移動透篩；另一方面，煤泥顆粒在現有濃度的煤泥水中與跳汰過程類似，低密度顆粒被向上托起，高密度顆粒則沉降下來，易于透篩，因此電磁振動高頻篩在回收煤泥的過程中效果更為明顯。為進一步提升脫水分級效果，對電磁振動高頻篩進行了合理優化設計，使之具有水平負傾角的高頻篩功能，形成“強化分級+脫水的電磁復式分級篩”結構。

電磁復式分級脫水篩如圖6所示。該篩結構具有如下的特點：

圖6 電磁復式分級脫水篩

(1)篩面振動，篩箱不參與振動，功耗小；設備布置簡單，運動部件少，故障率低，維護方便，整機運行可靠。

(2)振動頻率高、強度大，激振頻率為50 Hz，篩網自清理能力強，篩孔不易堵塞，可達到良好的分級脫水效果。

(3)整個篩面可分成多段，篩面下布置多個激振器，每個激振器由獨立的控制模塊控制，可實現對入料段、分級段、脫水段、出料段振幅的在線調節，還可實現定時大振幅清篩的功能，調節方便。

(4)篩分粒度區間大，分級回收效率高。篩網可采用激光切割聚氨酯篩板，篩分效率高，壽命長；激振方式采用打擊篩網的方式，對細粒級物料進行篩分時不堵孔、不跑水，篩孔尺寸在0.045～2 mm可選。

3.2 粗精煤回收工藝的確定

為進一步提升粗精煤的回收效率，圍繞當前主流粗精煤回收工藝，在優化旋流器結構并強化入料方式及組合電磁復式分級脫水篩的基礎上，形成高精度分級旋流器+電磁復式分級篩的高效分級脫水組合工藝，以最大限度地去除粗精煤中的高灰細泥，同時實現煤泥離心機離心液的閉路循環，既避免跑粗，也避免極細的高灰細泥在系統中的循環，從而保證產品質量，提高回收率。具體工藝原則流程如圖7所示。

圖7 粗精煤回收工藝原則流程

3.3 現場應用效果

通過優化旋流器結構參數，設置強化入料的分配器，以及采用合理的工藝參數，保證了該工藝具有較高的分級效果，不僅去除了大部分的高灰細泥而且獲得了合理濃度的底流，滿足了電磁復式分級脫水篩的入料要求。通過設計合理的篩面安裝角度、電磁激振器數量，并合理確定篩縫尺寸，可使整體分級效率達到90%以上，效果優于其他工藝組合。現場應用效果見表1。

表1 現場生產數據統計

由表1可以看出：該工藝組合對粗精煤回收過程中脫除高灰細泥效果十分明顯，溢流水、篩下水中不跑粗，且能對低灰分的粗顆粒進行有效回收，使粗精煤產品質量和回收率都得到了保證。

該工藝組合目前已在邯鄲、太原、烏海等地區多個選煤廠推廣應用，與其他回收工藝相比，粗精煤中夾雜的高灰細泥比例大大降低，產品灰分更容易保證，有效解決了主分選工藝環節的“背灰”問題，提高了精煤產率。

4 結語

選煤廠中粗煤泥的分選和回收極其重要，直接影響著選煤廠的平穩運行和經濟效益。目前的選煤工藝中，粗煤泥分選環節的分選下限一般已經達到0.25 mm，甚至更低。為提高精煤的總體回收率，選后粗精煤的回收工藝既要保證有效回收，又要盡量脫除高灰細泥。但目前尚缺乏單一、有效的分級回收設備，還需要通過幾種設備優化組合來有效回收粗精煤，造成粗精煤回收工藝比較復雜，今后各選煤廠可根據各自實際情況和產品指標的要求來合理組配使用。