三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)天花板的觸碰與探索

衛(wèi)中寬，郭大林，史英祥

(中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段在線調(diào)節(jié)是困擾重介選煤生產(chǎn)的難題，目前國內(nèi)選煤廠多采用更換底流口的方式來調(diào)整二段旋流器的分選效果。因更換底流口必須在停車狀態(tài)下完成，往往造成調(diào)節(jié)滯后。近年來，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器大型化、定制化成果有目共睹，但存在的瓶頸問題一直沒得到妥善解決，似乎到了一個技術(shù)的天花板，無法逾越。筆者引入二段雙供介的理念，提出內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)的概念，相較傳統(tǒng)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，通過在二段旋流器筒體上增設(shè)一個供介口，將來自中煤、矸石脫介篩的合格介質(zhì)引入，形成一個小的二段供介內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，來解決三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段在線調(diào)節(jié)問題。這種新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及配套工藝在國內(nèi)外尚屬首例，打破了現(xiàn)有三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)的天花板，豐富了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的應(yīng)用，為煤矸精確分離與精細化選煤開展了有益嘗試，填補了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段在線調(diào)節(jié)研究領(lǐng)域的空白，對我國選煤技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的發(fā)展歷程

1.1 三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器盛行的歷史

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器雖起源于國外，但在中國得以廣泛應(yīng)用，并開啟了大型化、定制化裝備實踐之先河，推動中國選煤技術(shù)取得了長足進步，為世界選煤工業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻。其中具有里程碑意義的事件是1999年1200/850型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及成套洗選工藝在貴州老屋基選煤廠成功應(yīng)用[1]，單系統(tǒng)處理能力達到1.5 Mt/a，標(biāo)志著我國重介質(zhì)選煤技術(shù)發(fā)展邁入了快車道。此后伴隨著國家選煤廠建設(shè)的熱潮，以三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器為核心設(shè)備的大型選煤廠如雨后春筍般拔地而起，逐步形成了中國選煤史上重介工藝一統(tǒng)天下的局面，擴展范圍至今仍在延續(xù)。

1.2 三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分類與發(fā)展

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器按給料方式可分為兩類，即有壓給料和無壓給料，通常所說的有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，嚴格來講，應(yīng)該稱為“周邊(有壓)給料圓筒、圓錐旋流器并式串聯(lián)選三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器”，無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器則應(yīng)該稱為“中心(無壓)給料圓筒、圓錐旋流器并式串聯(lián)選三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器”[2-3]。從工藝設(shè)計的角度重介選煤可分為脫泥或不脫泥工藝，一般情況下脫泥工藝附帶單獨的粗煤泥分選環(huán)節(jié)，而不脫泥工藝附帶煤泥重介工藝。進入21世紀后，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的研發(fā)方向主要瞄準(zhǔn)提高單機處理能力，從大型化、定制化、精細化的方向起步，開發(fā)了一系列大規(guī)格的單機裝備，目前最大直徑已達1 500 mm[4]，單機處理能力也有700 t/h的先例[5]。

1.3 三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器推廣應(yīng)用大事記

1999年1200/850型不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在老屋基選煤廠應(yīng)用[1](附帶煤泥重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng))。

2003年1300/920型不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在火燒鋪選煤廠應(yīng)用[6]。

2004年1200/850型脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在響水選煤廠應(yīng)用[7](附帶干擾床分選機分選系統(tǒng))。

2004年1400/1000型不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在老屋基選煤廠應(yīng)用[8](擴能改造工程)。

2005年1200/850型脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在張雙樓選煤廠應(yīng)用[9](粗煤泥采用干擾床分選機分選系統(tǒng))。

2007年3SNWX1300/920脫泥一段雙供介無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在晉陽選煤廠應(yīng)用[10]。

2009年1500/1100型不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在棋盤井選煤廠應(yīng)用[11]。

2009年1400/1050不脫泥一段雙供介無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在鮑店選煤廠應(yīng)用[12](附帶煤泥重介質(zhì)旋流器分選系統(tǒng))。

2010年1500/1100一段四供介無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在火石咀選煤廠應(yīng)用(入料粒度為60～25 mm)[4]。

2010年1500/1100型不脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在顧橋選煤廠應(yīng)用[13]。

2010年1400-880/850型雙錐體不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在百靈選煤廠應(yīng)用[14]。

2012年1300/920型雙錐體脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在中興選煤廠應(yīng)用[15]。

2016年定制開發(fā)的超級旋流器在南關(guān)選煤廠應(yīng)用[16](替代原有1200/850型不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器)。

2018年定制開發(fā)的超級旋流器在臨渙選煤廠應(yīng)用[5](替代原有1300/920型不脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器)。

1.4 突出貢獻單位

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器之所以取得如此多的成就，與科研單位、制造單位、設(shè)計單位、運營單位的精誠合作與推廣實踐密不可分。特別要提及的是原煤科總院唐山分院，在老一輩科研工作者的帶領(lǐng)下，從計劃經(jīng)濟時代開始就一直從事三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的研發(fā)工作，在理論研究與工程實踐中均取得了豐碩的成果，為大型旋流器的誕生奠定了基礎(chǔ)。中國礦業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)、山東科技大學(xué)等單位一直致力于煤炭領(lǐng)域三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器方面的理論研究，并培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的專業(yè)人才，為三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的迅速普及培養(yǎng)了生力軍。2000年以后，唐山國華科技公司逐步引領(lǐng)了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的發(fā)展潮流，推出了一系列大型定制化三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，掀起了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器迭代性革命的開始。這期間，威海海王旋流器公司作為專業(yè)化的設(shè)備制造商，為三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的大范圍推廣起到了規(guī)模支撐效應(yīng)，市場占有率穩(wěn)居第一。各設(shè)計公司均優(yōu)先選用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，并結(jié)合設(shè)計不斷改進工藝流程，把設(shè)備的優(yōu)勢發(fā)揮到了極致，為設(shè)備的優(yōu)化升級提出了寶貴的建設(shè)性意見，催生了三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)向著更高層次邁進。各運營單位提供了現(xiàn)場試驗條件，積累了大量運行數(shù)據(jù)，成為檢驗理論研究的最佳場所，信息反饋使得三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器技術(shù)不斷精進，從而更好地服務(wù)于生產(chǎn)。眾多單位的共同努力，使得中國選煤技術(shù)在世界上占有一席之地，擁有了更多的業(yè)內(nèi)話語權(quán)。

2 使用中的瓶頸問題

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器最大優(yōu)勢就是采用一套介質(zhì)系統(tǒng)和一臺洗選設(shè)備可一次性完成三種物料的分選，從而使重介分選工藝大大簡化，運營成本大幅降低，這種短流程相較于主再選工藝操作簡單，管理便捷，次生煤泥量少，切中了國內(nèi)煤炭工業(yè)發(fā)展的脈搏，是其迅速推廣的主要原因。

三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器無法實現(xiàn)二段分選效果在線自由調(diào)整，一直是其備受詬病的主要原因。據(jù)了解，大部分采用三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的選煤廠二段分選均存在問題，以山西高陽選煤廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例進行說明。該廠生產(chǎn)能力為6.0 Mt/a，主廠房有三套系統(tǒng)，單系統(tǒng)處理能力均為2.0 Mt/a，分別稱為A、B、C系統(tǒng)，其中A、B系統(tǒng)為脫泥有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器主再選工藝，而C系統(tǒng)采用了單套介質(zhì)系統(tǒng)的脫泥有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝。入選原煤全部來自本礦，煤源一致，選煤廠整體裝備水平較高，技術(shù)管理規(guī)范，化驗數(shù)據(jù)真實。

表1為2017年3—4月該選煤廠生產(chǎn)技術(shù)檢查臺賬中中煤的快浮數(shù)據(jù)統(tǒng)計。選煤廠實際生產(chǎn)時每個班中煤產(chǎn)品做一兩個浮沉樣，收集了6份試驗數(shù)據(jù)，與2016年全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)相比，反映的趨勢基本一致，因此，表1數(shù)據(jù)具有較強的代表性，屬該選煤廠的常態(tài)。

從表1可以看出，A、B系統(tǒng)中煤帶矸(>1.8 g/cm3)平均為24.19%，中煤產(chǎn)品以1.4～1.8 g/cm3密度級為主，呈良態(tài)分布。C系統(tǒng)中煤帶矸(>1.8 g/cm3)平均高達73.84%，中煤產(chǎn)品以>1.8 g/cm3密度級為主，中煤帶矸十分嚴重，說明三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的二段分選效果較差。該廠C系統(tǒng)的中煤發(fā)熱量不到9.21 MJ/kg，遠小于A、B系統(tǒng)中煤16.74 MJ/kg左右的發(fā)熱量，C系統(tǒng)中煤因含大量矸石，銷售途中將產(chǎn)生一半的無效運輸，且發(fā)熱量過低時，有滯銷的可能。

表1 山西高陽選煤廠中煤快浮數(shù)據(jù)統(tǒng)計

上述現(xiàn)象在濟寧、邯鄲礦區(qū)均長期存在，濟寧霄云選煤廠中煤帶矸超過20%，邯鄲觀臺選煤廠中煤帶矸在15%～30%之間波動，這樣的例子不勝枚舉。生產(chǎn)中的普遍做法是保兩頭，即保證精煤不超灰，保證矸石少帶煤，無視中煤質(zhì)量。原因主要是在現(xiàn)有技術(shù)條件下，在線改善二段分選效果的方法已出現(xiàn)“瓶頸”，窮盡了多種思路，但收效甚微。

現(xiàn)常用的二段調(diào)節(jié)方法有兩種：其一是調(diào)節(jié)二段溢流管的插入深度，其二是改變底流口直徑。調(diào)節(jié)二段溢流管插入深度需要對二段結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，增加伸縮系統(tǒng)，但在現(xiàn)場使用中往往因為伸縮系統(tǒng)銹死而無法在線調(diào)節(jié)，形同虛設(shè)，多已棄之。而更換底流口需在停車狀態(tài)下進行，不僅影響連續(xù)生產(chǎn)，且更換工作量大，工作環(huán)境也比較臟，現(xiàn)場不得已而為之。傳統(tǒng)無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

3 跨維度的解決思路

3.1 新思路的啟迪

重介質(zhì)旋流器的調(diào)節(jié)主要有兩種途徑，一是調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，二是調(diào)整操作參數(shù)。對于三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的二段，以往普遍通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善其分選效果，因為是由設(shè)備制造單位主導(dǎo)，所以表現(xiàn)為調(diào)節(jié)溢流管和底流口，包括定制化的超級旋流器中修改一二段連接管的長度及過流面積等。這些改進措施都是從調(diào)整機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的視角出發(fā)的。

受原煤科總院唐山分院研發(fā)的一段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的啟發(fā)，筆者聯(lián)想到三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段也可以進行雙給介設(shè)計，一個給介口來料是一段旋流器的重產(chǎn)物，另一個給介口可以單獨給入一股介質(zhì)流，這樣就可以從工藝操作的角度解決二段旋流器在線精確調(diào)節(jié)問題。

3.2 再現(xiàn)重介系統(tǒng)的運行過程

如果二段采用雙供介，這股單獨的介質(zhì)流從哪里來才能既不影響一段的分選效果，又不使整個工藝系統(tǒng)變得復(fù)雜，且不增加過高的投資與運行成本？這里需要回顧一下維持重介系統(tǒng)平衡的條件。重介分選系統(tǒng)是一個液固兩相流的混合分選體系，運行過程中進入系統(tǒng)的物料有煤、煤泥、補加水、磁選精礦、補加介質(zhì)，排出系統(tǒng)的物料有精煤、中煤、矸石、磁選尾礦。運行過程如圖2所示。

圖2 重介系統(tǒng)運行過程

有以下三點需要說明：

(1)系統(tǒng)穩(wěn)定后，所需的煤泥量是恒定的，進入系統(tǒng)的多余煤泥需要通過分流來解決，一般采用脫泥工藝后，進入系統(tǒng)的煤泥量少，分流量很小或不分流。

(2)補加水的原因是將磁選精礦調(diào)整到合格介質(zhì)所需要的密度，由于介質(zhì)損耗，補加水量是不斷減少的，合格介質(zhì)桶的液位是不斷下降的，下降幅度與介耗有關(guān)，介耗大則下降快，介耗小則反之，待桶位達到設(shè)定液位下限時，即需要補加介質(zhì)，并補充水。如果桶容較大，則補加介質(zhì)的頻次非常低。

(3)脫泥篩噴水、脫介篩噴水容易給人誤導(dǎo)，其實二者并未進入重介分選系統(tǒng)，因脫泥而帶入系統(tǒng)的水量以及磁選精礦帶入的水量可忽略不計。

因此，重介選煤廠生產(chǎn)過程中，一般只控制一個因素，就是補加水，補加地點往往為合格介質(zhì)桶或合介泵入料口管路上。

3.3 內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)的引入

通過研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)系統(tǒng)可劃分為內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)兩個區(qū)域，只要二段這股單獨的介質(zhì)流來自內(nèi)循環(huán)，就不會影響一段的分選效果，且可以達到調(diào)節(jié)二段密度的目的。下面以一個典型的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝(圖3)為例進行說明。

圖3 新開發(fā)的二段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器介質(zhì)系統(tǒng)設(shè)備流程

由圖3可看出：系統(tǒng)中增加了一個小的二段介質(zhì)桶(保證有溢流，且溢流至一段合介桶)，其來料可由以下四種物料按不同比例搭配來實現(xiàn)調(diào)節(jié)二段的介質(zhì)密度：①精煤合格介質(zhì)；②中煤合格介質(zhì)；③矸石合格介質(zhì)；④介質(zhì)系統(tǒng)補充水(用于稀釋磁選精礦的水量)。內(nèi)循環(huán)區(qū)域設(shè)備主要有二段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、精煤脫介篩、中煤脫介篩、矸石脫介篩、分流箱、二段雙供介入料桶及泵。外循環(huán)區(qū)域設(shè)備在內(nèi)循環(huán)基礎(chǔ)上，增加了磁選機、補加水、補加介系統(tǒng)。從圖3中可看出，二段雙供介系統(tǒng)處于內(nèi)循環(huán)區(qū)域，二段介質(zhì)桶來料無論怎么變化，改變的只是進入二段物料的比例，調(diào)節(jié)的僅為二段密度，由于溢流一直存在，進入一段合格介質(zhì)桶的物料沒有變化。因此，一段旋流器的運行狀況不會受任何影響，一段分選精度和分選密度也不會發(fā)生變化，精煤質(zhì)量不受影響。

上述四種來料比例可以任意選擇，從而實現(xiàn)更寬范圍的二段分選密度調(diào)節(jié)。如果采用加水的方式，需維持介質(zhì)系統(tǒng)中總的補充水量不變。此外，不建議使用精煤合介，以免造成精煤泥損失。最好的做法是只引入中煤合介與矸石合介，通過調(diào)節(jié)二者的比例來調(diào)整二段的分選密度，改善二段的分選效果。

3.4 新產(chǎn)品與新工藝研發(fā)

針對無壓和有壓兩種典型的入料方式，中煤天津設(shè)計公司研發(fā)團隊開發(fā)了無壓、有壓新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其配套工藝(定名為高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器)，并開發(fā)了配套工藝的二段密度控制系統(tǒng)。兩種高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其配套工藝如圖4—圖7所示。

圖5 高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器典型配套工藝設(shè)備流程(無壓系列)

圖6 高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器(有壓系列)

圖7 高精度三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器典型配套工藝設(shè)備流程(有壓系列)

4 創(chuàng)新點與愿景展望

4.1 主要創(chuàng)新點

(1)首次提出了介質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)區(qū)域和外循環(huán)區(qū)域的概念，開發(fā)了新型二段雙供介三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器及其配套工藝，填補了該研究領(lǐng)域的空白，是對傳統(tǒng)工藝的補充與完善，對提高中煤質(zhì)量，減少無效運輸具有積極意義。

(2)在單一介質(zhì)系統(tǒng)條件下，采用新裝備與新工藝，實現(xiàn)了二段旋流器分選效果動態(tài)在線調(diào)節(jié)，提高了二段旋流器的分選精度，將二段調(diào)節(jié)方式研究視角從注重調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)移到了工藝系統(tǒng)變革，探索出一條實現(xiàn)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段精確分選的新途徑，是一次選煤工藝設(shè)計上的創(chuàng)新。

(3)二段雙供介系統(tǒng)可開可不開，提高了重介系統(tǒng)二段在線調(diào)整的靈活性，且輔助設(shè)備少，工藝簡單，便于布置，增加投資不多，市場易接受。

4.2 愿景與展望

(1)隨著新工業(yè)革命的到來，流體模擬與仿真技術(shù)將進一步賦能煤炭行業(yè)，如果煤源穩(wěn)定，未來定制化開發(fā)將成為主流。但中國以井工礦為主，且開采難度逐年增加，造成煤質(zhì)波動頻繁，設(shè)備選型與工藝布置時一定要考慮這些因素，預(yù)留一定的富余空間是必要的。下一步研題將會探索適度降低一段旋流器的入料壓力或流量，在節(jié)能降耗的前提下，實現(xiàn)二段分選效果的在線調(diào)節(jié)，并探索二段的調(diào)節(jié)范圍與初始結(jié)構(gòu)的匹配性，最大限度地適應(yīng)多變的煤質(zhì)。

(2)大型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器盛行多年，理論研究嚴重滯后，要邁向世界選煤強國，這些軟實力的提升是不可或缺的。只有做到實踐與理論雙驅(qū)動，且與時俱進，工業(yè)體系才會趨于更完善。

(3)隨著時代的發(fā)展，任何事物都有突破的空間，有的甚至是迭代性的，創(chuàng)新無止境。就像三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器一樣，突破了這層天花板，該技術(shù)會再上一個新臺階。