易碎無煙煤保塊洗選工藝探索與實踐

謝登峰，王 杰，王海囡，張 軍，李炳辰

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；2.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000)

1 概 述

晉城地區無煙煤除具有低灰、低硫、低揮發分、高發熱量等特點外，還具有機械強度高、固定碳含量高、灰熔點高、熱穩定性好、化學反應活性強等獨特優勢，是優質的化工造氣、冶金噴吹、燒結、發電和建材用煤[1]，產品暢銷全國各地。無煙塊煤是固定氣化床的優質原料，是無煙煤產業的重要利潤來源[2]。無煙煤保塊是實現煤礦企業經濟效益最大化的基礎，需從采、運、選、儲等各作業環節做起，而在洗選環節如何最大程度地保護塊煤率是無煙煤選煤廠工藝設計的重點與關鍵[3]。

無煙煤選煤廠保塊洗選工藝的選擇和確定與原料煤質量特征、洗選工藝密切相關。以晉煤集團宏圣煤炭物流貿易有限公司沁水龍港煤炭加工配送中心為例，該廠為群礦型選煤廠，原料煤主要來自晉圣億欣煤業有限公司15號煤層及部分2號煤層的原煤，部分來自晉圣松峪煤業、晉圣三溝鑫都煤業等周邊整合煤礦的原煤及其他外購原煤。選煤廠設計原煤處理能力2.4 Mt/a，按330 d/a、16 h/d計，則選煤廠原煤處理能力為454.55 t/h。

根據市場需求，選煤廠產品結構為：

(1)洗中塊：80～25 mm，灰分Ad≤17%，水分Mt≤10%，主要作為氣化用煤；

(2)洗小塊：25～6 mm，灰分Ad≤17%，水分Mt≤10%，主要作為氣化用煤；

(3)洗混煤：小于6 mm，灰分Ad20%～22%，水分Mt≤10%，發熱量Qnet，ar22.18～23.01 MJ/kg，產品可作動力用煤，也可作為化工用煤。

2 易碎原煤保塊洗選工藝探索與實踐

2.1 原料煤質量特征分析

2.1.1 原煤大篩分資料分析

沁水龍港煤炭加工配送中心原煤大篩分試驗結果見表1。

表1 原煤大篩分試驗結果

從表1中可以發現：

(1)根據GB/T 5751—2009《中國煤炭分類》，原煤干燥無灰基揮發分為8.73%，低于10%，高于6.5%，入洗原煤類別為無煙煤三號。

(2)根據GB/T 15224—2018《煤炭質量分級》，原煤灰分為29.13%，為中灰煤；原煤全硫為3.12%，為高硫煤；高位干基發熱量23.36 MJ/kg，為中發熱量煤。

(3)主導粒度級為3～0.5 mm，產率為29.70%，灰分為22.02%；次主導粒度級為13～6 mm，產率為18.61%，灰分為33.45%；小于0.5 mm煤泥含量為17.78%，煤泥灰分18.99%，在各粒度級物料中灰分最低。

(4)原煤中大于50 mm物料產率最低，僅為3.14%，而其灰分最高，達59.44%。

(5)隨著粒度減小，原煤灰分逐級降低。塊原煤灰分最高，煤泥灰分最低。

(6)小于6 mm粉原煤產品產率為59.58%，灰分為21.56%，說明基于當前煤質，通過6 mm篩分篩下粉原煤基本能夠滿足混煤產品質量要求。當煤質變差時可以適當增加小于6 mm粉原煤的入洗量。

綜上所述，本廠原煤易碎，且末煤含量大。

2.1.2 原煤浮沉資料分析

沁水龍港煤炭加工配送中心原煤50～0.5 mm自然級浮沉組成見表2。

表2 原煤50～0.5 mm自然級浮沉組成

從表2中可以發現：

(1)主導密度級為小于1.4 g/cm3，其物料占本級產率為34.78%，大于2.0 g/cm3密度級物料占本級產率次之，為25.66%。

(2)各密度級產物的硫分差距不大，說明原煤中硫的賦存以有機硫為主。

(3)當分選密度為1.8 g/cm3，原煤洗選排矸后，精煤產品理論產率為69.44%，理論灰分12.64%左右。

綜上所述，原煤洗選可以有效降低產品灰分，使其滿足產品質量需求。

2.1.3 入選原煤浮沉組成分析

沁水龍港煤炭加工配送中心80～6 mm入洗煤浮沉組成見表3。

表3 80～6 mm入洗煤浮沉組成

從表3中可以發現：

(1)主導密度級為大于2.0 g/cm3，其物料占本級產率為39.78%，小于1.4 g/cm3密度級物料占本級產率次之，為20.91%，原煤密度分布呈現兩頭大中間小；

(2)當生產灰分≤17%洗中塊、洗小塊產品時，理論分選密度在1.9 g/cm3左右；

(3)排矸分選時，原煤可選性等級為中等可選。

根據表3繪制的入選原煤可選性曲線見圖1。

圖1 入選煤可選性曲線

2.2 易碎無煙煤保塊洗選設備的比選

對于生產塊煤的選煤廠，當前成熟可靠的洗選工藝主要有動篩分選、跳汰分選、重介淺槽分選、大直徑重介旋流器分選、塊煤射線識別風力干選等，下面就上述主流洗選工藝進行定性分析。

2.2.1 動篩分選

動篩選煤工藝的主要分選設備是動篩跳汰機，它是跳汰機的一種，為水力分選設備[4]。工作時，槽體中水流不脈動，直接靠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。動篩跳汰機具有結構簡單、用水量少、單位能耗低、處理能力大、入料粒級寬(350～35 mm)、分選效果好等優點，適用于粗粒物料的排矸分選，可以代替人工揀矸或重介排矸進行動力煤分選。

2.2.2 跳汰分選

跳汰選煤工藝的主要分選設備是跳汰機，它是指物料床層在上下交變水流的作用下按密度分層進而實現煤矸分離的過程[5]。跳汰分選工藝流程簡單、處理能力大、維護管理方便、生產成本低、分選易選性煤可以獲得較高的數量效率，處理中等可選性煤也能達到較好的工藝指標[6]。跳汰入料粒級寬，分選上限可達100 mm，分選下限為0.3～0.5 mm。

2.2.3 重介淺槽分選

礦粒借助重懸浮液在重力場中按密度完成分選過程所用的設備稱為重介質分選機[7]。重介淺槽分選具有處理能力大、分選精度高、重介懸浮液循環量少、自動化程度高等優點，對煤質波動適應性強。重介淺槽入料粒級寬，分選上限可達200 mm，分選下限為13(6) mm。

2.2.4 大直徑重介旋流器

重介旋流器是一種利用離心力場強化礦物在重介質中分選的設備，具有結構簡單、無運動部件、分選效率高等優點，對難選和極難選細粒礦物也能獲得精確的分選。對于選煤來說，重介旋流器的入料粒度上限一般是50 mm，有效分選下限可達0.15 mm。近年來，隨著大直徑重介旋流器的成果應用[8-9]，其入料粒度上限可達80～100 mm。

從入料方式上看，重介旋流器有無壓給料和有壓給料兩種方式。無壓給料是指原煤與重介懸浮液分開給入旋流器，而有壓給料是指原煤與重介懸浮液混合后通過渣漿泵輸送給入重介旋流器。

2.2.5 塊煤射線識別風力干選

塊煤射線識別風力干選[10]是指塊原煤在運輸過程中借助X射線識別并分離塊煤與塊矸的選別，近年來推廣應用較快，產品相對成熟可靠。塊煤干選的粒級寬，分選上限可達300 mm，分選下限為50～25 mm。

沁水龍港煤炭加工配送中心選煤廠為群礦型選煤廠，設計處理能力2.4 Mt/a。原料煤來自多座煤礦及部分外購原煤。結合本廠產品結構及原料煤質量特征分析結果，可以發現：

(1)本廠原煤的洗選粒度下限為6 mm，當原料煤質量變差時，6 mm以下原煤也有洗選可能性。因此，可以排除塊煤射線識別風力干選方案。

(2)動篩一般適用于35 mm以上塊原煤排矸洗選，6 mm脫粉后的原煤若用動篩分選，其分選精度低。若采用塊、末分洗，則洗選系統過于復雜，不利于節約建設成本及生產成本。因此，不建議采用動篩洗選工藝。

(3)根據入選原煤浮沉組成分析結果，當生產灰分不大于17%的洗中塊和洗小塊產品時，理論分選密度在1.9 g/cm3左右。生產實踐表明，1.8 g/cm3及以上的重介懸浮液配置困難，采用重介淺槽洗選工藝將不可避免的造成產品損失。此外，由于本廠末煤含量大，6 mm以上原煤均需入洗，重介淺槽分選13～6 mm原煤的精度較低，也會造成不必要的損失。因此，可以排除重介淺槽洗選工藝。

(4)原料煤可選性等級為中等可選，但原料煤來源多樣、質量波動大。此外，當前跳汰機自動化程度有待提高，操作因素影響選后產品數質量。因此，不推薦采用跳汰洗選工藝。

(5)由于本廠原煤易碎，原煤靠自重給入重介旋流器可減少塊煤破碎程度。因此，采用無壓給料比有壓給料更有優勢。

綜上，選擇無壓給料大直徑重介旋流器是最佳洗選設備。選煤廠處理能力為454.55 t/h，結合當前洗選設備現狀，單套洗選系統即可滿足生產需要。

2.3 易碎原煤保塊洗選工藝實踐

沁水龍港煤炭加工配送中心選煤廠洗選工藝為：原煤經6 mm分級，小于6 mm末原煤不分選直接摻入混煤產品，80～6 mm物料進入大直徑無壓三產品重介質旋流器進行分選，分選出精煤、中煤、矸石3種產品。精煤與中煤混合后經精煤預先脫介篩和精煤振動脫介篩脫介脫水分級，80～25 mm粒級直接作為洗中塊產品，25～6 mm粒級直接作為洗混塊產品，6～0.5 mm末精煤進入末精煤離心機脫水后摻入混煤產品。矸石經矸石預先脫介篩和矸石振動脫介篩脫介脫水后直接作為矸石產品。

精煤預先脫介篩部分合格介質及精煤振動脫介篩、矸石預先脫介篩、矸石振動脫介篩下的合格介質返回合格介質桶循環使用，精煤、矸石稀介質和精煤預先脫介篩分流出的部分合格介質進入稀介桶，經磁選機回收介質，磁選精礦返回合格介質桶，磁選尾礦進入磁選尾礦桶。

磁選尾礦通過分級旋流器進行濃縮分級，底流經振動弧形篩脫水后進入煤泥離心機進一步脫水，脫水后的粗煤泥摻入混煤產品。濃縮旋流器組的溢流、振動弧形篩篩下水及煤泥離心機離心液進入濃縮機濃縮。濃縮機底流經壓濾機脫水，濾餅作為煤泥產品，濾液返回濃縮機，實現洗水閉路循環。

80～25 mm洗中塊及矸石分別運至洗中塊倉和矸石倉儲存，經汽車外運；25～0.5 mm末精煤運至產品倉經6 mm分級篩進行篩分，25～6 mm作為洗混塊產品，小于6 mm物料作為混煤產品運至混煤倉。壓濾煤泥作為煤泥產品。

選煤廠原則工藝流程見圖2。根據煤質計算結果，選煤廠主要設備規格型號見表4。選煤廠自建成以來運轉效果良好。

圖2 沁水龍港煤炭加工配送中心選煤廠原則工藝流程

3 結 語

沁水龍港煤炭加工配送中心選煤廠原料煤來自晉圣億欣、晉圣松峪、晉圣三溝鑫都等周邊煤礦及部分外購原煤。原料煤中末煤含量大且易碎，為提高選煤廠效益，需多產洗中塊和洗小塊，通過設備比選，最終確定采用大直徑無壓三產品重介旋流器洗選工藝。根據煤質和流程計算結果，確定了選煤廠主要設備規格型號及數量。

選煤廠自2019年年初建成以來，系統原煤處理能力一直穩定在550 t/h上下，旋流器合格介質密度1.55～1.58 g/cm3，精煤灰分16.90%～16.96%，排矸密度達到1.9 kg/cm3以上，在保證精煤質量的同時，實現了高密度排純矸、精煤產率最大化的生產要求。