烏東煤礦原煤可選性分析及選煤工藝研究

巴玉龍

(國家能源集團新疆能源有限責任公司 烏東洗選廠，新疆 烏魯木齊 830027)

煤炭洗選在我國煤炭資源開發中占據著重要地位。在中央《煤炭開采和洗選業行業發展“十三五”規劃綱要》中，明確提出至2020年煤炭開采和洗選行業目標，即整體增長幅度應在30%以上。為響應煤炭行業發展要求和滿足能源需求，各地也相繼出臺地方指導性促進政策，以實現行業滲透率提升。在此背景下，煤炭開采和洗選行業享受到豐富的政策紅利，使行業發展迎來前所未有之機遇。西方發達國家在煤炭洗選行業較為注重對新型工藝的應用和技術創新，而我國則更側重于規模建設，在洗選工藝上仍然存在巨大差距，致使我國煤炭洗選行業受到扼制。根據2019年統計數據顯示，我國全年煤炭開采和洗選業總收入2.266萬億元，增幅達到5.5%，利潤總額為2 882億元，增幅為5.2%。2020年將進一步擴大洗選中心配套規模，注重選煤設施的改造升級，使原煤入選能力達到32億t以上，入選率實現75%的全新突破。

1 烏東選煤廠煤炭洗選概況

洗選中心烏東選煤廠位于烏魯木齊市東郊，距市區40 km，行政歸屬為烏魯木齊市米東區。近年來，隨著煤炭市場需求的增加，為適應市場發展格局，提升煤炭洗選能力和實現資源整合，實現礦井集中出煤、集中排水，公司提出了“四礦聯合技術改造”項目，以此推動煤礦產業的升級。洗選中心烏東選煤廠由原鐵廠溝、堿溝、大洪溝和小紅溝等4個生產礦井構成，依托對各煤礦資源的整合開發，加強對煤炭深部煤炭資源的聯合利用。地緣上，烏東井田地處準噶爾盆地南緣，屬博格達山前丘陵地形。

洗選中心烏東選煤廠是國家能源集團新疆能源有限公司下屬企業，主要服務于烏東煤礦。烏東選煤廠作為大型、礦井型選煤廠，設計年處理原煤量為8.00 Mt/a，每小時可處理1 515.15 t原煤。主要由該礦生產原煤6.0 Mt/a，以及六道灣煤礦、葦湖梁煤礦及周邊小煤礦2.0 Mt/a外來煤組成，從運輸方式上看，該礦以帶式輸送機進行原煤運輸，外來煤則采取汽車運輸入廠。

2 烏東煤礦原煤可選性分析

經烏東煤礦生產煤樣分析，包括鐵廠溝、堿溝、小紅溝及大洪溝等煤礦，粒度>13 mm塊煤含量平均為49.73%，在烏東煤礦設計環節，將原煤粒度>13 mm塊煤產率以50%計。

2.1 篩分分析

根據原煤篩分試驗結果顯示，當原煤粒度級為25～13 mm、3～0.5 mm時，其產率相對較低，其余產率變化幅度微弱。參考所提供的原煤樣本數據，+50 mm級矸石產率占比為7.35%，在本粒級中占比為33.55%，由此確定樣本為高含矸量煤，應對煤塊采取排矸處理。另外，原煤粉分與粒度級間比例關系為，灰分隨粒度變小而降低，但粒度<0.5 mm粉煤灰分則例外，其增幅甚至達到27.47%，由此可見，高灰分物在粒度<0.5 mm原生煤泥中含量較大。

2.2 浮沉分析

原煤篩分浮沉試驗結果顯示，在不同原煤粒級中，當實驗數值為1.40 g/cm3時，密度物含量可達51.88%以上，且灰分相近；當實驗數值為1.5～2.0 g/cm3時，則密度物含量較少；當實驗數據密度>2.0 g/cm3時，矸石含量高，且隨原煤粒級減小而逐步降低。當原煤粒度>13 mm時，矸石含量為26.72%～36.87%，含量較高，需分選排矸。另外，當粒度<50 mm時，則浮沉煤泥灰分顯著高于原生煤泥灰分，由此可以發現矸石易泥化的特點。

2.3 可選性分析

通過煤礦實驗室數據分析，200～13 mm級原煤可選性曲線如圖1所示。

圖1 200～13 mm級原煤可選性曲線Fig.1 Washability curve of 200 ～ 13 mm grade raw coal

由煤礦實驗數據可知，在烏東選煤廠200～13 mm級原煤中，極難選煤標準：分選密度達到1.30 g/cm3，δ±0.1含量為84.64%；中等可選煤標準：分選密度為1.40 g/cm3，δ±0.1含量為19.25%；易選煤標準：分選密度為1.50～1.90 g/cm3時，δ±0.1含量<10.0%。

通過實驗室數據分析，13.0～0.5 mm級原煤可選性曲線如圖2所示。

圖2 13.0～0.5mm級原煤可選性曲線Fig.2 Washability curve of 13.0～0.5 mm grade raw coal

由實驗數據可知，烏東選煤廠對于13.0～0.5 mm級原煤，極難選煤標準：分選密度為1.30 g/cm3時，δ±0.1含量為90.93%；中等可選煤標準：分選密度為1.40 g/cm3時，δ±0.1含量為12.08%；易選煤標準：分選密度為1.50～1.90 g/cm3時，δ±0.1的含量<10.0%。

3 煤炭洗選設備選型

針對烏東選煤廠煤炭洗選實際，以洗選中心建設為核心，在設備選型中制定先進、節能、可靠、高效的先用指標，盡量以國內先進技術設備為主，配合引進國外先進成熟技術設備，形成了較為完善的設備保障體系，實現國內外技術設備集中融合應用。另外，在設備先型時兼顧通用性，運用系列化采購和選擇的理念，為后續設備的組合與升級預留空間，同時便于零部件的配備。烏東選煤廠煤炭洗選工藝設備選型見表1。

表1 烏東選煤廠工藝設備選型Tab.1 Selection of process equipment in Wudong Coal Preparation Plant

4 分選粒級、選煤方法及工藝流程

4.1 分選粒級

烏東選煤廠分選粒限為200～13 mm，13～0 mm末煤不入洗。即原煤入廠前將粒度>200 mm的特大塊產品篩出，直接作為民用產品進入市場銷售。烏東選煤廠入場標準為200～0 mm的各粒級原煤。根據原煤篩分浮沉試驗資料，烏東選煤廠所洗選的原煤中，矸石含量較高的為粒度>13 mm粒級原煤，占比在26.72%～36.87%，需要進行排矸。當原煤粒級<13 mm時，原煤灰分為22.93%，將無法滿足產品應用需求。由此可知，烏東選煤廠在分選料級時，應將分選下限設置為13 mm，并借助混合13～25 mm塊精煤的方式，改善其產品應用效果和質量。因此，烏東選煤廠應以200～13 mm為分選粒限。另外，通過對煤炭產品供應消費市場需求，烏東選煤廠混煤產品主要用戶是電廠、集中供熱鍋爐等行業，由于較大的需求及長期的合作前景，因此，烏東選煤廠將混煤產品作為主導，對13～0 mm末煤不入洗，預留末煤洗選的可能性。

4.2 選煤方法

目前，烏東煤礦根據其煤質的特點，在煤炭洗選加工中主要以粒度>13 mm級塊煤排矸為主，采用的塊煤排矸方法主要有2種，即塊煤動篩跳汰排矸和塊煤重介分選排矸。

(1)動篩跳汰排矸屬簡便型方法，包括工藝系統簡單、能耗低、投資少等特點，在技術應用過程中管理便利，維護工作簡單，水資源使用量較少。但由于其工藝技術單一，其入選下限相對較高，僅能達到25 mm，而烏東選煤廠在生產中涉及大量粒度>13 mm塊煤篩選及13 mm以下末煤加工，因此，該技術應用渠道較為狹窄。

(2)重介分選排矸與前述技術相比，具備精度高、自動化程度高、煤質適應性強等優勢，并且其單機處理效率較高。但也存在相應的技術弊端，即系統更為復雜，高技術配套設備眾多，增加了選煤投入和生產成本。相比之下，重介分選排矸技術可以滿足13 mm的分選粒度下限，且能夠較好適應煤質及市場變化，對于生產調整具有顯著優勢，因此在烏東選煤廠被重點應用，作為主要的排矸技術。

4.3 工藝流程

烏東選煤廠在煤炭洗選中，具體工藝流程：①原煤預先按照200 mm進行初篩，將粒度>200 mm塊煤以手選揀矸方式篩選，作為特大塊產品。再將粒度200～0 mm原煤按照13 mm進行分級，13 mm以下末原煤可直接作為混煤產品。②使用篩孔為φ3 mm的脫泥篩，對粒度>13 mm塊煤進行脫泥，再將脫泥后原煤加入重介淺槽分選機實施分選作業，將矸石和洗塊煤選出。③應用篩孔為φ1 mm和φ25 mm脫介篩對洗塊煤實施脫介分級，篩孔為φ100 mm分級篩主要對粒度>25 mm的塊煤分級，將其劃分為100～25 mm洗混中塊及200～100 mm的洗大塊產品，同時預留破碎至50 mm以下，從而為粒度<13 mm末原煤摻混預留空間。④采用離心機對25～1 mm洗末煤脫水，將其混合于末原煤中，用篩孔為φ1 mm脫介篩對矸石脫介，使之作為最終矸石。洗選中心烏東選煤廠設備流程如圖3所示。

圖3 洗選中心烏東選煤廠設備流程Fig.3 Equipment process of Wudong Coal Preparation Plant of washing center

根據烏東煤礦煤質及矸石特性，其均存在不同程度泥化現象，其中個別采區泥化現象嚴重，從泥化后的結構看，其細泥灰分往往較高，因而針對烏東煤礦的煤泥回收技術，應粗、細煤泥實施分別回收。粗煤泥回收后可制成混合煤，用于發電行業，而細煤泥則可視情進行利用或者排棄。粗煤泥回收一般使用加壓過濾機、長筒篩網沉降離心機及煤泥離心機等設備，烏東選煤廠根據各煤礦煤質特點，選取篩網沉降離心機作為煤泥回收設備。傳統技術視域下，細煤泥回收以板框式壓濾機為主，隨著技術的更迭與發展，烏東選煤廠開始應用快開式隔膜壓濾機，該設備能夠增加濾室容積，使濾餅水分下降至20%內，從而使處理效率顯著增強。

在介質回收及凈化流程中，針對稀介質可以采用磁選設備直接磁選，并對磁選尾礦進行脫泥作業，將磁選精礦返回至合格介質桶，回收介質及新介質均采取循環方式補充至介質桶。在煤泥水處理方面，烏東選煤廠利用所采取的設備流程方案，主要采取2段濃縮及兩段回收處理工藝流程。具體工藝流程為：在濃縮時利用濃縮旋流器對煤泥進行濃縮，在進入煤泥離心機后實施脫水，將脫水后的煤泥制作為混煤。在回收處理工藝中，第1段主要利用濃縮機對溢流的煤泥進行濃縮，經篩網沉降至離心機實施脫水作業，將粗煤泥回收后摻入混煤；第2段是通過離心機的濾液進行第2段濃縮，再應用壓濾機對細煤泥進行回收。同時，流程中可以將濃縮機溢流及壓濾機壓濾水循環利用，使洗選工藝更加環保節能，實現洗水閉路循環和煤泥的廠內回收。

4.4 選煤工藝流程計算公式

依據烏東選煤廠所確定工藝流程及工作制度，選煤工藝流程計算需要參照基礎資料。工藝流程計算包括數質量流程計算、水量流程計算、介質流程計算及產品最終平衡表等內容。

(1)數質量流程計算。數質量流程計算公式：

Qn=Qirn%

(1)

式中，Qn為小時作業處理量；Qi為選煤廠小時作業量；rn為作業量百分比。

(2)水量流程計算。水量流程計算公式：

(2)

式中，Wn為單位時間內作業水量；Mtn為產品水分比例；Qn為小時作業處理量。

經烏東選煤廠工藝流程計算，篩分作業中，應用篩孔φ13 mm實施原煤預選分級，其效率η=85%；應用篩孔φ3 mm實施塊原煤脫泥，其效率η=95%。分選作業中，分選密度δ=1.78 g/cm3；重介分選可能偏差值為Ep=0.03；次生煤泥產率為2.0%。在烏東選煤廠水量流程計算中，洗煤過程循環水量為693.74 m3/h；清水量為52.98 m3/h。產品消耗水量52.98 m3/h；計算應補充清水量52.98 m3/h。烏東選煤廠最終產品平衡表見表2。

表2 最終產品平衡表(塊精煤25 mm分級)Tab.2 Final product balance sheet (lump clean coal 25 mm classification)

5 總結

烏東選煤廠目前的產品主要由洗大塊(粒度200～100 mm)、洗混中塊(粒度100～25 mm)及混煤(粒度25～0.5 mm)等構成，采用重介淺槽分選機分選，分選上限為200～13 mm塊煤，13～0 mm末煤不分選。混煤產品水分8.95%、灰分19.54%，Qnet.ar約為23.1 MJ/kg，能夠滿足市場用戶需求。壓濾煤泥水分24.0%、灰分30.49%，Qnet.ar約為13.11 MJ/kg，可以成為電廠燃料產品。