超級(jí)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在老石旦選煤廠應(yīng)用的工藝指標(biāo)分析

于一棟

(北京國(guó)華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

老石旦煤礦隸屬國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市桌子山煤田西翼的老石旦礦區(qū)，選煤廠是配套礦井建設(shè)的，始建于1965年，目前核定生產(chǎn)能力為1.50 Mt/a。由于選煤廠投產(chǎn)年久，工藝落后，設(shè)備老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，2007年國(guó)家發(fā)改委印發(fā)的《煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見(jiàn)》中明確指出“堅(jiān)持優(yōu)化設(shè)計(jì)與強(qiáng)化管理相結(jié)合，堅(jiān)持應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)與淘汰落后工藝相結(jié)合，堅(jiān)持清潔生產(chǎn)與資源綜合利用相結(jié)合，堅(jiān)持突出重點(diǎn)與全面推進(jìn)相結(jié)合”。所以老石旦選煤廠進(jìn)行了技術(shù)改造，更新機(jī)械裝備，既是選煤廠自身發(fā)展的需要，也順應(yīng)了國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策要求。

1 技改前存在的問(wèn)題

老石旦選煤廠技改前工藝為跳汰主選+有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器精選+浮選，采用帶有變頻排矸輪的SKT型跳汰機(jī)進(jìn)行排矸，有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器對(duì)排矸后的物料進(jìn)行精選，分選出精煤和中煤。該技改是2007年完成的，到此已運(yùn)行十余年。三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)在本世紀(jì)已取得了重大進(jìn)步，該技術(shù)利用第一段旋流器離心力濃縮作用，可用單一低密度重懸液分選出高密度純矸，以其工藝簡(jiǎn)化、分選精度高等優(yōu)點(diǎn)深受選煤廠青睞，跳汰粗選+兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器精選這種工藝已逐步被淘汰。老石旦選煤廠2007年技術(shù)改造后，跳汰系統(tǒng)矸石平均帶煤率由13%降至8%，這對(duì)當(dāng)時(shí)的選煤技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的，但是和目前全重介質(zhì)選煤工藝下的矸石指標(biāo)相比還差很多，不符合節(jié)能減排的國(guó)家政策，也不利于選煤廠經(jīng)濟(jì)效益的提高。

老石旦選煤廠除了工藝落后外，還存在很多設(shè)備老化嚴(yán)重的現(xiàn)象，設(shè)備檢修時(shí)間長(zhǎng)，工作量大，僅跳汰系統(tǒng)的4臺(tái)斗式提升機(jī)每年大修1次，就需停產(chǎn)檢修16 d，不但維護(hù)費(fèi)用高，還存在檢修安全重大風(fēng)險(xiǎn)。所以急需更新設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 煤質(zhì)分析

2.1 粒度組成

老石旦煤礦原料煤為資源稀缺的強(qiáng)粘性焦煤，但屬于中高灰劣質(zhì)煤，矸石含量大，硫分高、磷分高。原料煤的粒度組成見(jiàn)表1，粒度特性曲線見(jiàn)圖1。

表1 原料煤的粒度組成

圖1 原料煤粒度特性曲線

由表1、圖1可看出：

(1)大于25 mm粒級(jí)產(chǎn)率雖然不高，但其灰分卻高達(dá)58.83%，這表征該粒級(jí)中矸石居多。

(2)隨著粒度減小，灰分也隨之降低，1～0.5 mm粒級(jí)灰分僅為24.84%，這表征煤易破碎，集中在細(xì)粒中，而矸石硬度較大不易破碎所以集中在粗粒之中。

(3)小于0.5 mm的煤泥產(chǎn)率高達(dá)34.63%，占原料煤的1/3以上，是主導(dǎo)粒級(jí)，煤泥量多為煤炭分選和煤泥水處理帶來(lái)難度。煤泥灰分比1～0.5 mm粒級(jí)灰分高了4.53個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明在它們之中富集了一些易破碎的高灰分粘土類(lèi)礦物質(zhì)，這種煤泥遇水易結(jié)團(tuán)，形成假粒或包裹在粗粒表面。

(4)圖1所示粒度特性曲線呈凹形，定性地表明原料煤粒度組成偏細(xì)。

2.2 密度組成

大于0.50 mm綜合粒級(jí)計(jì)算原料煤密度組成見(jiàn)表2，以此繪制的可選性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 大于0.50 mm綜合粒級(jí)計(jì)算原料煤可選性曲線

由表2和圖2可知：

(1)小于1.4 kg/L密度級(jí)物料產(chǎn)率僅為17.51%，灰分卻為8.64%，說(shuō)明原料煤內(nèi)在灰分高；大于1.80 kg/L密度級(jí)物料灰分僅為71.89%，說(shuō)明矸石碳化程度較高；其產(chǎn)率為49.07%，表明原料煤中矸石近乎一半，而低密度產(chǎn)物只略多于1/6，屬不能直接使用的劣質(zhì)煤。

(1)當(dāng)重選精煤灰分為10.45%時(shí)，理論分選密度為1.44 kg/L，δ±0.1含量(扣除大于2.0 kg/L)42.8%，屬極難選等級(jí)，此時(shí)理論精煤產(chǎn)率為25.10%。

總而言之，老石旦選煤廠入選原料煤煤質(zhì)極差。原生煤泥量占了1/3以上，大于0.5 mm粒級(jí)灰分高于45%，含矸量接近50%，理論重選精煤產(chǎn)率(占原料煤)只有16.40%。該廠的主選設(shè)備和工藝的確定事關(guān)重大，略有差錯(cuò)，必將導(dǎo)致低于營(yíng)運(yùn)盈虧臨界點(diǎn)，陷于經(jīng)濟(jì)困境。

3 技改方案

根據(jù)煤質(zhì)分析確定的選煤工藝為：50～0 mm粒級(jí)原料煤采用不脫泥無(wú)壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，0.75～0.25 mm粒級(jí)粗煤泥采用重介質(zhì)旋流器分選，0.25～0 mm粒級(jí)細(xì)煤泥用浮選方法分選，高灰分煤泥水經(jīng)濃縮后用壓濾機(jī)回收。

選用以上工藝的理由如下：

(1)跳汰分選精度低，對(duì)難選、極難選煤分選效果差，老石旦原料煤在要求精煤灰分不高于10.5%的情況下，可選性為極難選，因此對(duì)于老石旦煤礦的主焦煤宜采用全重介分選，降低中煤帶煤量，提高分選精度和精煤產(chǎn)率，并提高矸石純度，避免資源損失。

(2)無(wú)壓給料方式的原料煤，不經(jīng)泵和重懸液一起輸送，矸石泥化現(xiàn)象和次生煤泥量大為減少。淮南礦業(yè)集團(tuán)的顧橋選煤廠、淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠證明，次生煤泥量至少比有壓給料方式減少了5～7個(gè)百分點(diǎn)。老石旦選煤廠原料煤本身易碎，原生煤泥量偏大，無(wú)壓給料方式可減少次生煤泥的產(chǎn)生，不再為全廠煤泥處理添加難度。

(3)入選原料煤泥含量高，雖然可采用選前脫泥工藝，但脫下的煤泥只能用低效的水介質(zhì)分選，精煤產(chǎn)率低；脫泥還會(huì)增加工藝環(huán)節(jié)，增加了次生煤泥量，加大了煤泥水系統(tǒng)負(fù)荷，提高了投資和生產(chǎn)成本，所以也不宜采用脫泥工藝。

老石旦選煤廠采用的是選前不脫泥工藝，該工藝得以正常實(shí)施的保證，是采用粗煤泥重介質(zhì)旋流器，將精煤脫介弧形篩篩下濃介質(zhì)合理分流到煤泥重介質(zhì)旋流器，把合格重懸浮液的煤泥含量穩(wěn)定地保持在合適水平。并對(duì)0.75～0.25 mm粒級(jí)煤泥進(jìn)行精選。將重介質(zhì)旋流器的分選下限降到0.25 mm以下，降低了營(yíng)運(yùn)費(fèi)用較高的浮選作業(yè)負(fù)荷。

4 S-3GHMC440/360/260型超級(jí)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的工藝指標(biāo)

4.1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

老石旦選煤廠采用的是1臺(tái)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的S-3GHMC440/360/260型超級(jí)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，它是在3GHMC型重介質(zhì)旋流器的基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

圖3 超級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)示意

該設(shè)備由第一段圓柱形旋流器和第二段圓柱—圓錐形旋流器串聯(lián)而成。合格重懸浮液以給定的工作壓力沿切線方向進(jìn)入第一段旋流器，原料煤從另一端沿軸線以自重方式給入，重懸浮液在第一段旋流器中旋轉(zhuǎn)形成離心力場(chǎng)，在離心力的作用向下，重產(chǎn)物趨向于外螺旋經(jīng)連接管，切向進(jìn)入第二段旋流器，而密度小于分選密度的物料則趨向于中心空氣柱，并隨著內(nèi)螺旋流由精煤排料口排出。經(jīng)過(guò)離心濃縮、分級(jí)后，密度較高、粒度較粗的重懸浮液隨同大于分選密度的物料一起進(jìn)入第二段旋流器分選。第二段旋流器的分選過(guò)程基本上與第一段旋流器類(lèi)似。最終高密度物料從矸石排料口排出，中間密度物料從中煤排料口排出。

經(jīng)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)優(yōu)化的S-3GHMC440/360/260型超級(jí)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器有以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)適當(dāng)增大了原料煤和各分選產(chǎn)物的過(guò)流通道的截面面積，使得入料、排料更為通暢，從而具有超大的處理能力，該旋流器的第一段內(nèi)徑僅為1 m，在保證分選精度的條件下，最大處理能力為440 t/h，最大排矸能力為260 t/h，由于一、二段旋流器之間的連接管過(guò)流面積增大，可通過(guò)最大粒徑為160 mm的物料，徹底避免了旋流器堵塞事故的發(fā)生。

(2)提高了旋流器內(nèi)部的剪切力，降低了懸浮液固、液兩相的摩擦阻力，使得原料煤中不同密度的物料能以更精確的軌跡，快速進(jìn)入高、低密度區(qū)。所以能在大幅度增大處理量的條件下仍然保證分選的精確性。

(3)適當(dāng)提高了入料的固液比，即噸煤所需的合格重懸浮液的數(shù)量有所減少，因此噸煤電耗隨之降低。

老石旦選煤廠于2019年10月開(kāi)始進(jìn)行技改工程，施工單位克服新冠疫情所造成的困難，于2020年6月投產(chǎn)。在2020年12月對(duì)主選設(shè)備S-3GHMC440/360/260型超級(jí)旋流器進(jìn)行了檢測(cè)。參照GB/T35054-2018《選煤用重介質(zhì)旋流器工藝性能試驗(yàn)方法及判定規(guī)則》對(duì)該旋流器的各項(xiàng)工藝指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算和分析。

4.2 數(shù)量效率

原料煤及選后產(chǎn)物的密度組成見(jiàn)表3。由該表可得計(jì)算原料煤密度組成(見(jiàn)表2)，進(jìn)而可繪制計(jì)算原料煤可選性曲線(見(jiàn)圖2)。

表3 原料煤及選后產(chǎn)物密度組成

數(shù)量效率是實(shí)際精煤產(chǎn)率與其灰分相同的理論精煤產(chǎn)率的百分比值，是評(píng)定重力選煤設(shè)備最為直觀反映分選精度的指標(biāo)。

表4 第二段旋流器入料密度組成

圖4 二段入料的精煤累計(jì)產(chǎn)率和加權(quán)平均灰分關(guān)系曲線

4.3 可能偏差

產(chǎn)物中某一密度級(jí)的數(shù)量與原料煤中該密度級(jí)數(shù)量的百分比值稱為分配率，該廠三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的一、二段分配率見(jiàn)表5，由此繪制的分配曲線見(jiàn)圖5。

表5 超級(jí)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的分配率

在理想條件下，分配曲線中間段是通過(guò)分配密度垂直于橫坐標(biāo)的直線。圖5中的分配曲線趨于垂線，它們的量化指標(biāo)是可能偏差，其計(jì)算方法是分配曲線上分配率為75%和25%密度值之差的一半。由圖5可讀得第一段旋流器Epm1=0.025 kg/L，第二段旋流器Epm2=0.032 kg/L，說(shuō)明該重介質(zhì)旋流器的分選精度是良好的。

圖5 分配曲線

分配密度是分配曲線上對(duì)應(yīng)于分配率的50%的密度，從圖5中可讀取第一段分配(實(shí)際分選)密度為1.44 kg/L，二段分配(實(shí)際分選)密度為1.88 kg/L。由此可以知曉，由于重介質(zhì)旋流器對(duì)重懸浮液有濃縮作用，所以第二段旋流器才能夠分選出高密度的純矸石。

老石旦選煤廠超級(jí)旋流器工藝性能評(píng)定報(bào)告見(jiàn)表6。

表6 超級(jí)旋流器工藝性能評(píng)定報(bào)告

4.4 數(shù)據(jù)可靠性

為保證測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，GB/T15715《煤用重選設(shè)備工藝性能評(píng)定方法》中規(guī)定在煤樣進(jìn)行浮沉試驗(yàn)時(shí)，明確要求配置7個(gè)以上密度級(jí)的重液。本次重介質(zhì)旋流器單機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)中配置了10個(gè)密度級(jí)，提高了數(shù)據(jù)的精度。

在本次單機(jī)檢查測(cè)試的全過(guò)程中，操作者們嚴(yán)格遵守相關(guān)操作的要求，盡量減少試驗(yàn)誤差。對(duì)于選煤廠重介分選，試驗(yàn)均方差σ應(yīng)小于臨界值1.40，本次試驗(yàn)均方差僅為0.74，說(shuō)明所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠、可信、有效的。

5 經(jīng)濟(jì)效益

老石旦選煤廠技改工程最為核心的內(nèi)容是采用S-3GHMC440/360/260型超級(jí)旋流器及其工藝，取代了業(yè)已落伍的SKT跳汰機(jī)粗選排矸、兩產(chǎn)品單段旋流器精選的工藝。從2020年12月的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，精煤中僅僅有萬(wàn)分之二的1.80～1.90 kg/L密度級(jí)細(xì)粒(灰分為48.61%)，對(duì)精煤產(chǎn)品質(zhì)量的影響是微乎其微的。中煤里雖有17.21%的大于1.80 kg/L重產(chǎn)物，但絕大部分是灰分為53.45%的1.80～1.90 kg/L密度級(jí)顆粒，所以中煤灰分較低，為34.47%，發(fā)熱量為20.08 MJ/kg，是良好的動(dòng)力用煤。矸石中僅有0.34%灰分為33.39%的1.70～1.80 kg/L密度級(jí)物料，可稱為純矸。總而言之，該廠的超級(jí)旋流器分選精確度是很高的，使得精煤、中煤的質(zhì)量和產(chǎn)率都有大幅度提高，基本上杜絕了矸石中帶煤造成資源的損失。生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全廠生產(chǎn)指標(biāo)要好于設(shè)計(jì)值。以年處理量1.50 Mt計(jì)算，可增加精煤產(chǎn)量3 萬(wàn)t，中煤產(chǎn)量1.5 萬(wàn)t，精煤、中煤價(jià)格分別按1290 元/t和460 元/t計(jì)算，共計(jì)可增加銷(xiāo)售收入4 560 萬(wàn)元/a。

引人注目的是，在原生煤泥高達(dá)34.63%的條件下，技改工程所采用的選前不分級(jí)、不脫泥具有中國(guó)特色的工藝，經(jīng)住了考驗(yàn)，技改前介耗為1.45 kg/t，技改后大幅下降到0.84kg/t，相對(duì)降幅為42%，全年可少消耗介質(zhì)915 t。按磁鐵礦粉價(jià)格為1 500 元/t計(jì)算，每年可節(jié)省生產(chǎn)成本137.25萬(wàn)元。

6 結(jié) 語(yǔ)

老石旦選煤廠的技改是成功的，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益，在這方面超級(jí)旋流器起到了舉足輕重的作用。據(jù)2020年12月所進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，在入選極難選劣質(zhì)原料煤的生產(chǎn)條件下，第一段旋流器的數(shù)量效率為93.39%，可能偏差為0.025 kg/L，第二段旋流器的數(shù)量效率為97.03%，可能偏差為0.032 kg/L。

因?yàn)樵摲N設(shè)備的工藝指標(biāo)優(yōu)異，因此短短幾年就得到普遍推廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年底已在國(guó)內(nèi)外近100座選煤廠推廣應(yīng)用100余臺(tái)，形成了每年約3.68億t的總分選能力，土耳其、哈薩克斯坦等國(guó)也已成功使用該分選設(shè)備。