黑山露天礦薄煤層煤炭干法分選

陳建強，李功民，夏云凱，張 博，陳增強，閆光輝，盛 成，趙躍民，段晨龍

(1.國家能源集團 新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2. 唐山神州機械集團有限公司，河北 唐山 063000；3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116；4. 中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭是我國主體能源，是國民經濟發展和工業生產的能源基礎[1-2]。選煤是潔凈煤技術的源頭技術[3-4]，煤炭分選可以有效降低原煤灰分、硫分，提高煤炭發熱量，從而降低運輸負荷，減少煤中微量元素和污染物排放量，減輕大氣污染[5-6]。發展潔凈煤炭利用技術既能提高煤炭質量和利用效率，也符合國家發改委《能源生產和消費革命戰略(2016—2030)》中提出的“加強煤炭洗選加工，提高煤炭洗選比例”的行動目標[7]。我國煤炭和水資源呈逆向分布，在干旱缺水地區難以開展濕法洗選技術，干法選煤技術的應用對我國煤炭提質具有重要意義[8]。復合式干法分選機是干法分選技術的典型應用，因其生產成本低、適應性強、工藝簡單、建設周期短、投資少，廣泛用于煤炭干法分選工藝[9]。

針對復合式干法分選機，大量學者進行了研究，床層密度分布和顆粒運動規律可以有效揭示床層狀態。沈麗娟和陳建中[10]以動力學理論為基礎，對床層顆粒進行受力分析，顆粒在床面運動受振動慣性力、自身重力、背板反推力以及摩擦力的綜合作用，得出了頂部顆粒與底部顆粒反向移動在橫斷面呈螺旋翻轉的運動規律。復合式干選機入料中的細粒物料作為自生介質與空氣組成的氣-固懸浮體會改變顆粒運動狀態，改善粗粒級的分選效果[11]。王旭哲等[12]采用高速動態攝像系統對床面顆粒運動軌跡進行了分析，并建立了顆粒運動模型。于曉東[13]采用模擬物料以及油頁巖礦粒，研究了床面振動形式、振動形態與能量傳遞及床層密度分布，進一步揭示了顆粒的運動特點及分選原理。隨著測試技術的發展，傳感器測試裝置逐漸被用于試驗研究,可以有效反映床層活性和密度分布規律。

復合式干法分選機應用廣泛，目前已在神東、淮北礦業、大同、龍門煤業等各大煤企應用，并取得良好的分選效果[14-17]。榆樹井煤礦選煤廠采用復合式干法選煤工藝替代原重介質選煤工藝，降低了選煤廠運行成本,提高了全員效率，選煤廠實現了無煤泥化生產[18]。東歡坨選煤廠對30 mm以上物料采用復合式干法代替重介分選進行預先排矸，有效提高了精煤回收率和經濟效益[19]。轎子山煤礦選煤廠引入復合式干法分選機進行塊煤排矸，排除了原煤中的大部分矸石，達到了降灰、脫硫的效果，解決了塊煤滯銷問題，提升了企業的經濟效益[20]。

新疆黑山露天煤礦薄煤層煤炭儲量大，年產量約200萬t，含矸率大，灰分高，產品煤質量亟需提高，根據新疆地區水資源分布、氣候等特點，宜采用干法分選工藝。采用以復合式干法分選機為基礎的干法分選工藝，對黑山露天煤礦薄煤層煤炭進行了分選提質研究，為其選煤工藝設計提供了參考。

1 煤質分析

1.1 物料特性

黑山露天煤礦薄煤層煤質分析見表1。可知黑山礦薄煤層屬于長焰煤，為高灰-特高灰、低固定碳、高揮發分、低-中低發熱量、低硫煤。煤炭顆粒松散，顆粒間黏附較弱，可磨性好，有利于干法分選。

表1 原煤煤質分析

1.2 原煤可選性分析

原煤的可選性曲線如圖1所示，80～0 mm原煤主導密度級<1.5 g/cm3,其合計產率為58.60%，綜合灰分為9.81%；密度級>2.1 g/cm3原煤含量次之，產率為24.28%，灰分為88.72%，為較純凈的矸石組分，是分選過程的主要分離對象；中間密度級為1.5～2.1 g/cm3，產率為17.12%。

由圖1可知，原煤基元灰分曲線前半段呈陡峭狀，表明原煤灰分低，質地均勻；中間部分近于水平，表明中間密度級物料極少；尾段較短，變化速率高于中間段，表明高密度組分含量高于中間密度。

圖1 80～0 mm原煤可選性曲線Fig.1 80-0 mm raw coal washability curves

由分選密度δ±0.1曲線可知，分選密度在1.6～1.8 g/cm3時，煤樣中δ±0.1鄰近物產率在10%～15%，屬于中等可選程度；分選密度在低于1.6 g/cm3時，煤樣中δ±0.1鄰近物產率快速增大，原煤難選程度增大；分選密度高于1.8 g/cm3時，煤樣的δ±0.1鄰近物產率小于10%，屬于易選程度。因此，80～0 mm原煤的可選性為中等可選。

密度曲線初始階段快速降低，表明原煤中低密度組分較多，密度的輕微變化會影響浮物產率；中間段與尾段形狀近似水平，變化緩慢，表明原煤中、高密度組分較少，密度波動對沉物產率影響不明顯。

2 結果與討論

2.1 床體能量輸配規律

復合式干法分選機分選過程中，主要靠振動和風的作用分選。設備分選床面示意如圖2所示。

圖2 復合式干法分選機床面示意Fig.2 Surface of compound dry sorting machine

為深入了解各分選區域顆粒能量分布規律，采用振動測試探頭分別對精煤端和矸石端進行振動測試。在床面不同的分選位置，顆粒受到的振動能量不同，進而獲得不同的加速度，采用加速度對顆粒所獲得能量進行表征，采用加速度異值(高加速度/低加速度，未區分精煤和矸石)表示精煤端和矸石端的加速度差異，試驗結果如圖3～5所示。

圖3 頻率對顆粒加速度的影響Fig.3 Effect of frequency on particle acceleration

圖4 振幅對顆粒加速度的影響Fig.4 Effect of amplitude on particle acceleration

圖5 氣速對顆粒加速度的影響Fig.5 Effect of gas velocity on particle acceleration

由圖3～5可知，針對Z軸，隨頻率的變化，精煤和矸石的加速度分別在15.72～34.75 m/s2和11.60～25.02 m/s2，加速度異值在1.35～1.46；隨振幅變化，精煤和矸石的加速度分別在18.08～28.90 m/s2和13.35～20.31 m/s2，加速度異值在1.35～1.52；隨氣速變化，精煤和矸石的加速度分別在13.25～27.32 m/s2和10.85～20.12 m/s2，加速度異值在1.21～1.46。隨頻率、振幅和氣速的增加，Z方向矸石和精煤加速度均呈逐漸增加趨勢，加速度異值最大可達1.52，表明振動和氣流能量是影響煤炭顆粒分層的主要因素。

針對X軸，隨頻率變化，精煤和矸石加速度分別在2.32～2.46 m/s2和2.30～3.45 m/s2，加速度異值在1.01～1.41；隨振幅變化，精煤和矸石的加速度分別在2.45～4.58 m/s2和2.12～3.18 m/s2，加速度異值在1.17～1.46；隨氣速變化，精煤和矸石的加速度分別在5.58～12.25 m/s2和9.24～18.45 m/s2，加速度異值在1.86～1.64。隨頻率、振幅和氣速的增加，Z方向矸石和精煤加速度呈增加趨勢，表明在X軸方向上顆粒運動存在加速度差異，與Z軸方向加速度相比，X軸方向加速度較低，主要用于物料分離。

針對Y軸，隨頻率的變化，精煤和矸石的加速度分別在6.25～12.53 m/s2和9.35～17.82 m/s2，加速度異值在1.42～1.68；隨振幅變化，精煤和矸石的加速度分別在5.96～11.80 m/s2和9.54～18.47 m/s2，加速度異值在1.56～1.68；隨氣速變化，精煤和矸石的加速度分別在1.86～4.28 m/s2和1.96～3.25 m/s2，加速度異值在1.02～1.41。與X、Z軸方向不同，在Y軸方向上，精煤加速度高于矸石，主要是因為精煤端床體高于矸石端，矸石端物料密度較大，需要更大的振動能量實現其沿Y軸方向運動。

針對Z軸，精煤端有效分選面積較大，能量傳遞過程中獲得相應的能量較大，而矸石端有效分選面積較小，獲得的能量較小。在相同時間內精煤端顆粒的拋擲高度高，矸石端顆粒拋擲高度低，分層作業主要在精煤段完成。基于此，分選過程中精煤端為主要分選區域，矸石端主要為重產物的輸送區域，沿床面入料端至矸石端方向振動能量呈逐漸降低趨勢，精煤段獲得能量大，矸石端獲得能量小，即矸石端沿Z軸方向的振動加速度要低于精煤段。

針對X軸，精煤區域是主要分選區域，在分選過程中，物料由精煤端逐漸向矸石端移動，為了使物料可以移動至矸石端，精煤端物料需要較大的加速度。經過精煤端的分選，到達矸石端的物料較為單一，為高密度矸石物料，不存在分層運動，振動能量主要用于輸送高密度矸石物料，且由精煤端到矸石端，床面有效分選面積逐漸減少。精煤端沿X軸方向的振動加速度要低于矸石端。

針對Y軸，分選是連續動態分選過程，顆粒由于密度差異及所受到的振動力不同，產生不同的加速度，最終各物料沿各自運動軌跡完成分選。矸石端物料密度較高，在Y軸方向運動所需的振動能量較大，進而其產生較小的振動加速度。精煤端物料密度較小，分選過程中對振動能量較為敏感，移動至排料端所需振動能量較小，產生的加速度較大。因此，在Y軸方向，矸石對應的振動加速度幅值也低于精煤端。

2.2 床層密度分布

為了更好地理解復合式干法分選過程，在床面不同位置進行取樣，繪制不同分選條件下床面顆粒密度分布云圖，如圖6～8所示。

圖6 不同振動頻率下床層密度分布云圖Fig.6 Cloud chart of bed density distribution under different frequencies

由圖6可知，隨著床面振動頻率的增加，床層密度差異呈先增加后減小的趨勢，從入料點沿Y軸方向密度逐漸降低，沿X軸方向密度逐漸升高。在頻率較低時，密度分布差異較小，表明顆粒床層無法充分松散，顆粒活性較差，難以實現物料分層。隨頻率的增加，物料分區域現象逐漸明顯，在頻率為32～34 Hz 時，在X、Y方向上均出現明顯分區現象，分選效果較好，隨頻率繼續增加，床層按密度分區現象逐漸減弱，表明頻率過高，導致高密度矸石物料混入精煤物料，分選效果變差。

由圖7可知，與隨床面振動頻率的增加相似，床層密度差異隨振幅的增加呈先增加后減小的趨勢，在振幅較小時，床層密度沿X軸方向逐漸增加，但差異不明顯，表明在低振幅下顆粒床層無法充分松散，顆粒活性較差，難以實現按密度分層。隨振幅的增大，矸石端密度逐漸達到最大，在振幅為2.8 mm時，顆粒充分分散，物料實現按密度分層，分選效果較好，隨振幅繼續增加，床層密度差異逐漸減弱，表明振幅過高，低密度的精煤逐漸混入矸石端，而密度較高的矸石混入精煤中，導致床層物料出現錯配現象，分選效果變差。

圖7 不同振幅下床層密度分布云圖Fig.7 Cloud chart of bed density distribution under different amplitudes

由圖8可知，隨氣速增加，床層密度差異先增后減，當氣速較小時，物料沿床面密度分布較為均勻，分選效果較差，主要是因為物料受到的氣流作用較弱，煤炭顆粒活性較低，顆粒無法獲得足夠的能量克服顆粒間的強力鏈網絡，導致顆粒運動受限，無法實現按密度分層。隨著氣速的增加，氣流作用力增強，顆粒床層獲得的能量增強，可以克服顆粒間力鏈網絡進行運動，使顆粒能夠按密度進行運動，實現較好的分選效果，在分選氣速為0.6～0.8 m/s時，分選效果較好。隨氣速的繼續增加，煤炭顆粒活性增強，無規則運動加劇，運動速度加快，返混現象加劇，無法在有效的運動范圍內實現煤炭顆粒分選。

圖8 不同氣速下床層密度分布云圖Fig.8 Cloud chart of bed density distribution under different gas velocity

在分選過程中，振幅、頻率、氣速主要影響床層能量的輸入，當操作參數強度較弱，即床層能量輸入較低時，顆粒床層無法獲得充分的能量，不足以克服顆粒間的力鏈網絡，床層活性較差，無法實現按密度分層。當操作參數強度適中，即能量適宜時，顆粒能量足以克服顆粒間力鏈網絡，顆粒充分松散，床層可以實現按密度分層；當操作參數過強時，即輸入能量過高，此時顆粒獲得的能量過高，顆粒活性過強，導致顆粒克服力鏈網絡進行無規則運動，顆粒返混現象加劇，無法完全按密度分層。

2.3 多因素響應規律

灰分離析度計算公式為

(1)

式中，Kash為灰分離析度；n為床層段數；Ai為第i段床層灰分；A0為各段加權平均灰分。

為了更好地分析各因素對灰分離析度的影響，采用響應面分析法獲得各因素對灰分離析度的響應規律，如圖9所示。

圖9 操作參數對灰分離析度的影響Fig.9 Effect of operation parameters on ash separation

氣速、振幅和頻率的變化均會引起床層能量的改變，隨床層能量的增加，灰分離析度呈先增加后減小的趨勢。在能量較低時，煤炭顆粒所獲得的能量較小，床層孔隙率較低，顆粒無法克服其相鄰顆粒的阻力，分選效果較差。隨能量的增加，顆粒所獲得的能量逐漸升高，床層孔隙率增大，顆粒活性增強，高密度顆粒克服其周圍顆粒阻力向矸石端運動，逐漸實現按密度分層，分選效果得到改善。隨能量的繼續增加，能量過大，輕顆粒在能量下出現無序運動，導致按密度分層效果惡化，分選效果較差。

由圖9可知，灰分離析度隨各因素的變化先增加后減小，在中間位置出現峰值，表明灰分離析度對各因素變化敏感性較高，隨各因素變化灰分離析度變化較為明顯，在頻率32 Hz，振幅2.8 mm，氣速0.6 m/s時，灰分離析度最大為0.98。

2.4 分選效果

基于復合式分選機，對80～0 mm原煤采用“80～0 mm原煤主選—精煤13 mm篩分—13～0 mm粗精煤再選”分選，分選工藝如圖10所示。

圖10 80～0 mm原煤分選工藝Fig.10 80-0 mm raw coal separation process

經ZM復合式干法分選機主選后，分別獲得精煤和矸石，對80～0 mm分選產品進行分析，結果如圖11所示(ρi為分配率為i%時，所對應的分配密度)，分選密度為1.97 g/cm3，可能偏差E為0.22 g/cm3，精煤產率為74.92%，精煤灰分為21.77%，矸石產率為25.06%，矸石灰分為76.51%。對80～13 mm主選產品進行分析，如圖12所示，分選密度為1.91 g/cm3，E為0.16 g/cm3，精煤產率為69.28%，灰分為20.37%，矸石產率為30.72%，灰分為81.54%。主選后13～0 mm產品分布如圖13所示，分選密度為2.05 g/cm3，E為0.29 g/cm3，精煤產率為79.22%，灰分為22.71%，矸石產率為20.78%，灰分為70.84%。

圖11 80～0 mm ZM復合式干法分選機分選結果Fig.11 Separation results of 80-0 mm ZM composite dry separator

圖12 80～13 mm ZM復合式干法分選機分選結果Fig.12 Separation results of 80-13 mm ZM composite dry separator

圖13 13～0 mm ZM復合式干法分選機主選結果Fig.13 Concentration results of 13-0 mm ZM composite dry separator

對13～0 mm再選產品進行分析，如圖14所示，分選密度為1.90 g/cm3，E為0.26 g/cm3，精煤產率為82.35%，灰分為15.92%，較主選精煤降低6.79%，矸石產率為17.65%，灰分為54.39%。對分選后80～13 mm精煤和13～0 mm再選精煤分析可知，80～0 mm精煤產率為66.99%，灰分為17.91%。

圖14 13～0 mm ZM復合式干法分選機再選結果Fig.14 Re-concentration results of 13-0 mm ZM composite dry separator

3 結 論

1)床層不同區域能量分布存在差異，精煤和矸石加速度分布差異較大，加速度異值最大可達1.68。加速度的差異是實現顆粒分層和按密度分離的關鍵。隨床層輸入能量的增加，床層密度差異先增加后減小，與灰分離析度變化相一致，合適的能量輸入可以有效實現煤炭顆粒的分選。

2)灰分離析度隨各因素的變化先增加后減小，在中間位置出現峰值，表明灰分離析度對各因素變化敏感性較高，在頻率32 Hz，振幅2.8 mm，氣速0.6 m/s時，灰分離析度最大為0.98。

3)80～0 mm原煤分選密度為1.97 g/cm3，E為0.22 g/cm3，精煤產率為74.92%，精煤灰分為21.77%。對13～0 mm精煤再選后，灰分較主選精煤降低6.79%。80～0 mm綜合產率為66.99%，灰分為17.91%。干法分選工藝可有效提高黑山礦薄煤層的產品煤質量。