智能干選機在駱駝山洗煤廠應用研究

郝俊飛，陶 健

(1.國家能源集團烏海能源有限責任公司駱駝山洗煤廠，內蒙古 烏海 016000;2.天津美騰科技股份有限公司，天津 300000)

0 引言

煤炭分選主要分為水洗和干選兩個方向[1]。水洗基本采用跳汰、重介、浮選等工藝， 其優點是經過多年的發展，工藝已經成熟，分選精度滿足生產使用要求。水洗的缺點是建設投資大、生產成本高，水資源消耗及浪費嚴重[2]。干選是近二十年來一直存在并緩慢發展的選煤方法，具有不用水、工藝簡單、投資少、生產成本低的優點，主要代表工藝是基于振動和風選的復合式干法選煤工藝[3-4]。干選的缺點是無法實現有效分選，分選精度不滿足生產使用要求。

本文以駱駝山洗煤廠為例。該廠是設計生產能力為3.0 Mt/a的大型礦井型洗煤廠。該廠入洗原煤以焦煤和肥煤為主，主要產品為洗精煤、洗中煤。其中：洗精煤產品主要作為煉焦用煤；洗中煤產品主要作為動力煤。通常的設計洗選工藝為：在準備車間內，首先對原煤進行分級，原煤粒徑大于50 mm的原煤采用檢查性手選；然后將手選出的原煤粒徑破碎至50 mm以下，并與原煤粒徑小于50 mm的篩下物混合運至主廠房進行洗選。主廠房采用無壓三產品重介旋流器洗選[5]。

但是因調入原煤煤種多，煤質差異大，部分原煤屬露天開采，粒徑50 mm以上的原煤含量高，且原煤在開采時無粒度控制導致50 mm以上原煤中最大粒度可達500 mm及以上?，F有原煤選前預排矸環節采用人工手選，手選系統存在以下問題[6]。

①手選工人勞動強度大、工作環境差。②矸石揀出率低，手選系統每年的揀矸量僅為8 000 t/a。大量塊矸石經破碎后進入后續洗選系統，增加洗選加工成本。③手選矸石帶煤高，造成損失。④原煤中軟雜物不能有效揀出。基于以上原因，為降低洗選加工成本、提高企業經濟效益、減輕工人勞動強度、改善工作環境、減少安全隱患，本文將駱駝山洗煤廠人工手選升級為機械排矸的選煤工藝，實現了入選原煤量的自動調節，保證了入選原煤量的穩定。

1 國內外同類研究的現狀及技術比較

目前，國內外采用的選煤方法及裝備主要集中在傳統的重介、跳汰、浮選以及干法選煤。世界主要煤炭開采國應用的主要選煤裝備如表1所示。

表1 世界主要煤炭開采國應用的主要選煤裝備

由表1可知，各國選煤裝備主要是傳統需要借助水和介質分選的濕式重力選煤設備，少量為不需要借助水的干選設備。從分選物料的粒度角度分析，目前國內外除針對末煤和煤泥分選工藝和設備外，針對駱駝山煤礦粒徑50 mm以上原煤這個粒級的分選設備主要為動篩跳汰機、重介淺槽及智能干選機(telligent dry separator,TDS)。

對上述三種原煤分選工藝進行了技術、經濟比較。不同原煤分選工藝的對比如表2所示。

動篩跳汰機以水為介質進行分選，不需要磁鐵礦粉介質。動篩跳汰機有效分選精度為矸石帶煤率5～8%，不如重介淺槽及TDS，且設備體積大，結構復雜，維護量較大。此外，動篩跳汰機無法對500～300 mm的大塊原煤進行分選，故不適宜采用動篩跳汰機。重介淺槽在這三者中的分選精度最高，矸石帶煤率≤1%。但重介淺槽需要借助水、磁鐵礦粉介質實現對煤炭的分選。配套系統需設置有產品脫水、煤泥水處理、介質回收等系統，系統復雜，生產成本高，噸煤加工費也相對較高。另外，重介淺槽無法對粒徑200 mm以上的大塊原煤進行分選，故也不建議采用。經過上述經濟、技術對比，本文將探討研究利用TDS智能干選[1-5]排矸工藝來解決選煤廠原煤預排矸問題，以代替人工手選。

2 TDS智能干選技術可行性研究

2.1 TDS發展歷史及研究進展

煤炭射線識別干選技術是色選技術在礦石分選方面的應用[7]。20世紀60年代，英國即著手進行用X射線衰弱法篩選煤和矸石的研究。1973年，第十屆國際選礦大會，D.E.詹金斯等發表了《X射線選煤機》一文，介紹了由英國國家煤業局和岡生公司合作研制的X射線選煤機。該機型最高處理能力達25 t/h。紐米蘭丹礦粒徑小于60 mm的原煤試驗分選效果為：矸石帶煤12.2%～22.6%、煤中帶矸23.2%～31.8%。中國于1988年開始研究用于煤炭分選的射線干選技術[8]，近年來發展飛速。目前，普遍采用γ射線或X射線識別技術對煤和矸進行識別，以實現煤矸分離。截止到2014年，國內報道的射線干法分選機分選精度整體水平為[9-10]：矸石帶煤5%～10%、煤中帶矸10%～20%。由于分選精度低，無法替代傳統的濕式重介分選，該方案未得到廣泛推廣。2015年起，隨著大數據技術的發展，有些企業開始高精度智能射線干選機的研發，智能射線干選技術進入快速開發期。2016年6月19日，大塊煤TDS在山西投入使用。該設備分選粒級為50～300 mm，而超過300 mm的矸石也能夠排出系統。其分選精度達到矸石帶煤率0.85%，矸石排出率98%。目前，TDS已經開發出針對多種粒級的分選設備[11](包括50～300 mm、25～100 mm、10～30 mm等)，分選帶寬為800～4 000 mm，識別手段有“X射線”單源識別和“X射線+電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)圖像”雙源識別等。

2.2 TDS工作原理

TDS采用的智能識別方法是結合X射線和CCD圖像雙重識別技術，并針對不同的煤質特征建立與之相適應的分析模型，通過大數據分析數字化地識別煤與矸石。TDS通過高頻電磁閥驅動陣列式氣槍噴吹改變煤或矸石的運動軌跡，從而實現煤與矸石的精確分選。TDS結構原理如圖1所示。

圖1 TDS結構原理圖

TDS作為近年研發成功并推廣應用的設備，首先需確認TDS在駱駝山洗煤廠應用的可行性。

2.3 半工業試驗研究

半工業試驗的目的在于驗證TDS能否用于煤礦粒徑50 mm以上的原煤的分選。試驗采集粒徑50 mm以上原煤(取樣煤層分別為蘇海圖13#-1、12#-1、9#-1、14#、12#下)共2 068 kg，在工業樣機上進行智能干選半工業試驗。由于該廠采用配煤入洗，故本次試驗模擬實際配煤情況。采樣統計及試驗配比方案如表3所示。

表3 采樣統計及試驗配比方案

①配煤比例一為12#下∶14#∶12#-1 = 3∶2∶1。

②配煤比例二為12#下∶3#-1∶12#-1 = 3∶2∶1。

本組試驗首先采用單源(X 射線)識別方式，對兩種配煤比例分別試驗三次。

半工業試驗結果(配煤比例一，單源識別)如表4所示。

表4 半工業試驗結果(配煤比例一，單源識別)

表4所示的試驗結果表明，經過TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為2.95%，排矸率為97.13%。

半工業試驗結果(配煤比例二，單源識別)如表5所示。

表5 半工業試驗結果(配煤比例二，單源識別)

表5所示的試驗結果表明，經過TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為3.11%，排矸率為95.86%。

本組試驗說明：TDS單源識別(X射線)排矸效果明顯，分選精度接近要求的技術指標。但矸石帶煤率還是偏高，說明僅靠單源識別(X射線)不能保證分選效果。

為提高分選精度，本文在X射線識別基礎上引入CCD圖像識別技術，從而進一步探討雙源識別(X射線+CCD圖像)的試驗效果。

基于圖像識別技術的煤與矸石自動識別，是以計算機為核心、結合光電技術和計算機圖像處理技術的新型選煤技術。它根據模式識別原理，利用CCD攝像頭對煤炭輸送過程進行監測，通過圖像采集卡將拍攝到的連續圖像輸人計算機以不斷進行圖像處理，并運用圖像處理算法對其進行分析、識別，最終達到將煤塊和矸石區分的目的。

本組試驗采用雙源(X射線+CCD圖像)識別方式，兩種配煤比例分別試驗三次。半工業試驗結果(配煤比例一，雙源識別)如表6所示。

表6 半工業試驗結果表(配煤比例一，雙源識別)

表6所示的試驗結果表明，經TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為2.24%，排矸率為99.07%。

半工業試驗結果(配煤比例二，雙源識別)如表7所示。

表7 半工業試驗結果表(配煤比例二，雙源識別)

表7所示的試驗結果表明，經TDS分選后，干選矸石的平均矸中帶煤率為2.57%，排矸率為98.12%。

從試驗結果來看，雙源識別組的排矸效果均優于單源識別組，分選精度也高于單源識別組，滿足指標要求。這說明采用雙源(X射線+CCD圖像)識別的TDS適用駱駝山洗煤廠的粒徑50 mm以上原煤分選。

3 TDS的改造應用研究

3.1 改造后工藝流程

原煤經50 mm篩分后，粒徑50 mm以上物料(包括50～300 mm、300～500 mm、+500 mm)通過振動布料器的布料后進入TDS分選。當原煤中煤多矸少時，TDS執行打矸工藝，干選矸石直接進入矸石池。長遠來看，駱駝山煤少矸多。屆時，TDS可在線切換打煤工藝。干選矸石經限下篩分器(即滾軸篩)進行50 mm篩分：篩上物作為最終矸石進入矸石池，篩下碎煤進入主洗系統。TDS排矸后的原煤經現有破碎機破碎至粒徑50 mm以內后，與原煤分級篩下的末煤一起進入主洗系統。改造后工藝原理如圖2所示。

圖2 改造后工藝原理圖

3.2 工藝設備選型

駱駝山原煤處理能力為568.18 t/h。該廠外來煤中塊率最大的蘇海圖煤礦12#煤粒徑50 mm以上產率30%、煤流系統不均衡系數K=1.15，計算TDS智能干選系統的小時量為568.18 t/h×30%×1.15=196.02 t/h。

主要工藝設備選型如表8所示。

表8 主要工藝設備選型表

3.3 改造工藝布置

本次改造采用TDS代替手選，在現有準備車間改造。由于原煤準備車間空間有限，常規長度TDS無法布置，故本文在不影響布料效果和分選精度的前提下，研究設計出超短型TDS，以滿足現場布置要求，盡量減少土建改造工程量。具體改造如下：將原203手選皮帶機頭的除鐵器移位至來料皮帶201機頭處；在9.00 m平面拆除203手選皮帶、抬高并后移原煤分級篩，原煤分級篩出料口后面依次布置振動布料器和TDS；在5.00 m平面，原204破碎機位置不變，在破碎機西側布置一臺矸石限下篩分器，篩上矸石直接溜出車間外進入新建矸石池。

4 應用效益分析研究

手選是靠人持續、機械式的勞動，揀出大塊矸石及雜物。但是，手選受人為因素影響(疲憊和疏忽)，尤其是當原煤中矸石量較大時，矸石揀出率不能保證。這導致進入后續洗選系統的原煤質量波動較大。本文研究應用原煤TDS智能干選系統，代替人工手選。這將產生如下經濟效益。

①節省人工費。駱駝山洗煤廠原煤采用智能干選工藝后，正常生產中可實現無人值守，可解放6名手選工人，按照10萬元/人·年計，每年可節約手選工人工成本約60萬元。

②節省塊煤破碎機維修費及電費。改造后，絕大多數塊矸石可有效預先排出，降低了破碎機的正常損耗，使齒板壽命可由半年提高至兩年并降低了破碎機的維修量，預計每年可節省維修費20萬元。另外，破碎機以破碎原煤為主，功耗可降低50%，預計每年可節省電費15.44萬元。累計節省破碎機電費及維修費35.44萬元。

③節省手選皮帶維修費。203手選皮帶每年的維檢費用(含托輥、滾筒包膠及其他)約為3萬元。采用TDS代替手選后，可節省這部分維修費。

④節省矸石洗選加工費。TDS減少了未揀出矸石進入洗選系統的概率，可有效緩解塊矸石對主洗車間管道、溜槽、設備等的磨損，在減輕設備損耗的同時降低了生產成本。按照矸石排出率95%計，采用TDS智能干選系統每年可排出矸石約28.5萬噸。按照重介洗選加工費20元/噸原煤計，每年可節省重介洗選系統加工費(28.5萬噸-0.8萬噸)×20元/噸=554萬元。

⑤節省浮選系統加工費。TDS減少了大量塊矸石破碎后進入主洗系統的可能，避免了這部分矸石遇水泥化，減輕了煤泥水系統的負擔，有利于煤泥重介和浮選環節的分選精度穩定。按照次生煤泥產率5%，煤泥浮選系統加工費30元/噸煤泥計，每年可節省浮選系統加工費(28.5萬噸-0.8萬噸)×5%×30元/噸=41.55萬元。

⑥有效適應原煤矸石含量的波動，保證進入旋流器原煤數、質量的均勻穩定。一方面，無論原煤矸石量升高還是降低，智能干選系統均能保證塊矸石的排出率，使得進入旋流器的入洗原煤質量穩定；另一方面，鑒于智能干選系統排矸率穩定，可通過精準控制煤坑下原煤不同的給煤量，使得進入旋流器的入洗原煤數量均勻。

⑦提高洗煤廠智能化水平，降低安全隱患。TDS智能化程度的提高，使原煤預排矸環節實現無人值守，降低了人員安全隱患。

⑧TDS系統增加生產成本。TDS系統與現有手選系統相比，主要增加了電費及維修費，其中電費每年增加約58.50萬元(電費按0.5元/kW·h計)，維修費(主要為TDS維修費)增加約35萬元，合計增加約93.5萬元。

經上述應用效益分析研究，使用TDS后的綜合效益累計節省成本590.49萬元。

5 結論

以X射線為基礎識別方式的TDS是近年來比較流行的新型選煤設備，其運用的智能干選技術實現了選煤理論的創新。本文以駱駝山洗煤廠為例，經過半工業試驗研究，采用雙源識別(X射線+CCD圖像)的TDS可以對該洗煤廠的煤與矸石有效識別，并通過高壓風執行系統將塊矸石排出。該方法分選精度高，排矸率高，適用于原煤的選前預排矸。通過改造應用研究，該系統簡潔，設備臺數少，布置可行，實施難度小，可有效提高經濟效益。