高效濃縮機在煤炭行業的應用工藝研究

劉新安

（北京華宇工程有限公司選煤一所，北京 100120）

伴隨著我國選煤技術發展的是越來越大的選煤廠。有很多煉焦煤選煤廠達到了4Mt/a以上的選煤能力。有些依靠動力煤的選煤廠的處理能力，甚至達到了20Mt/a。原煤處理能力的增強，需要更大量的煤泥水。隨著采煤機械化程度的提高，進入選煤廠中的原煤中＜0.5mm粒級含量開始增多。煤泥水濃縮、沉淀工藝環節成為選煤廠中更加具有挑戰性的環節。通過比較可知，普通濃縮機的缺點很明顯，機器的質量大，基礎建設成本高，占地面積很大，效率低下，在停電和給料不均勻的情況下，壓耙現象很突出。這很容易破壞機器的驅動系統，濃縮機的濃縮池需要架空清刷，而且維修時間很長，給選煤廠帶來了很大的壓力。高效濃縮機的發明，給選煤廠帶來的改變是十分巨大的。一臺十多米的高效濃縮機，就能夠將一座原煤處理量為600t/h的大型選煤廠產生的尾礦水，處理得游刃有余。所以，在煤炭行業引入高效濃縮機，是十分明智的選擇，不僅可以節省資金，還能帶來許多無法直接看到的間接效應。

1 爐粉煤灰在脫水過程中出現的問題

一直以來，對粉煤灰的處理方法，是將粉煤灰從平流沉淀池中撈出來，經過自然脫水后，用車輛運輸至掩埋場進行掩埋，或用于粉煤灰制磚等其他用途。

1.1 粉煤灰脫水過程的困擾

在實際的處理工作中，粉煤灰脫水過程，是一個十分困擾工人的問題，主要體現在：

（1）撈出粉煤灰相當困難。由于粉煤灰很細，沉淀后更加密實，用一般的刮板除灰機不能刮動，抓斗也不起作用。處理方法只能是用兩座平流沉淀池輪流操作，進行人工除灰，清理這些板結的煤灰，人力和物力的浪費太嚴重。

（2）把這些煤灰清理出來后，還不能馬上運走。因其含有大量的水分，質量太大，需要大面積的堆放場地自然脫水。而脫水后的粉煤灰，容易被風從灰堆表層吹起來，嚴重污染了空氣，而灰堆里面的水分仍舊無法蒸發并將其運送至填埋場。

（3）沒有充分脫水的粉煤灰在運輸過程中，會出現灰水分層的現象，污染了運輸的道路。平流沉淀池沉淀效果差，循環水含灰量太高，以及因此造成的煤氣除塵效果差，都給工廠的其他機器帶來了極大的麻煩。

所以，尋找一種高效的煤灰清理裝置，解決粉煤灰的嚴重問題，是勢在必行。

1.2 粉煤灰快速高效脫水工藝的論證

經過多方考察和論證，用相關技術進行機器的改造，針對如何給粉煤灰脫水，采用快速高效隔膜壓濾機和高效濃縮機，對粉煤灰進行連續脫水工藝，并將其成功地應用于粉煤灰脫水過程中，能取得良好的脫水效果，同時具有良好的經濟和環保效益。

（1）普通濃縮機的濃縮原理。是讓煤灰自行產生重力沉降，礦漿顆粒的自由沉降是實現顆粒的沉降分層的機理，靜壓的作用使深池壓縮區內的灰料進一步被壓實。這種原理告訴我們，灰料的沉降速度，直接決定了濃縮機的處理能力及溢流水中的固體含量的高低。所以，提高濃縮機處理能力最基本的措施，就是加快顆粒的沉降速度。“固體顆粒的沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，與固體顆粒和其周圍介質的密度差成正比”，這是選礦學中斯托克斯定律的內容。因此，提高固體顆粒的沉降速度，要求我們增大顆粒的直徑或者是增大固體顆粒和周圍介質的密度。

（2）普通耙式濃縮機的缺點。普通的耙式濃縮機，有著自身無法克服的缺點：連續工作過程中，固體顆粒的沉降方向與澄清流上升的方向是相反的。煤泥水的出口流速快，煤泥水來不及充分沉淀，就從出口流出；加之原本沉淀的煤泥，在入料上升流的作用下，再次被攪起，這樣使得灰料又一次進入到溢流中，那些在溢流中沒有沉淀的細小懸浮顆粒，再次進入到循環水系統，進行生產和工作。如此多次的循環下去，部分細小的顆粒越來越多，煤泥水的濃度也變得越來越大，形成一種惡性的循環。

雖然有的企業自己進行了技術改造，提高了煤灰的處理能力，但是這些高效的濃縮機是在傳統的笨重、耗材多、質量大、占地大、成本高、耗電量大的濃縮機的基礎上進行改造的。這些原本就有的缺點，仍然給生產帶來了很大的麻煩。所以，這種所謂的高效濃縮機，仍然無法長期生存在選煤廠，必然被淘汰。高效濃縮機的需求，越來越明顯。

2 高效濃縮機的發展過程和特點

高效濃縮機的研究和起源，可以上溯到上世紀70年代末期。當時在國外，選礦過程中礦漿高濃度輸送技術，就開始迅速興起，各種類型高效濃縮機紛紛發明并投入使用。上世紀80年代，我國引進了高效濃縮機技術，國內的選礦行業開始重視這種機器。我國也開始了自主研究和開發，其中最著名的品牌有GXN系列、XGN系列高效濃縮機等。到了21世紀，高效濃縮機已經在許許多多的選煤廠得到了運用，緩解了許多迫在眉睫的問題。

2.1 設計原理和基本概況

高效濃縮機作為一種新型灰水濃縮處理設備，是根據流體淺層理論設計的，不僅具有體積小、濃縮效率高、工程造價低、安裝使用維護簡便的性能，而且具有占地面積少、節能、節水、減少環境污染等優點。在火力發電廠除灰系統灰水處理過程和建材和水源、污水處理和礦山、煤炭、化工的一切含固料漿的濃縮和凈化分離過程中，都有著無與倫比的優勢，是混凝土結構濃縮沉淀池的最佳換代產品。

高效濃縮機由耙架提升裝置、給料裝置、濃縮池、耙架、傳動裝置、卸料裝置和信號安全裝置等組成，其脫水過程是一種技術的革命和創新。

2.2 優點分析

（1）處理量遠遠大于普通濃縮機。通常的情況下，高效濃縮機的單位處理量，比普通濃縮機高4～9倍，甚至更高。美國某公司有實驗表明，高效濃縮機的處理能力，甚至比普通濃縮機高出13倍多。

（2）投資少。建設投資比相同處理能力的普通濃縮機低了將近1/3。

（3）濃縮效果好。其操作費用雖然比普通濃縮機高一些，但是由于高效濃縮機電耗較低，而且可得到較高濃度的底流。這些超過的費用，也就不顯得是高了。

（4）沉積層厚度大，池深靜壓高。高效濃縮機的入料方式，和傳統濃縮機的入料方式不一樣，在進入濃縮機前，就對入料礦漿排氣，并把礦漿輸送到濃縮機底部的壓縮區，這使其沉積層厚度更大和池深靜壓更高，大大提高了濃縮的效率。

（5）脫氣裝置在給礦管前，可消除礦漿中的空氣。如果濃縮機的入料礦漿有比較多的氣量，固體顆粒的相對密度就會降低，而物料在給入濃縮機后，會因為流體的干擾和相互撞擊，排出礦漿中的空氣，并且這些空氣會在礦漿內形成氣泡，氣泡在上升過程中，粘附上許多細小的顆粒，這會使原來就不容易沉降的細小顆粒，又被氣泡帶到濃縮機的上面，不利于礦粒的沉降。這也會使溢流的固體濃度增加，很大程度地影響溢流水的清澈品質。所以，設計一個脫氣裝置于給礦管前，可以消除礦漿中的空氣，對固體顆粒的沉降十分有利，也將濃縮機的處理能力大大提高。

（6）通過深層給料井，把礦漿送到濃縮池底。高效濃縮機的深層入料，將固體顆粒的沉降路程大大縮短，粗粒快速進入到壓縮區，降低了中上部煤泥水的濃度；與此同時，給料處上部厚厚的沉積阻礙層，也對細粒物料的沉降有利。進入濃縮機前的礦漿，就和絮凝劑混合在一起了，在給料井出口地方絮凝，并迅速形成的大絮團，快速沉降到底，那些細小顆粒也在上升過程中遭受大量絮凝團顆粒的碰撞，降低了上升的動能；另外，上面的絮團物料層對上升液體中的細小顆粒，也起到了過濾的作用，這使得上升的液體濃度更小，也就使絮凝物料層和著粗細物料顆粒，一起沉入高效濃縮機底部并被排出。

2.3 濃縮池尺寸的改革

由于我國現在許多選煤廠所用的普通濃縮機，大多是上世紀60年代冶金礦山使用的礦山用濃縮機經過改造生產出來的，采礦處理的礦漿含有密度很大的固體顆粒，能夠很好地沉淀，澄清區效果好，即使濃縮池很淺，但溢流澄清水的品質仍然有很高的清澈度。在采礦的企業中使用這種淺濃縮池效果較好，不會出現煤泥水帶來的各種問題。然而，因為煤泥水中的固體顆粒密度小，難以沉降，淺濃縮池的弊端也就顯現出來。沉淀速度慢很多，這和礦產沉淀物區別很大，因此如果再沿用這種普通的濃縮機，就會給濃縮池的溢流水帶來很大的麻煩，造成水的惡性循環，最終破壞濃縮機。除非加深濃縮池的深度，否則這個問題無法解決。

由于小的固體顆粒很容易與水流一起流出，溢流水水質不高，濃縮機的處理能力就大打折扣了。再者，普通濃縮機池底的坡度范圍較小，一般為3°～7°，這樣的坡度有利于金屬礦產的漿料水的沉淀，卻阻礙了向中心排料口排料的泥漿的速度。

高效濃縮機改進了技術，再一次克服了普通濃縮機的這一缺點。其采用了較高的池深，不僅使顆粒在池中的有更長的沉降濃縮時間，也把壓縮區的靜壓大大提高了。另外，高效濃縮機的設計中，還將池底的坡度增大了（一般為8°～16°），這樣池底的泥漿向中心排料口集中，就更加容易了。

2.4 高效濃縮機的革新——藥劑混合裝置的植入

由于在高效濃縮機的結構中，增加了藥劑混合裝置，將絮凝劑添加進泥漿中，這種方式對絮凝效果產生了積極的影響，絮凝效果的好壞對濃縮機的工作品質有著質的影響。

“如果絮凝劑添加點在浮選機尾礦箱，由于尾礦箱離尾煤濃縮機的距離較遠，因此作用時間過長，而絮凝劑與物料的混合時間過長，會造成已形成的絮團解離，絮凝效果不好；如果在濃縮機入料管添加絮凝劑，則作用時間短，絮凝劑與物料則來不及充分混合，無法形成絮團，絮凝效果也不好。”這是《選煤技術》雜志2002年第12期朱長玉先生的結論。

我們可以得出一個結論：添加絮凝劑的過程，必須有時間的限制，如果絮凝劑與入料礦漿接觸沒有充分混合，那么絮凝劑的絮凝效果就無法充分發揮出來，這也會增加藥劑的消耗。在進入濃縮機前加藥，這是高效濃縮機的新設計理念，只有更為科學的加藥方式，才能使煤泥與藥劑得到充分混合，并發生化學反應，以最好的絮凝狀態進入到高效濃縮機中，提高絮凝效果，降低藥耗。

目前，高效濃縮機的藥劑混合方式有許多種，通常國外高效濃縮機采用的裝置有Envir倒錐形裝置，旋流分散裝置和機械攪拌給料裝置。我國國內使用的是GXN系列機器，為了提泥漿水的高絮凝效果，采用了靜態混合器及多點加藥方式。

2.5 對耙架位置的設計革新——中心傳動的方式

經比較得知：高效濃縮機的單位處理能力，比普通耙式濃縮機高出3～9倍。相同處理能力的高效濃縮機直徑，較普通濃縮機的要小得多，需要的傳動力矩也小很多。所以，中心傳動方式，可以保證機器的正常運行。這種傳動方式的最大的優點是，當機器的負荷過大的時候，能夠把耙架自動提起來，荷載消除之后，耙架又自動恢復原位。而且中心傳動方式的濃縮效果好，溢流的水品質高。

所有這些優點，對選煤廠的長時間的連續生產來說，是非常節約的。前文在分析普通耙式濃縮機時已經知道，在停電或給料不均時，容易壓耙，需要很多天的時間，才能重新開始運轉。所以，這種自動提耙裝置，也是高效濃縮機高效的一種體現。

有一點不足的地方是，這種傳動方式的驅動裝置比較復雜。所以對于直徑大的高效濃縮機來說，驅動力矩變大帶來的作用，采用周邊傳動的方式會更好一些。

最后，在機器的操作方面，高效濃縮機的操作更為復雜一些。所以，對溢流水質的控制，絮凝效果的把握，也都需要更高的技術操作含量。

3 結束語

煤泥水的有效處理，是一項關乎選煤廠能否持續高效運行的程序。我國選煤技術的不斷突破與革新，將給高效濃縮機的發展帶來更好的性能。我國的煤炭需求量十分大，許多大型的選煤廠將會運用到高效濃縮機。這種設計科學合理、占地少、結構簡單、安裝和操作便捷、處理能力強大和溢流含固體量低的裝備，必將在選煤行業里面占據其不可動搖的地位。高效濃縮機是經過不斷實踐和改革，并耗費了大量的人力物力財力才最終設計出來的先進的機器，可以斷定，這種機器將會得到更加廣泛的應用。

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