紅柳洗煤廠煤泥特性與產品結構研究

劉文統

(神華寧夏煤業集團有限責任公司 選配煤中心，寧夏 銀川 750000)

紅柳洗煤廠是一座設計能力為16 Mt/a的特大型動力煤洗煤廠，于2009 年 10 月建成投產。原煤采用全粒級入選，分選粒度下限為0.1 mm，洗選工藝為200～25 mm粒級塊煤由淺槽重介質分選機分選、25～1.5 mm粒級末煤由兩產品重介質旋流器主再選、1.5～0.1 mm粒級粗煤泥由螺旋分選機分選的聯合工藝[1-2]。入選原煤為中高灰、低硫、中高揮發份、中低發熱量、不粘結的不粘煤，主導產品包括200～25 mm粒級洗塊煤，作為化工原料或民用燃料；<25 mm粒級混煤，作為電煤和鍋爐噴吹煤。根據寧煤集團動力煤產品銷售戰略目標要求，對于“神寧一號”動力煤產品，省外銷售產品的發熱量要達到20.90 MJ/kg，省內銷售產品的發熱量要達到19.65 MJ/kg。

目前，煤炭行業產能過剩，煤炭市場競爭激烈，動力煤市場受到極大沖擊。為了保證商品煤質量，紅柳洗煤廠產生了大量煤泥；由于煤泥水分高(Mad為10.15%，Mt為33.02%)、灰分高(Ad在40%～48%之間)、發熱量低(Qnet,ar在8.76～10.11 MJ/kg之間)，無法摻入商品煤銷售，單獨銷售難度更大，這不但造成嚴重的資源浪費，而且污染廠區環境，也給企業經濟效益的提升產生了不利影響。提質是解決煤泥銷售困難的重要手段，也是提高選煤經濟效益的有效途徑，具有良好的經濟效益和社會效益[3-5]。隨著選煤技術的進步，動力煤選煤廠的煤泥提質技術在工藝和設備層面都有了較大發展。目前，主要的提質技術有3種[6-8]，分別為摻配提質技術、干燥提質技術、浮選提質技術，這三種技術都有自身的適用范圍。摻配提質技術主要適用于發熱量較高的優質煤泥，將其摻入末煤產品或電煤產品后，對產品質量影響小；干燥提質技術主要以降低煤泥水分為主，通過干燥達到提高煤泥發熱量的目的，干燥后的煤泥能夠單獨銷售或摻入商品煤銷售；對于一些劣質煤泥，上述兩種技術很難滿足提質要求，此時浮選就成為細煤泥提質最常用、效果最好的方法。煤泥經過浮選提質后，產品灰分大幅下降而發熱量有所提高，可使其從劣質煤泥產品轉化為高品質的精煤產品。

1 生產現狀

1.1 原煤煤質與分選工藝

紅柳洗煤廠的原煤粒度組成及其質量指標(表1)說明：該廠原煤粒度組成偏細，原生煤泥產率較低(為8.64%)，<3 mm粒級粉煤產率較高(為36.26%)，>13 mm粒級塊煤產率較低(為28.30%)。各粒級原煤的Qnet,ar均較低，其中<6 mm粒級末煤的Qnet,ar為16.05 MJ/kg，<13 mm粒級末煤的Qnet,ar為16.29 MJ/kg，<50 mm粒級原煤的Qnet,ar為15.66 MJ/kg，都不能滿足“神寧一號” 動力煤省內外銷售產品的Qnet,ar要求。

由于原煤中<6 mm粒級粉煤產率高達50.41%，Qnet,ar僅為16.05 MJ/kg，目前動力煤選煤廠廣泛采用的塊煤入選、末煤不入選工藝不適合該洗煤廠原煤性質，即使采用全粒級洗選煤泥減量化生產技術，仍不能滿足商品煤的Qnet,ar要求。

表1 原煤粒度組成及其質量指標

目前該洗煤廠的原煤洗選原則流程如圖1所示。入選原煤被破碎至<200 mm后，以25 mm粒度進行分級，200～25 mm粒級塊煤采用淺槽重介質分選機分選，<25 mm粒級末煤經1.5 mm脫泥后，25～1.5 mm粒級采用有壓兩產品重介質旋流器主再選，1.5～0.1 mm 粒級細煤泥采用螺旋分選機分選；煤泥水采用三段濃縮 (即兩段串聯濃縮、一段凈化濃縮)方式處理，一段、二段濃縮機的底流分別采用沉降過濾式離心機、快開壓濾機脫水處理。

圖1 紅柳洗煤廠的原煤洗選原則流程

從該洗煤廠的產品結構(表2)可以看出，商品煤為塊煤產品和末煤產品，二者的Qnet,ar均大于19.65 MJ/kg，滿足產品質量要求；而煤泥產品的產率為18.45%，Qnet,ar為10.11 MJ/kg，銷售難度很大。

表2 產品結構

1.2 存在問題與原因分析

原煤煤質和商品煤質量要求決定該洗煤廠必須采用全粒級入選方式，但大量煤泥的有效提質是目前急需解決的難題。煤泥質量差的主要原因有兩個，一是缺少細煤泥分選環節，導致細煤泥產品灰分高、水分高、發熱量低，不滿足銷售要求；二是一段濃縮機底流采用臥式沉降離心機脫水，回收的煤泥灰分高、發熱量低，摻入電煤后致使商品煤質量降低。

從理論上來講，一段濃縮機底流通過臥式沉降離心脫水機處理，能夠回收其中部分粒度較粗(0.075 ～0.50 mm粒級)的煤泥，這部分煤泥可以摻入電煤銷售，有助于提高電煤產量。但在生產實際中，濃縮機底流粒度較細，很難滿足臥式沉降離心脫水機對入料粒度的要求，且煤泥灰分較高，發熱量較低，摻入電煤后致使商品煤質量降低。此外，壓濾煤泥灰分更高，發熱量更低，摻入末煤產品后直接影響其銷售；當前煤炭形式下，這部分煤泥只能被廢棄。

提質技術是提高商品煤質量，提升企業經濟效益，減少煤炭資源浪費的有效途徑。研究分析認為，γ為18.45%的煤泥，Qnet,ar為10.11 MJ/kg，無論是與其它商品煤摻配還是干燥提質，均不能滿足產品質量要求，故浮選成為煤泥提質的唯一途徑。

2 試驗結果與分析

煤泥試樣為紅柳洗煤廠的壓濾機濾餅，根據國家標準，通過小篩分試驗、小浮沉試驗及小浮選試驗，探求煤泥的粒度組成、密度組成和可浮性特征，進而評價煤泥浮選產品的質量和價值，為產品結構優化提供參考。

2.1 煤泥來源與組成分析

根據該洗煤廠入選原煤的生產大樣篩分、浮沉試驗結果，結合GB 50359—2005《煤炭洗選工程設計規范》[9]，確定的煤泥組成見表3。由表3可知：原生煤泥γ為8.64%，浮沉煤泥γ為5.94%，次生煤泥γ為5.46%，破碎煤泥γ為0.03%，合計γ為20.07%，Ad為39.82%；浮沉煤泥Ad高達51.85%，說明矸石存在嚴重泥化現象。

表3 煤泥來源與組成

2.2 煤泥小篩分試驗

煤泥篩分試樣質量為 100 g，Ad為40.67%，根據 GB/T 477—2008 《煤炭篩分試驗方法》[10]規定，對其進行小篩分試驗，所測得的粒度組成見表4。

由表4可知: 主導粒級為<0.045 mm粒級，γ為39.03%，Ad高達59.19%；該粒級灰分比全部煤泥的高約19個百分點，說明矸石泥化嚴重，這對浮選選擇性產生不利影響。這部分細顆粒很容易附著在煤粒表面的孔隙或裂隙中，很難將微細煤粒與異質細泥分開，在浮選過程中，極易以機械夾帶或者細泥罩蓋的方式進入精煤，浮選精煤存在高灰細泥污染問題。0.075～0.50 mm粒級為浮選的最佳粒級，γ為55.08%，Ad為27.06%，產率高而灰分低，這有利于浮選的進行。

表4 煤泥粒度組成

2.3 煤泥小浮沉試驗

按照GB/T 478—2008 《煤炭浮沉試驗方法》[11]規定進行煤泥小浮沉試驗，試驗的密度精度為0.001 g/cm3，空氣干燥基煤樣質量為200 g，結果見表5。

由表5可知：主導密度級為>2.00 g/cm3密度級，γ為42.81%，Ad為74.38%，說明矸石嚴重泥化；<2.00 g/cm3密度級的γ為57.19%，Ad為11.95%，排出高灰細泥后可以得到灰分較低、產率較高的精煤。中間密度級1.50～1.70 g/cm3的γ為32.99%，Ad為9.51%，其為煤和矸石的聯生體，產率較高而灰分較低，說明煤泥的可浮性較差。1.70～2.00 g/cm3密度級為高密度區間，γ為13.43%，Ad為21.88%，產率較低而灰分較高，說明矸石在煤中嵌布較多；如果要求浮選精煤Ad<12%，這部分高灰煤泥的灰分屬于邊界灰分，浮選難度較高，不利于浮選過程的進行。

表5 煤泥小浮沉試驗結果

2.4 煤泥浮選試驗

根據GB/T 4757—2013 《煤粉(泥)實驗室單元浮選試驗方法》[12]規定，進行煤泥浮選試驗。試驗設備為XFD1.5L浮選機，轉速為1 800 r/min，充氣速率為0.25 m3/(m2·min)；起泡劑選用仲辛醇(密度為0.85 g/cm3)，捕收劑分別選用柴油和DH(密度為0.85 g/cm3)；攪拌時間為120 s，加捕收劑后攪拌60 s，加起泡劑后攪拌10 s，充氣刮泡時間為180 s。試驗結果見表6。

表6 煤泥浮選試驗結果

注：藥比為捕收劑與起泡劑的質量比。

由表6可知:

(1)當分別以柴油、仲辛醇作為捕收劑、起泡劑時，在藥劑用量從3.00 kg/t降至1.00 kg/t、藥比由9∶1減小到5∶1的過程中，浮選精煤γ增加14.55個百分點，Ad增加0.93個百分點，浮選尾煤Ad增加6.66個百分點，Ec增加19.97個百分點，ηωf提高13.75個百分點，這說明試驗范圍內9∶1的藥比不合理，起泡劑用量偏小，而5∶1的藥比較為合理。當藥劑用量增加到1.50 kg/t時，浮選效果明顯改善，浮選精煤γ提高到40.15%，浮選尾煤Ad達到55.45%，Ec為55.91%，ηωf達到39.88%。

(2)當分別以DH、仲辛醇作為捕收劑、起泡劑時，在藥比為5∶1、藥劑用量由1.50 kg/t增加到2.00 kg/t的條件下，浮選精煤γ增加9.41個百分點，Ad增加0.26個百分點，浮選尾煤Ad增加9.99個百分點，Ec增加12.92個百分點，ηωf提高8.89個百分點，這說明適當增大藥劑用量可以顯著改善浮選效果。當藥劑用量為2.00 kg/t、藥比為3∶1時，浮選精煤γ增加1.34個百分點，而其Ad升高0.65個百分點，ηωf下降0.26個百分點。這說明試驗范圍內的最佳藥劑用量為2.00 kg/t、藥比5∶1。

(3)在藥比為5∶1、藥劑用量為1.50 kg/t的條件下，與柴油作為捕收劑的浮選效果相比，DH的Ec高11.29個百分點，ηωf高8.51個百分點，浮選精煤γ高8.05個百分點而Ad低0.46個百分點，浮選尾煤Ad高6.09個百分點，這說明DH比柴油的浮選效果好，其適合作為紅柳洗煤廠煤泥浮選的捕收劑。

當以仲辛醇作為起泡劑、DH作為捕收劑，在藥比為5∶1、藥劑用量為2.00 kg/t時，對于灰分為39.30%的煤泥，通過浮選可獲得Ad為15.58%、γ為57.61%的浮選精煤，Ec達到80.12%。根據GB/T 30047—2013《煤粉(泥)可浮性評定方法》[13]評定，該煤泥的可浮性為易浮。

3 煤泥浮選后產品結構變化

3.1 煤炭發熱量數學模型

為了確定該洗煤廠煤泥Qnet，ar與Ad的關系，假設浮選精煤的Qgr，d為因變量，Ad為自變量，根據表1數據，按照Qgr，d=aAd+b線性關系，建立數學模型。計算得到a=-0.333 3、b= 30.799，即線性回歸方程為Qgr，d= -0.333 3Ad+ 30.797(單位為MJ/kg)，通過對回歸方程的相關系數R分析，可得出|R| = 0.998 3。此時，Qgr，d與Ad的關系曲線如圖2所示。

圖2 Qgr,d-Ad的關系曲線

根據氫含量、水分數據將高位發熱量轉換為收到基低位發熱量，其關系式為：

式中：Qnet,ar為收到基低位發熱量，MJ/kg；Ad為干基灰分，%；Mt為全水分，%。

根據要求的產品發熱量和實際水分計算其灰分，當產品水分為 25%時，單位Ad對應的Qnet,ar為0. 243 MJ/kg；當產品灰分為15% 時，單位Mt對應的Qnet,ar為 0.276 MJ/kg。

3.2 產品結構預測

根據煤炭發熱量數學模型，計算出的煤泥浮選后的產品指標見表7。由表7可知：煤泥經過浮選后，浮選精煤水分比煤泥水分降低8.02個百分點；依據第5組的產品指標，精煤γ為57.61%、Qnet,ar達18.31 MJ/kg，比煤泥Qnet,ar高7.43 MJ/kg。

表7 煤泥浮選后的計算產品指標

按照入浮煤泥量占入選原煤量的18.45%、浮選精煤γ為57.61%計算，煤泥浮選后精煤γ可增加10.63個百分點(占全廠原煤)；其Qnet,ar為18.31 MJ/kg，摻入末煤后可獲得Qnet,ar為20.55 MJ/kg的商品煤，能夠滿足省內銷售產品對Qnet,ar的要求。煤泥浮選前后的產品結構變化情況見表8。

4 技術經濟可行性分析

4.1 浮選原則流程的制定

浮選試驗結果和產品結構分析表明，煤泥浮選后商品末精煤γ可提高10.63個百分點；對于浮選產生的γ為9.56%、Qnet,ar僅為3.60 MJ/kg的尾煤，可以直接廢棄或作為綜合利用的原料。本著充分利用現有煤泥水系統設施的原則，制定的浮選和脫水原則流程如圖3所示。

表8 煤泥浮選前后的產品結構變化情況

圖3 增加浮選系統前后的煤泥水處理原則流程

增加浮選系統后，浮選精煤和尾煤脫水盡可能利用現有設備，以節省投資和提高設備利用效率。浮選工藝流程為：煤泥分級旋流器溢流去浮選(一次浮選機)，浮選精礦由沉降過濾式離心脫水機脫水，回收其中粒度較粗(以>0.2 mm粒級為主)的精煤；離心液和濾液進行二次浮選，二次浮選精礦由壓濾機脫水回收，浮選精煤全部摻入末精煤；浮選尾礦和壓濾機濾液去濃縮機澄清，其溢流作為循環水，底流通過壓濾回收其中尾煤，多臺濃縮機并聯使用。

4.2 經濟效益分析

增加浮選系統后，由于煤泥總量沒有發生改變，故原有煤泥脫水設備原則上可以滿足浮選精煤和尾煤的脫水要求；將原煤泥水兩段濃縮工藝改為一段(尾煤)濃縮工藝，原濃縮機處理能力完全滿足需要，整個生產系統僅需增加浮選機及其配套設備。該洗煤廠的生產能力為16 Mt/a，工作制度為330 d/a、16 h/d，原煤入選量為3 030.30 t/h，入浮煤泥量占原煤入選量的18.45%，故入浮煤泥量為559.10 t/h。XJM-S90(5)浮選機的處理能力為315 t/h，礦漿處理量為3 150 m3/h，2臺浮選機即可滿足浮選生產需要。

浮選系統的運行成本主要由藥劑成本、材料成本及動力成本組成，根據該選煤廠的工作制度，參考同類選煤廠的實際情況，計算出的浮選生產運行成本為：

(1)材料消耗與維護保養成本。根據實際經驗數據，浮選系統設備材料消耗與維護保養成本為2 元/t；干煤泥的浮選藥劑用量為2.00 kg/t，藥劑價格為 8 000 元/t，即浮選藥劑成本為16.00元/t。因此，每年的材料消耗和維護保養成本為 5 313.60萬元。

(2)動力成本。浮選生產系統的實際電耗為1 352 kW·h/t，電價按 0.60 元/(kW·h) 計算，每年的電費為428.31萬元。另外，浮選崗位司機共需要6人，平均酬薪為 6 500 元/月，故每年需要支出的總酬薪為46.80萬元。

增加浮選系統后，每年的煤泥入浮量為295.20萬t，浮選精煤產率為57.61%，將浮選精煤摻入末精煤后，其銷售價格為270 元/t，而煤泥銷售價格為 65 元/t，因此每年可增加銷售收入45 917.47萬元；去除各種成本后，每年的銷售利潤可增加20 940.76萬元。

5 結論

(1)原煤全粒級入選方式適合紅柳洗煤廠的原煤性質和產品質量要求，但產生了大量難于銷售和利用的煤泥；由于其自身原因，很難摻入商品煤銷售，造成嚴重的資源浪費，且污染廠區環境。

(2)以DH和仲辛醇作為浮選藥劑，在藥比為5∶1、藥劑用量為2.00 kg/t時，對于Ad為39.30%的煤泥，通過浮選可獲得Ad為15.58%、γ為57.61%的精煤，Ec達80.12%。

(3)通過浮選產品指標計算和產品結構預測，浮選精煤Qnet,ar達18.31 MJ/kg，比煤泥Qnet,ar高7.43 MJ/kg；浮選精煤可以直接摻入商品末煤銷售，可使其γ提高10.63個百分點，商品煤產量增加1.70 Mt/a，每年的銷售收入增加20 940.76萬元。

(4)動力煤選煤廠的煤泥浮選，可以有效改善產品結構，充分利用煤炭資源，經濟效益、社會效益、環境效益均顯著。

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