淺槽重介分選機上升流系統防堵優化研究

王振龍，朱子祺，粟翠華，張新元，陳 文，劉遠力

(1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315；2.株洲天橋舜臣選煤機械有限公司，湖南 株洲 412001)

淺槽重介分選機是塊煤分選的主要設備之一，因其占地面積小、處理能力大、能耗低、分選精度較高，在我國選煤廠得到廣泛應用。通常淺槽重介分選機內部的懸浮液通過兩個部位給入分選槽，從下部給入的懸浮液為上升流，其通過布流板進入槽內，目的是保持懸浮液穩定與均勻，并使物料得到分散；從側面給入的懸浮液為水平流，在水平流箱的反擊和限制作用下，水平流沿全寬均勻進入槽內，可使槽體上部的懸浮液密度保持穩定，并形成由入料端向排料端的水平流，對上浮精煤起到運輸作用[1-3]。其中，上升流大小及其管道是否暢通影響著物料的分層效果和分選精度，是整個分選過程中至關重要的影響因素。

上灣選煤廠隸屬于神華神東煤炭集團洗選中心，是一座處理能力為14.00 Mt/a的特大型礦井型選煤廠。采用塊煤淺槽重介分選機分選工藝，末煤不洗選，煤泥水全部采用水力旋流器和濃縮機處理，粗細煤泥分別采用離心機、加壓過濾機脫水，實現洗水一級閉路循環。多年的生產實踐發現，因上升流管道直徑較小引發的管道堵塞是一個普遍性的問題，對正常的選煤生產非常不利，導致精煤產率降低、產品灰分升高、電能消耗增大、人力成本升高等，最終使產品質量不穩定，且生產成本增加。為此，從淺槽重介分選機上升流系統結構與工作原理出發，結合上灣選煤廠的生產實踐經驗，研究懸浮液性質、合格介質分流等因素對上升流系統正常運行的影響，并提出相應的優化方案。

1 淺槽重介分選機結構與工作原理

W26F54淺槽重介分選機由槽體、驅動裝置、主軸驅動鏈輪、中間軸托鏈輪、張緊軸改向鏈輪、刮板鏈系統、水平流系統、上升流介質斗、布流孔板及襯板等組成。W26F54淺槽重介分選機結構簡圖如圖1所示。

1—張緊軸;2—刮板鏈;3—中間軸;4—驅動裝置;5—上升流介質斗;6—夾管閥

當原煤通過水平流箱上方的溜槽進入分選機槽體內時，在調節擋板作用下全部浸入懸浮液，在浮力作用下開始出現分層；精煤等低密度物浮在上層，矸石等高密度物沉到槽底；在物料下沉過程中，在上升流的作用下，與矸石混雜的低密度物充分分散后繼續上浮；在水平流的作用下，浮在上部的低密度物由溢流口排出成為精煤；在刮板的作用下，沉到槽底的高密度物由機頭溜槽排出成為矸石，從而完成一個分選過程[4]。

2 影響因素探討

在淺槽重介分選機分選過程中，上升流系統堵塞頻繁成為一個普遍性問題。上升流系統被堵塞的因素很多，從生產現場分析，這些影響因素大致可以分為四類，即原煤性質、懸浮液性質、篩分設備結構、上升流系統結構四方面。

2.1 原煤性質

(1)入料下限。在工藝設計中原煤的入料下限為13 mm，一般其被破碎后，13～3 mm粒級的產率高于其他粒級；即使下道工序設計有脫泥環節，也需要考慮脫泥篩的分級效率。<6(3)mm粒級末煤大部分成為篩下物，但進入淺槽重介分選機的物料粒級并不是200～13 mm粒級，而是200～6(3) mm粒級，導致淺槽重介分選機入料中的細粒增多，次生煤泥量增大，通過分流實現懸浮液中煤泥量平衡的難度增加，上升流系統發生堵塞的可能性進一步增大。

(2)分級粒度。原煤的分級(脫泥)粒度主要為6、3 mm，而理論上淺槽重介分選機的分選下限為6 mm，其對<6 mm粒級物料分選效果差，且易使懸浮液的粘度增大。在生產實踐中，通常要求淺槽重介分選機的入料中<6 mm粒級物料的含量小于6%。當以6 mm作為分級粒度時，進入淺槽重介分選機的細粒物料少，這對防止上升流系統被堵塞有利；當以3 mm作為分級粒度時，其中存在一定量的6～3 mm粒級細粒物料，這部分物料可能堵塞上升流系統。一般來說，采用3 mm作為分級粒度時，<25(13)mm粒級物料不分選；將分級粒度由3 mm改為6 mm，主要是考慮煤泥處理系統的生產能力。

(3)原煤水分。當原煤外在水分<7%時，分級過程易于進行；隨著原煤水分的增加，分級效率逐漸降低。此外，原煤分級篩的類型、振動方式、篩網材質、篩孔形狀也影響其分級效率[5]。隨著分級篩分級效率的降低，進入淺槽重介分選機的細粒煤增加，這對防止上升流系統被堵塞不利。

(4)泥化特性。煤和矸石泥化后產生細泥，導致懸浮液中的煤泥量增加，進而使懸浮液分流量加大；分流量和稀介桶、煤泥桶次生煤泥量的增加，使介質回收系統、煤泥處理系統生產壓力增大，濃縮池溢流中的煤泥量增多。在這種情況下，循環水調節合介桶內懸浮液粘度的能力變弱，反而使懸浮液的分流量增大，并使淺槽重介分選系統的懸浮液、煤泥水粘度增加，沉降分離效率降低，設備的處理能力降低，這不利于生產系統的正常運行[6-7]。

在現場實際生產過程中，煤和矸石的泥化對懸浮液回流的影響更大。在每班生產結束并停止給料時，分選槽內大量的懸浮液通過上升流系統回到合格介質桶，如果煤和矸石泥化嚴重，其中所含的大量次生煤泥會使槽內懸浮液的粘度增大，進而使懸浮液的回流速度變慢；同時，分選槽內煤和矸石的泥化時間得到延長，產生更多的次生煤泥。這是一個惡性循環過程，直至槽內懸浮液結構化，流動性急劇下降，回流速度更慢，從而使上升流系統布流板的板孔大部分被堵塞。

2.2 懸浮液性質

(1)懸浮液粘度。懸浮液粘度是影響上升流系統運行好壞的關鍵因素，其粘度越大，液體流動的阻力越大[8]，上升流系統越易被堵塞。影響懸浮液粘度的主要因素包括磁鐵礦粉性質和煤泥含量，對一般選煤廠而言，磁鐵礦粉是從外部采購的，而外購磁鐵礦粉的粒度、密度等性質是根據分選設備、分選工藝確定的，相應的技術參數也隨之確定，故生產實踐中其對懸浮液粘度的影響可以看做不變。懸浮液中的煤泥含量是一個變量，其在懸浮液中是一個逐漸積累的動態過程，并隨生產工藝、原煤性質等條件的變化存在不同的平衡值。因此，懸浮液中煤泥含量大幅增加是上升流系統堵塞的重要因素。

(2)懸浮液分流。當懸浮液中的煤泥含量增大時，懸浮液粘度也增大，容易堵塞上升流系統，不利于原煤分選。分流的主要目的是為了避免煤泥在循環系統積聚，導致懸浮液的粘度增加。而將部分合格介質分流到稀介系統，經磁選回收后循環使用，并將多余的煤顆粒和水排出循環系統，能夠維持懸浮液中煤泥含量的穩定[9]。

2.3 篩分設備結構

(1)篩板損壞。由于精煤篩的篩前固定篩板損壞、精煤脫介篩的篩板損壞、矸石篩的篩板損壞、磁選機的入料管道堵塞、懸浮液回流時接近布流孔板孔徑的物料進入等原因[10]，少量煤塊或矸石進入合格介質桶，在泵動力和管路阻力作用下，桶內10～3 mm粒級的物料越來越多。在實際生產過程中，接近布流孔板孔徑的煤粒隨上升流運動時，容易自下而上堵塞布流孔板的板孔，從而使上升流系統不暢或堵塞，進而影響淺槽重介分選機的正常分選。

(2)篩孔尺寸。精煤和矸石脫介篩合介段篩板的作用是分別將分選中產生的懸浮液、刮板運動帶出的懸浮液脫除，為其回流奠定基礎，合介段篩板的篩孔尺寸一般在1～2 mm之間。與篩孔尺寸2 mm的合介段篩板相比，當脫介篩合介段篩板的篩孔尺寸為1 mm時，懸浮液中1～2 mm粒級煤泥被合介段篩板截留并運動至脫介篩，致使脫介篩負荷增加；在生產過程中，部分磁鐵礦粉被1～2 mm粒級煤泥帶走，導致重介生產系統介耗增高。但以1 mm作為脫介篩合介段篩板的篩孔尺寸，可使進入合介桶的煤泥量減少，這對防止上升流系統被堵塞非常有利。因此，精煤和矸石脫介篩合介段篩板的篩孔尺寸選用2 mm對控制介耗有利，而選用1 mm對防止上升流系統被堵塞有利。

2.4 上升流系統結構

刮板與布流孔板的間隙、布流板形式及介質斗的緩沖板位置對上升流系統能否正常運行有著一定影響。理論上刮板與布流孔板的間隙以2～5 mm為宜，但實際生產中由于矸石與布流孔板、矸石與刮板、鏈條與上滑道之間的相互磨損，兩者之間的間隙逐漸增大，在間隙增大至一定程度后，矸石可能被卡在刮板與布流孔板之間。在刮板驅動力的作用下，矸石被破碎成細粒甚至微細粒，進而自上而下的堵塞布流孔板的板孔，這種情況在上升流轉為下降流時容易發生。因此，刮板與布流孔板的間隙過大是上升流系統被堵的一個重要原因。

在生產過程中布流孔板的板孔易被合介桶中的煤塊或矸石自下而上堵塞，在介質回流過程中其易被矸石自上而下堵塞，再加上回流過程中因懸浮液粘度過大引起的堵塞，在三種因素的疊加作用下，板孔被堵塞幾率大大增加，在其被堵塞至一定數量后，布流孔板、介質斗、上升流系統的管道特定部位也會被堵塞。此外，介質斗緩沖板的位置不能距離布流孔板的位置太近，否則極少量固體物(如加重質、煤泥)沉降也會使相應位置布流孔板的板孔被堵塞。

3 優化方案

3.1 加強篩分設備管理

原煤的分級粒度、脫泥粒度、脫介粒度均對上升流系統的正常運行有著重要影響，但由于原煤性質、產品用途、產品種類、洗選工藝、處理能力等的制約，對分級設備的調節余地不大。結合生產現場實際情況，可以采取的優化方案主要是在現有工藝條件下加強分級設備管理，提高相關環節分級設備的分級效率，以減少進入分選系統的煤泥量，進而為淺槽重介分選機的高效分選創造良好條件[10]。

3.2 強化懸浮液分流量管理

在現場實際生產中，對懸浮液進行適當的分流是避免上升流系統被堵塞，并保證淺槽重介分選機正常運行的關鍵環節。因此，生產過程要強化懸浮液的分流管理，結合懸浮液的粘度和其他相關因素，確保分流量科學合理，為淺槽重介分選機的正常運行奠定基礎。

根據國內外的實踐經驗，可通過在線自動控制系統檢測懸浮液中的煤泥量，并根據檢測數據自動調節分流裝置的分流量大小，從而使懸浮液中的煤泥量和懸浮液的粘度保持在一個合理的范圍內，這樣有助于減少上升流系統被堵塞事故的發生。

3.3 合理調整刮板與布流孔板的間隙

刮板與布流孔板的間隙過大是布流孔板板孔被堵塞的一個重要原因，因此實際生產中要定期檢查兩者之間的間隙，及時更換相關的損壞部件，如布流孔板、刮板、鏈條等，確保淺槽重介分選機的上升流系統不被堵塞。此外，在更換周期過半后的一段時間內，可將鏈條拆下并翻邊安裝，以延長其使用壽命，減少刮板與布流孔板之間的間隙。

3.4 上升流系統結構優化

(1)上升流主管優化。為了改善上升流系統的運行效果，上灣選煤廠對上升流管道進行了優化。如將彼德斯淺槽重介分選機上升流的介質斗下短管由DN80改為DN100，在其他情況不變的條件下，原煤分選效果沒有得到明顯改善，但上升流管的過流面積提高56個百分點，單位時間內懸浮液的回流量大幅增加，撤介時間大大縮短，可使易泥化夾矸物料快速沉底，并通過刮板及時排出，這能夠有效切斷泥化產物帶來的惡性循環。這說明將上升流系統中介質斗下短管至主管的管道和閥門改大一個規格，能夠解決煤和矸石泥化對上升流系統產生的不良影響。

(2)孔數優化。為了避免布流孔板的板孔在生產和停泵時被下上堵塞，導致布流孔板的過流面積減少，進而使撤介速度變慢，同時上升流介質斗、管道等被沉積物堵塞，很有必要增加布流孔板的孔數。根據上灣選煤廠的試驗結果，將布流孔板的孔數增加30%～50%比較合適。

(3)孔形優化。在多次試驗的基礎上，上灣選煤廠將布流孔板的孔形由圓柱形改為錐形(錐口朝下，即向介質斗方向)，這樣可以極大地減少布流孔板板孔被堵塞的概率。針對煤和矸石泥化及合介桶內煤塊(矸石)影響上升流系統正常運行的問題，在保證淺槽重介分選機正常分選的前提下，對上升流系統的結構參數進行了優化，此時上升流系統的堵塞頻率大幅降低。

4 優化效果與經濟效益

4.1 優化效果

這些優化方案不但在理論上可行，而且在生產實踐中得到了進一步驗證。就神東公司上灣選煤廠305淺槽重介分選機優化前后的生產實踐來看，優化效果明顯。優化前，上升流系統的月均堵塞次數在13次左右，優化后(2017年3—7月)，月均堵塞次數為1次，堵塞頻率下降90個百分點以上，優化的其他淺槽重介分選機上升流系統運行狀況也得到了不同程度的改善。

4.2 經濟效益

在將305淺槽重介分選機上升流系統優化后，上升流系統運行效果得到明顯改善，并對生產系統的能耗、介耗帶來積極影響，生產成本下降顯著。

(1)電耗降低。淺槽生產系統的精煤脫介篩、矸石脫介篩、矸石刮板輸送機、矸石帶式輸送機、煤泥帶式輸送機、循環泵及煤泥離心機等設備的總功率為2 000 kW，上升流系統堵塞后生產系統再次運行，平均每次需多運行45 min，則多消耗電能1 500 kWh。噸煤電費按0.56元計算，則每次多需要電費840元。因此，在將上升流系統優化后，單臺淺槽重介分選機每年可節約電費10.08萬元。

(2)介耗降低。當上升流系統堵塞后，在清理堵塞的介質斗、管道時，有大量介質被浪費，導致生產系統介耗增高。在上升流系統優化前，噸煤平均介耗為0.61 kg；而將上升流系統優化后，因清理堵塞造成的介質浪費減少，噸煤平均介耗為0.59 kg。就兩組介耗數據分析，在將上升流系統優化后，生產系統介耗下降3.20個百分點，節省了大量生產成本。

5 結語

淺槽重介分選機的上升流系統堵塞是一個系統性問題，影響因素眾多，懸浮液粘度是其中的關鍵因素，而對懸浮液粘度影響最大的是生產系統內不斷積累的煤泥。分流是降低懸浮液粘度的重要手段，實際生產中必須加強對這方面的管理。針對煤和矸石的泥化產物及合介桶內煤塊(矸石)影響上升流系統正常運行的問題，在保證淺槽重介分選機正常分選的前提下，可以通過改變上升流系統的結構參數，消除這些因素的不利影響。

參考文獻：

[1] 原利兵，常春明.重介淺槽在寺河礦選媒廠的實踐與探索[J].潔凈煤技術，2009，15(1):28-31.

[2] 賈風軍.淺談淺槽重介分選工藝在上灣選煤廠的應用[J].潔凈煤技術，2007，13(6):99-101.

[3] 杜穎峰.淺槽分選機上升流工藝的優化改造[J].潔凈煤技術,2013，19(4):8-11.

[4] 劉遠力.淺槽重介質分選機重介懸浮液流量的計算[J].選煤技術,2015(4):8-11.

[5] 裴彥峰.原煤重介淺槽排矸技術應用實踐[J].山西焦煤科技，2015，39(S1):29-31.

[6] 陳 凡，朱子祺.神東煤制油選煤廠減少次生煤泥量的措施[J].煤炭加工與綜合利用，2014 (11) :17-21.

[7] 陳桂剛.神東礦區選煤廠設計淺析[J].煤炭工程，2005(8):17-20.

[8] 姚書典.重選原理[M].北京:冶金工業出版社,1992.

[9] 謝廣元.選礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2001.

[10] 李世林.重介淺槽洗選生產中的注意事項[J].煤質技術，2005(5):14-15.