燃煤電廠磨煤機石子煤高效分離回收技術研究及應用

李凌月，徐 波，蘇靖程，薛方明

(華電電力科學研究院有限公司北京分院，北京 100070)

中速磨產生的石子煤具有灰分高、發熱量低、溫度高、硬度大、含硫高等特點，難以進行有效處理；部分電廠采用特制的制粉系統來粉碎石子煤，然后和優質煤粉進行摻燒發電，不過特制的制粉系統需要高昂的投資及運行、管理費用，并且和優質煤粉進行摻燒，需相應提高優質煤粉的質量等級，因此這種選擇并不合適。另外，由于石子煤易與空氣發生氧化放熱反應，堆存時易自燃，造成環境污染，并帶來了一定的安全隱患。石子煤中仍含有一定的優質煤炭資源，以較低的價格外售，不僅對資源造成浪費，更對企業的經濟效益造成巨大損失。

目前，國內外尚未見其他研究機構或院所有針對石子煤分選的報道；更多的學者一直側重研究石子煤的排放及輸送方式[1-3]上，部分國內外學者如Vuthaluru、Chatzilamprou、朱憲然等對磨煤機內部流場特性進行了深入的模擬研究[4-7]。中國華電煤炭清潔利用技術研發中心首次提出了石子煤高效分離回收技術，設計了一套適合電廠實際的石子煤高效分離回收系統，對石子煤進行分選，排出其中的矸石，從而獲得符合電廠入爐煤指標的煤炭資源，并在內蒙古華伊卓資熱電有限公司完成了工程示范；示范期間，開展了石子煤高效分離回收系統的性能試驗，并對試驗結果進行了討論和分析，以期為該技術在國內外燃煤電廠的繼續推廣提供基礎數據。

1 試驗系統

石子煤高效分離回收系統包括噴水降溫系統、石子煤上料系統、篩分系統、礦物高效分離裝置、除塵系統、產品輸送系統和控制系統等，系統示意圖如圖1所示；噴水降溫系統包括石子煤接料斗及噴水裝置；上料系統包括受煤斗及給料機；篩分系統包括處理量為20t/h、篩孔為6mm的篩分設備，設備上方安置除塵罩；產品輸送系統包括原石子煤皮帶、末煤皮帶、上煤皮帶、矸石皮帶、中煤皮帶、中煤轉載皮帶、精煤皮帶各一條；控制系統包括PLC控制柜和運行監控系統。

中速磨產生的石子煤首先經過噴水降溫處理，避免石子煤溫度過高產生自燃并影響后續處理環節；降溫處理后的石子煤經過6mm篩孔振動篩進行篩分，篩除影響分選效果的<6mm末煤；篩上物進入石子煤高效分離回收設備進行干法分選，分選環節增置中煤再選工藝，有效提高了分選精度，不同密度石子煤在分離床上進行階梯式旋轉運動，在每個階梯區間進行多次重復分離，最終實現高低密度物的高效分選；篩分及分選系統配有除塵裝置，減少粉塵污染，保護環境。選用可能性偏差Ep、不完善度作I、數量效率、精煤產率、精煤硫分、精煤灰分作為試驗分選效果的評價指標。

1-受煤料倉；2-原石子煤皮帶機；3-振動篩；4-末煤皮帶機；5-上煤皮帶機；6-石子煤高效分離回收裝置；7-除塵系統； 8-煤粉料斗；9-矸石皮帶；10-中煤皮帶 ；11-中煤轉載皮帶；12-精煤皮帶

2 石子煤高效分離回收技術理論依據

2.1 技術原理

燃煤電廠石子煤高效分離回收技術是一種專門針對燃煤電廠石子煤研發設計的高效分離系統，該系統可對高密度礦物含量較多的難分離物料進行高效分離，不僅能對石子煤進行有效分選，還可用于煤炭干法分選等領域。

圖2 石子煤高效分離回收裝置示意圖

石子煤高效分離回收裝置示意圖見圖2，物料在分選床橫斷面上運動的示意圖見圖3。

圖3 物料在分選床橫斷面上運動的示意圖

入選石子煤給入具有一定縱向、橫向傾角的分選床，分選床在振動器的帶動下振動，使底層石子煤向背板方向運動，而床層表面的煤因受重力作用會沿床層表面下滑；在不斷給入的石子煤物料壓力以及振動作用下，使得底層物料形成螺旋運動向矸石端移動；這樣，低密度物料會沿床層表面不斷下滑，并通過排料擋板排出，高密度物料則運動至到矸石端排出。分選床的床面上會安有格條，從而對底層物料的運動起導向作用，有利于整個床層物料呈有規律的螺旋運動。

2.2 礦粒的受力分析

礦粒在分選床橫斷面上的受力情況見圖4，可以看出物料在自身重力 以及振動慣性力 、 顆粒物料所受的摩擦力 以及風力 的綜合作用下，沿振動方向角 進行有規律的循環運動[8]，最終實現石子煤中優質煤炭資源和煤矸石的高效分離。

其中，床層底部物料向x正方向的運動方程如下：

(1)

式中：m為顆粒物料的質量； V為顆粒物料的速度；S為振動慣性力； G為顆粒物料的重力； F為顆粒物料所受的摩擦力；δ 為振動方向角，即床體振動方向與床體底平面的夾角； α為分選床面的橫向傾角； W為風力； f為顆粒物料的動摩擦系數； κ為分選機床體振動的角頻率； λ為分選機床體振動的振幅； o為分選床振動源的振動相位角； d為顆粒物料的當量直徑； ρs為顆粒物料的密度； ρ為氣體介質(即空氣)的密度；j為阻力系數，它是雷諾數的函數； V風為風速。

床層上部物料向x反方向的運動方程如下：

(2)

式中： T為上部顆粒物料所受的床體背板的反推力， κ1為修正系數。

3 石子煤高效分離回收技術現場性能試驗

3.1 石子煤的煤質特性分析

卓資電廠入爐煤熱值要求大于4000大卡，粒徑≤50mm,因此需要對石子煤樣的煤質特性進行分析，考察該技術的可行性。

對磨煤機石子煤進行了篩分試驗(篩孔尺寸為6mm)，得到了篩上物(>6mm)及篩下物(<6mm)煤樣的產率，并對原石子煤、篩上物(>6mm)煤樣、篩下物(<6mm)煤樣的灰分、硫分、發熱量進行了測試，試驗結果如表1所示。

表1 磨煤機石子煤篩分試驗

由表5可以看出，石子煤原樣灰分62.78%，硫分9.63%，低位發熱量1581 大卡，硫分及灰分極高，并且具有一定的發熱量；<6mm煤樣的產率為41.36%。

3.1.2 >6mm石子煤浮沉試驗

對卓資>6mm石子煤進行浮沉試驗，并對試驗后各密度級煤樣進行灰分測試，試驗結果如表2所示。

由表2可知，石子煤樣隨著密度級的增加，灰分逐步增大；<2.0 g/cm3煤樣產率可達到29.82%，且灰分較低，為27.55%；而>2.0g/cm3煤樣的產率很大，為70.18%，且灰分高達78.59%，明顯高于<2.0 g/cm3煤樣，因此可以知道，將>2.0g/cm3矸石除去后，可大幅提高>6mm石子煤樣的發熱量，降低石子煤樣的灰分。

表2 磨煤機石子煤>6mm粒級浮沉試驗

表2(續)

3.2 石子煤高效分離回收系統性能試驗分選效果研究

采用石子煤高效分離回收系統對卓資電廠石子煤進行了分選性能試驗，并對選后的精煤及矸石產品進行了產率計算及浮沉試驗，試驗結果見表3。

通過精煤浮沉組成、矸石浮沉組成、精煤產率和矸石產率計算了分配率，并繪制了分配曲線，見圖5，從而得到Ep值、分選密度和I值。

表3 石子煤分選性能試驗產品的密度分析

通過精煤浮沉組成、矸石浮沉組成、精煤產率和矸石產率計算了分配率，并繪制了分配曲線，見圖5，從而得到Ep值、分選密度和I值。

圖5 石子煤樣分配曲線

由圖5可得出：d75=2.048 g/cm3；d25=1.753 g/cm3；d50=1.990 g/cm3。

可求得：

圖6 石子煤樣>6mm粒級可選性曲線圖

根據石子煤樣>6mm粒級浮沉試驗結果，可繪制可選性曲線，如圖6所示。根據可選性曲線，可得出：精煤灰分為36.53%時的理論精煤產率(γp)為36.30%。

計算實際精煤產率(γt)為34.62%，可得出數量效率：

石子煤高效分離回收系統技術指標見表4，通過性能試驗結果可知，石子煤高效分離回收系統設計合理，運行穩定，分選性能及效果良好，實現了電廠磨煤機石子煤的高效分離利用。

表4 石子煤高效分離回收系統技術指標

4 結論

(1)通過分析實驗室篩分、浮沉試驗結果可知，卓資電廠石子煤樣>6mm粒級可以按密度進行高效分選。

(2)首次提出燃煤電廠石子煤高效分離回收技術，對石子煤噴水降溫、篩分、分選工藝進行了優化集成，并在卓資電廠進行示范應用，并開展了石子煤高效分離回收系統性能試驗；試驗結果表明，該系統設計合理，運行穩定，可對石子煤進行有效分選，Ep值達到0.148g/cm3，I值為0.074，精煤產率為16.19%，熱值為4067大卡，滿足電廠入爐煤質要求，實現了電廠磨煤機石子煤的高效分離利用。

(3)石子煤高效分離回收系統的應用有效解決了石子煤綜合利用難的問題，降低了石子煤堆放時存在的安全隱患，減少了環境污染，同時回收了優質煤炭資源，符合國家節能減排的大方向，具有廣闊的發展應用前景和明顯的社會經濟效益。