三錐角水介質旋流器在化工用煤分選工藝中的應用研究

馬佳偉，崔廣文，隋文浩

(山東科技大學 化工與環境工程學院，山東 青島 266590)

隨著現代煤化工產業的升級，我國正在實現傳統煤化工向現代煤化工產業的轉化，尤其是煤直接液化技術、煤間接液化技術、煤制烯烴技術、煤制乙二醇技術、煤制天然氣技術和煤制芳烴等技術相繼獲得突破[1]，在推動國民經濟增長的同時，大幅度提升了化工用煤的需求量。同時，由于我國焦煤和肥煤資源比例逐年下降，可用于鋼鐵企業的原煤越來越少，而且我國原煤可選性較差，中間密度物含量高，致使許多選煤廠將此類煉焦煤以中煤或洗混煤的形式作為動力煤燃用。因此，對中煤的解離破碎再選以提高洗選精煤產率，是我國煉焦煤選煤廠的迫切需求[2]。

三產品重介旋流器分選流程是目前選煤廠采用較多的重選流程，具有分選效率高、精煤產率大等優點[3]。但由于重介旋流器直徑大、細粒煤與粗粒煤分選密度差異較大等因素影響，導致三產品重介旋流器分選的中煤灰分大約在30%～40%。而化工用煤的煤質灰分要求小于20%，因此利用傳統重選方法分選的中煤質量已無法有效適應煤化工企業的用煤需求。另外我國正處于壓縮原煤產能的環境中，部分選煤廠原煤產量不足，單獨洗選加工生產化工用煤，勢必影響稀缺的焦化用煤需求量。因此有必要開發一種在線生產現代化工用煤的分選工藝。本文介紹的工藝就是在不影響煉焦煤正常生產條件下，將中煤破碎解離后進入三錐角水介旋流器再次分選，生產出化工用煤和高灰中煤兩種產品。這不僅利于發展新型煤化工企業，促進煤炭產業升級，降低能耗和培育新的經濟增長點，而且對保護環境和提高煤炭綜合利用效率具有重要的現實意義[4]。

1 化工用煤的現狀

化工用煤是除了動力用煤和煉焦用煤之外選煤產品的第三個重要應用方向，主要用于煤化工領域，包括高爐煉鐵、高爐噴吹、煤炭直接液化和煤炭間接液化，是以煤作為原料，生產固體產品、液體產品、氣體產品和其他化工產品。目前，我國化工用煤的產區主要分布在以產無煙煤為主的山西晉城和以產煙煤為主的陜西神木等地，其次還分布于山西陽泉、潞安，河南焦作、永城和寧夏汝箕溝等礦區；主要消費地在山東和河南等地區，運輸以鐵路和公路互補運輸為主[5]。據《煤化工產業煤炭消費量控制及其政策研究執行報告》稱[6]，隨著現代煤化工技術的突破，我國煤化工產業規模不斷擴大，已成為世界上現代煤化工生產量最大的國家。化工用煤的消耗量整體呈增長態勢，占總煤炭的比例和利用率不斷提高，預計到2020年，化工用煤將比2015增長20%左右。以下是預計后期化工用煤呈現的特征：

(1)煤炭主產地自產自轉化率提高，將導致內陸化工用煤愈發緊張。

(2)煤炭主產地洗選設施建設滯后、工藝流程不當和優質運輸資源有限均影響化工用煤的生產量。

(3)化工用煤的原料煤種類單一是影響煤化工發展需求的主要因素。

(4)化工用煤的多元化也將利于控制原煤價格，對煤化工行業的健康持續發展起到重要作用。

2 三錐角旋流器應用于某選煤廠的試驗研究

2.1 中煤粒度組成實驗分析

根據某選煤廠工藝流程的優化，進行中煤解離再選生產化工用煤的試驗。實驗煤樣取自某選煤廠中煤脫介篩篩上物料。為了解該煤樣粒度組成，根據《煤炭篩分試驗方法》對煤樣進行篩分試驗，得到其粒度組成見表1和表2。

表1 煤樣篩分試驗結果

表2 煤樣中小于3 mm粒級篩分結果

從表1可以看出，煤樣各粒級分布較均勻，除13～25 mm粒級產率為26%以外，其余各粒級組成約為19%左右。另外，各粒級灰分也較接近，通過分級的方法很難從煤樣中分離出灰分為20%以下的化工用煤。

從表2可以看出，小于3 mm粒級中大于0.15 mm粒級的累計產率為86.56%，累計灰分為34.55%；小于0.15 mm粒級的物料僅占13.44%；極細粒級中小于0.074 mm粒級占比較少，僅為1.47%。細粒級灰分相對較高，符合中煤脫介篩上物料性質。

2.2 煤樣密度組成分析

為了解煤樣密度組成情況，根據《煤炭浮沉試驗方法》對破碎前煤樣進行各粒級浮沉試驗，結果見表3。

表3 破碎前煤樣篩分浮沉試驗綜合表

由表3可以看出，各粒級的密度組成變化較大，各粒級灰分隨密度的增大而增大，其中小于3 mm和3～6 mm粒級中灰分小于20%時，理論產率約占本級60%，而其他粒級灰分小于20%時，理論產率約占本級40%左右。從表3可以看出，解離前煤樣灰分小于20%時，理論產率為45%，而且該密度δ±0.1(臨近密度物)含量約為60%，根據《煤炭可選性評定方法》，此煤屬于難選煤[7]。

2.3 解離后小于3 mm煤樣性質分析

將原樣中大于3 mm粒級煤樣破碎至小于3 mm后，與原樣中小于3 mm粒級混勻后進行篩分和浮沉試驗，結果分別見表4和表5。為了考查三錐角水介旋流器的分選效果，對破碎后大于0.2 mm粒級進行浮沉試驗，結果見表6。

從表4可以看出，破碎后篩分的各粒級灰分相差不大，均為33%左右，可見通過篩分方法難以得到灰分20%以下的化工用煤產品。從表5可以看出，通過破碎解離可以得到低灰精煤(化工用煤)，其中20%以下灰分的煤約占本級60%。此時分選密度δ±0.1含量為45%，盡管也屬于極難選煤，但與解離前60%的含量相比還是易選些。

表4 破碎后煤樣小篩分試驗結果

表5 破碎后小于3 mm粒級浮沉試驗結果 %

表6 煤樣破碎后大于0.2 mm粒級小浮沉試驗結果

從表6可以看出，當灰分小于20%時，精煤主要集中在小于1.5 g/cm3的密度級中，此時理論產率占本級約為61%。若分選效率為70%，此時灰分小于20%的化工用煤產率占本級約為42.7%。

3 粗煤泥分選設備及工藝流程

3.1 試驗設備

根據選煤廠提供的煤樣及其解離后煤質分析，本試驗采用山東科技大學自主研發的三錐角水介旋流器進行分選試驗，其結構見圖1。該旋流器是利用離心力場及重力場實現分選的設備，本身沒有運動部件，結構簡單。該設備具有特殊的結構參數，使用水作為分選介質，有別于傳統的粗煤泥重介分選旋流器和分級旋流器，也叫自生介質旋流器。該設備可對0.3～3 mm的粗煤泥按密度進行有效分選，得到底流和溢流，對溢流進行脫水、脫泥可以獲得合格的精煤產品(灰分小于6%～20%)。此外，該設備對入料粒度組成要求不嚴格，入料煤泥粒度可以是0～3 mm(直徑500 mm旋流器入料粒度上限可以達到6 mm)[8-9]。

該設備可以用于原煤分級入洗工藝中細粒煤部分的分選，也可以用于煤泥水系統中粗煤泥的分選回收。該設備可利用原有分級旋流器入料泵，使技術改造更加簡便，易于實現，在新建或老選煤廠煤泥水系統工藝改造中可以廣泛應用。

圖1 三錐旋流器結構示意

3.2 試驗過程

針對選煤廠提供的粗煤泥，設計使用實驗室直徑為100 mm的三錐角水介旋流器對該煤泥進行如下分選試驗：將粗煤泥煤樣配制到160 g/L濃度，設定好初始結構參數；開動礦漿泵，調整旋流器入料壓力；物料循環5 min后，對溢流、底流、入料分別采樣；改變旋流器結構參數及操作參數，即錐體型號、溢流管直徑、溢流管插入深度等，重復上述試驗。考慮到目前選煤廠設備對細粒煤分級狀況，將獲得的樣品進行濕式篩分，分出大于0.2 mm和小于0.2 mm粒級，分別測定灰分和質量，再利用灰分平衡法計算精煤產率及綜合產率。

3.3 試驗結果

根據煤質資料，應用三錐角水介旋流器對該煤樣進行了探索性分選試驗。試驗過程中通過改變錐體型號、入料壓力、溢流管插入深度等參數，得到了大量的數據，從中選出分選效果最好的試驗，結果列于表7。試驗得知：不同結構參數與操作參數下的三錐角水介旋流器對該煤泥具有不同的分選效果，且三錐角水介旋流器對該煤樣具有較好的分選效果，可以得到不同要求的產品灰分。

表7 三錐角旋流器分選試驗結果

注：大于0.20 mm粒級綜合產率為精煤占旋流器入料比率。

從表7看出，溢流中大于0.2 mm粒級灰分為19.06%，產率達到了37.20%，產率相對較高。此時，根據可選性曲線得知，大于0.2 mm粒級產品理論產率(占煤泥總樣)為45.01%，數量效率為82.65%。可以確定在此試驗參數下，三錐角水介旋流器的分選效果最好，且分選效率較高，滿足了煤化工用煤要求。

3.4 生產化工用煤工藝流程設計

基于三錐角水介旋流器的特點，根據化工用煤指標要求和實驗結果分析，結合選煤廠施工圖紙和現場管道布置情況[10]，設計如下生產工藝流程：三產品重介質旋流器分選出的中煤經弧形篩脫水處理得到篩上物和合格介質；篩上物經脫介篩脫介處理后得到中煤稀介質和中間產物；中煤稀介質經磁選機磁選得到中煤磁尾和合格介質；中間產物經破碎機破碎至粒徑6 mm以下，得到破碎中間產物；破碎中間產物和中煤磁尾按照質量比4∶1在混合桶中混合形成濃度為160 g/L的入料，然后進入三錐角水介旋流器分選得到溢流和底流；溢流經弧形篩進行一次脫泥，得到一次煤泥和一次煤泥水；一次煤泥經離心機脫水處理得到化工用煤和二次煤泥水；一次煤泥水和二次煤泥水混合，進入煤泥水系統；底流經弧形篩二次脫泥得到二次煤泥和三次煤泥水；二次煤泥經離心機脫水處理得到高灰中煤(最終中煤)和四次煤泥水；三次煤泥水和四次煤泥水混合，進入煤泥水系統。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 化工用煤生產工藝流程示意

該工藝流程的特點：① 充分利用三錐角旋流器的特殊結構，在不需要添加介質的條件下，能夠提高重介分選設備的入料粒度下限，從而提高重介設備的分選精度，增加精煤產率，實現煤炭資源合理利用；② 具有結構簡單、占用空間小、入料粒度范圍寬等優點的三錐角水介旋流器不僅簡化了選煤工藝流程，而且彌補了其他粗煤泥分選設備投資和運行成本高等不足之處；③ 此流程可以降低重介質旋流器入料壓力，減小設備磨損和能耗，提高脫介篩處理能力和脫介效率，降低介耗，減少浮選入浮量，提高企業效益；④ 一定程度上解決了化工用煤生產量不足的問題，對于發展現代煤化工產業及煤炭產業升級具有重要意義。

4 結 論

通過一系列試驗研究和流程設計，對中煤解離再選試驗可得到如下結論：

(1)該中煤在解離到小于3 mm條件下，其中灰分小于20%的物料含量相對較多，通過分選可以得到灰分小于20%的化工煤產品。中煤約占原煤25%，改造后化工用煤產率可達9.3%(占原煤)，若每年處理1/3焦煤120萬t，則每年可生產化工用煤10.84萬t，具有良好的經濟效益。

(2)通過試驗結果分析可以看出，使用實驗室三錐角旋流器能夠取得較理想的分選效果，且可以選出不同灰分的產品。在產品灰分為19.06%時，大于0.20 mm粒級綜合產率(占入料)為37.2%，數量效率為82.65%。

(3)將中煤破碎解離，配合使用新型三錐角水介旋流器分選設備，通過工藝技術創新改造，簡化分選工藝，可有效提高化工用煤的產量，更加有效的合理利用煤炭資源，促進煤炭產業升級。

(4)用三錐角水介旋流器分選煤泥，易于實現技術改造，且改造周期短，投資少，改造過程中不影響正常生產。可進一步完善選煤廠工藝體系，為選煤廠中煤再選提供了一種新的技術選擇。