無壓給料三產品重介質旋流器分選潘集選煤廠極難選煤的工藝效果

丁光耀，隋廣武，吳 永，朱再勝，楊 瞾，苑金朝

(1.北京國華科技集團有限公司，北京 101300；2.淮南礦業(集團)有限責任公司 潘集選煤廠，安徽 淮南 232001)

0 前 言

興建潘集選煤廠及配套鐵路項目被列入安徽省861工程及淮南市推進“兩型”城市建設重點項目，該工程于2015年正式開工建設，于2018年10月末全部竣工投產。潘集選煤廠為設計年入選12.0 Mt煤的特大型群礦型煉焦煤選煤廠，具備分選潘二、潘四、朱集東、張集等礦井的低硫、低磷煤的能力。該廠生產的優質煉焦煤，對優化淮南礦業集團的產品結構的意義重大。

該廠主廠房是目前亞洲單體建筑最大的煉焦煤選煤廠，采用的工藝和設備屬國內一流、國際領先。該廠分為4個生產系統，每個生產系統均是采用3GHMC1500/1100型無壓給料三產品重介質旋流器為主選設備的原煤預先不脫泥不分級工藝。

1 3GHMC1500/1100三產品重介質旋流器

3GHMC1500/1100型無壓給料三產品重介質旋流器的結構示意圖如圖1所示。

圖1 3GHMC1500/1100型無壓給料三產品重介質旋流器結構示意圖

工作時，合格重懸浮液以一定的工作壓力沿切線方向進入一段旋流器，入洗煤則從頂端沿軸向以自重方式(無壓給料式)進入一段旋流器；在離心力場作用下，物料按密度分層，重物料向旋流器器壁移動，在外螺旋的軸向速度作用下，由一二段連接口進入二段旋流器，輕物料(精煤)則移向中心空氣柱，并隨著中心內螺旋流排出；隨同物料進入二段旋流器的重懸浮液由于在一段旋流器內受離心力場的作用而增濃，因此密度有所增加，從而在二段旋流器內以高密度分選出中煤及矸石[1-8]。

2 入洗煤和分選產物的密度組成

為全面考核重選設備的工藝性能，于2018年12月，對該廠1號生產系統的重介質旋流器進行了單機檢測，當時的處理量為570 t/h，重介質旋流器的工作壓力為0.39 MPa。

2.1 入洗煤的可選性

50 mm～0.5 mm計算原料煤密度組成見表1，由表1數據繪制的可選性曲線如圖2所示。

表1 計算原料煤50 mm～0.5 mm密度組成

圖2 計算入料可選性曲線

由表1和圖2可知:

(1)入洗煤的主導密度級為1.30 kg/L～1.35 kg/L，產率為21.6%，灰分8.33%。

(2)計算入洗煤中<1.40 kg/L密度級產率為46.23%，灰分為8.75%；1.40 kg/L～1.80 kg/L中間密度級產率也較大，為25.25%，灰分為26.77%，該密度級產率多少是影響分選精度的關鍵。>1.80 kg/L產率為28.52%、灰分為82.81%,其含碳量極低，可稱為“純矸”。

(3)矸石產率高，其中>2.05 kg/L占比24.79%，灰分86.43%，對旋流器的排矸能力提出了高要求，生產中應增加對二段旋流器的檢查和維護。

(4)當精煤灰分9.21%時，理論精煤產率47.70%，理論分選密度1.415 kg/L，δ±0.1含量為66.25%(扣除沉矸)；根據GB/T 16417—2011《煤炭可選性評定方法》，扣除沉矸(>2.00 kg/L)的δ±0.1含量>40.0%時，屬極難選等級，因此此入洗煤屬于極難選煤。

2.2 分選產物密度組成

分選產物的密度組成見表2。

由表2可知:單機檢測的精煤灰分為9.21%，其中<1.40 kg/L密度級產率為92.79%(占本樣)，在精煤中不存在>1.80 kg/L密度級物料；矸石灰分高達84.98%，其中>1.80 kg/L密度級占了絕大多數，<1.80 kg/L密度級中實際上只有1.6 kg/L～1.8 kg/L密度級的物料產率僅為0.01%，可見矸石帶煤極少，杜絕了煤炭資源的損失；中煤灰分為27.52%，其中<1.40 kg/L密度級產率為14.70%，灰分為12.12%，是發熱量達標的優質動力用煤。

表2 50 mm～0.5 mm粒級原料煤、計算入料、各分產物密度組成及均方差計算

3 工藝效果評定

3.1 可能偏差

重力選煤設備的重產物各密度級的數量占其入料中相應密度級數量的百分比值稱之為分配率。3GHMC1500/1100型重介質旋流器的分配率見表3，以此數據繪制的分配曲線如圖3所示。

可能偏差Epm是國際上公認的評定重介質分選設備工藝效果的最重要指標，計算式如下:

(1)

根據此次單機檢測數據可得，該重介質旋流器一段實際分選密度δp1=1.405 kg/L，一段可能偏差Epm1=0.027 kg/L；二段實際分選密度δp2=1.941 kg/L，二段可能偏差Epm2=0.039 kg/L。

分配曲線形象地反映出設備的分選精確度。在理想的條件下，可能偏差值等于零，此時分配曲線為一條垂直于橫坐標的直線。曲線越陡，越近似于垂線，可能偏差值就越小[9-12]。圖3分配曲線趨近于垂線，表明該設備工藝效果良好。

表3 3GHMC1500/1100型重介質旋流器的分配率表

圖3 分配曲線

該重介質旋流器一段實際分選密度為1.405 kg/L，而理論分選密度為1.415 kg/L，二者差值僅有0.10 kg/L，與可能偏差小是直接相關。該重介質旋流器二段實際分選密度高達1.941 kg/L,實現了高密度排矸，因此矸石才能接近于純矸。

3.2 數量效率

數量效率ηe是在相同灰分條件下精煤實際產率與理論產率的百分比，其計算式為

(2)

式中，γt為理論精煤產率，由圖2可得γt=47.70%；γe為實際精煤產率，由表2可知γe=45.35%。根據式(2)，可得ηe=95.07% 。

由表2可知，矸石中不存在任何<1.60 kg/L的密度物，所以可認為損失到中煤中的精煤產率(占原料煤)為Δγ=γt-γe=2.35%。

3.3 灰分誤差

灰分誤差(Ae)是指實際精煤灰分(Ap)與理論精煤灰分(At)的差值。潘集選煤廠計算入料可選性曲線(圖2)中，當一段實際分選密度為1.405 kg/L時，查得相對應的精煤灰分(即為理論精煤灰分)為At=8.90%，則灰分誤差Ae=9.21-8.90=0.31(%)，主要由于在分選過程精煤中有7.21%的灰分為19.39%的大于分配密度的物料污染精煤所造成。灰分誤差(Ae)值可從側面反映出一段旋流器的分選效果，可能偏差值Epm1越小，Ae值就越小。同時，該值也受原料煤可選性影響，當可能偏差值Epm1不變時，原料煤可選性變差，即δ±0.1含量增大，Ae值也會增大。

3.4 總錯配物含量

錯配物總量m0是指在按密度分選的過程中各產物中錯配物的數量之和，用占入料數量的百分數表示，其計算式如下:

m0=m1+m2

(3)

式中，m1為密度小于分選密度的物料在重產物中的錯配量，%；m2為密度大于分選密度的物料在輕產物中的錯配量，%。

對于三產品重介質旋流器，第一段的輕產物是精煤，重產物則是中煤和矸石之和；第二段的輕產物是中煤，重產物則是矸石。一、二段錯配物量計算見表4，由此繪制的錯配物曲線如圖4所示。錯配量指標見表5。

第一、二段旋流器的總錯配量是1項以各自分配密度為分界點、綜合輕產物中的污染量和重產物中的精煤損失量并按產率比例進行定量評定的指標。對于可選性極難的原料煤，第一段旋流器僅以7.20%的總錯配量分選出合格的精煤；二段旋流器也僅以0.90%的總錯配量分選出純矸石和高密度物污染甚少的中煤。潘集選煤廠生產出灰分低于30%的發熱量較高的動力用煤(中煤)，也從側面佐證了該重介質旋流器的分選效果。

3.5 適用于技術經濟考核的4項指標

在選煤廠常用精煤帶矸、中煤帶精、中煤帶矸和矸石帶煤此4項指標來評定技術經濟的好壞和重選設備分選效果的優劣。具體而言，即通過對精煤、中煤、矸石的浮沉組成或快速浮沉試驗的結果來衡量。所謂的帶矸是指精煤或中煤中>1.80 kg/L密度的數量，帶煤是指矸石中<1.80 kg/L密度級的數量，帶精是指中煤里小于某一密度B級的數量，此密度因原料煤而定，一般定為原料煤多級浮沉試驗中最為接近理論分選密度的密度，并以0.05整數倍來確定，例如1.40 kg/L、1.45 kg/L、1.50 kg/L等[13]。

表4 一段、二段錯配物量計算表

圖4 一段錯配物曲線

圖5 二段錯配物曲線

表5 錯配量指標

其實上述指標有點片面且不甚合理，未能真實反映出原料的密度組成以及各選煤產品之間的比例，不能定量進行評定，因此不宜作為考核指標。以下引用近年選煤工作者提出的以原料煤和重選產品密度組成為基礎的技術經濟考核指標，見表6。此4項指標中的(5)、(6)計算式是表征第一段旋流器的分選效果；(7)、(8)計算式是反映第二段旋流器的分選效果，為便于計算，將表2中的相關數據整合列表詳見表7。

(1)精煤帶矸污染率。精煤帶矸污染率基礎式是精煤中>1.80 kg/L密度級矸石占原料煤中該密度級的百分比值。從精煤的浮沉試驗中可看出，沒有任何矸石的污染。在每秒處理近0.16 t原料煤的重介質旋流器，狹窄的空間里，瞬間能分選出不混雜矸石的精煤。

表6 重力分選設備技術經濟考核的4項指標

表7 潘集選煤廠3GHMC1500/1100型重介質旋流器用于4項指標的綜合數據

(3)中煤帶矸污染率。中煤帶矸污染率(MPg)的含義是污染到中煤里>1.80 kg/L密度級的矸石占入料中該密度級的百分比值。鑒于中煤里>1.80 kg/L密度級的灰分為54.81%，小于原料煤中同一密度物料的灰分82.35%，故此采用修正后的應用式(7)來計算，得MPg=4.73%，此表征原料煤中不到5%的>1.80 kg/L密度級物料混雜到中煤產品中。在第二段重介質旋流器以1.947 kg/L高密度分選出矸石的條件下，該廠的中煤灰分僅僅為27.52%，有力地保證了動力用煤的發熱量。

(4)矸石帶煤損失率。矸石帶煤損失率(RLm)的含義是損失到矸石中<1.80 kg/L密度級的煤炭占原料煤中該密度級的百分比值。針對矸石中<1.80 kg/L密度級的煤炭灰分為30.84%，遠高于原料煤中同一密度物灰分15.27%，故此采用了修正后的應用式(8)，從該式得RLm=0.0026%，此值極小，表示僅有不到十萬分之三的煤炭損失在矸石中，可忽略不計，所以得以排出灰分高達84.98%的純矸石。>0.5 mm粒級的工藝性能指標匯總見表8。

表8 重介質旋流器工藝性能評定報告表

4 分選下限的確定

為確定3GHMC1500/1100AI型重介質旋流器的分選下限，對小于0.50 mm的入料、精煤、中煤、矸石進行篩分，得到0.50 mm～0.25 mm粒級煤樣，經脫介處理后進行浮沉試驗，試驗數據詳見表9，根據試驗數據繪制第一段分配曲線如圖6所示。

表9 0.5 mm～0.25 mm分配率計算表

圖6 0.5～0.25 mm分配曲線

根據此次單機檢測數據可得，3GHMC1500/1100型重介質旋流器0.50 mm～0.25 mm粒級一段可能偏差:Epm1=0.093，一段實際分選密度：δp1=1.752 kg/L；根據MT/T 811—1999《煤用重選設備分選下限評定方法(Ⅰ)》，可認為3GHMC1500/1100AI型重介質旋流器的分選下限已達到0.25 mm，在大直徑重介質旋流器中能得到如此的分選下限，也是設備具有良好的工藝效果的主要標志之一[14]。

5 單機檢測數據可靠性分析

單機檢測的全過程不可避免存在誤差，因此數據可靠性檢驗必不可少[15]。此次試驗嚴格執行現行的采樣、制樣、浮沉試驗和灰分測定等標準。

(1)為使繪制的分配曲線符合規范，做到分配率大于75%和分配率小于25%均有坐標點，采取了相應措施:將50 mm～0.50 mm粒級、0.5 mm～0.25 mm粒級浮沉試驗的氯化鋅重液增加到12個和8個密度級。

(2)根據GB/T 15715《煤用重選設備工藝性能評定方法》的步驟，對檢測數據均進行了方差計算。對于跳汰主選和重介主選設備，該標準中的試驗均方差界定值一般取為1.40。此次試驗>0.50 mm粒級均方差

0.50 mm～0.25 mm粒級均方差：

以上兩者方差均遠小于該界定值,所以此次試驗的數據真實可靠。

6 結 語

3GHMC1500/1100型無壓給料三產品重介質旋流器工藝效果單機檢測表明:

(1) 3GHMC1500/1100型重介質旋流器對于潘集選煤廠極難選等級原料煤的分選效果優異，一、二段的可能偏差值和總錯配物量分別為0.027 kg/L、0.039 kg/L和7.20%、0.90%；灰分誤差和數量效率分別為0.31%、95.07%；精煤帶矸污染率、矸石帶煤損失率幾乎為零。

(2)3GHMC1500/1100型重介質旋流器分選下限達到0.25 mm。

(3)3GHMC1500/1100型重介質旋流器能夠生產出優質煉焦精煤、動力用煤(中煤)，力爭達到高純矸石中煤炭資源零損失，在特大型煉焦煤選煤廠充分發揮主選設備大型化、高效、簡化、優質的功能。