從干選角度看動力煤水洗煤泥減量化的問題

夏云凱，李功民

(1.唐山神州機械有限公司；2. 河北省煤炭干法加工裝備工程技術研究中心，河北 唐山 063001)

1 末煤水洗存在的問題

動力煤中大于13 mm粒級原煤一般矸石含量高，灰分高、發熱量低，不洗選無法滿足市場要求。傳統動力煤重介質選煤廠大多采用部分入洗工藝，只使用塊煤分選設備處理大于13 mm粒級原煤，小于13 mm粒級末煤旁路不洗。許多設計了原煤全粒級水洗工藝的重介質選煤廠也因為末煤水洗精煤熱值提高有限等原因而采用末煤部分入洗工藝或全部末煤旁路不洗工藝，導致末煤分選系統閑置，造成很大的投資損失。末煤水洗帶來的主要問題有[1-2]：末煤水洗后灰分下降，熱值升高，但若灰分降低幅度小，末精煤水分高，精煤熱值低；末煤全入選生產大量煤泥，降低了精煤產率；末煤水洗工藝需要配置龐大的煤泥水系統，投資大，運營成本高。

1.1 灰分和水分對末原煤發熱量的影響

動力煤用戶主要關注煤的應用基低位發熱量，煤的灰分和水分均對動力煤熱值有顯著影響，灰分和水分增加均會降低精煤發熱量。對無煙煤來說，原煤全水分較低，灰分對熱值的影響超過水分[3]。但對低階煤來說，每增減1%的水分比增減1%的灰分對熱值的影響要大，這是因為水分的增減不僅影響有機質的增減，而且水分在燃燒時因汽化潛熱而需要更多的熱值。如神東長焰煤和不粘煤全水分較高，神東煤每降低1%的全水分時，其低位發熱量Qnet，ar可提高0.573 MJ/kg[4]，灰分每降低1%，發熱量可提高0.326 MJ/kg。對低階煤來說，煤的水分除了對其發熱量有影響外，還會影響商品煤的計價數量。若精煤全水分過高，既降低產品煤質量，又可能造成冬季凍車皮、超水扣噸等問題。

1.2 脫水后精煤產品水分和入料粒度的關系

圖1為分選煙煤和無煙煤時，采用不同末煤和粗煤泥離心脫水設備的脫水效果經驗值，即在末原煤外水分為5%時，不同粒度精煤產品外水分經驗值。隨著粒度變細，精煤外水分急劇增加。末精煤水分一般比末原煤高5個百分點。按水分每增加1%，熱值最低損失0.251 MJ/kg計算，末精煤水洗后熱值因為水分的增加而下降約1.25 MJ/kg。

圖1 不同類型末煤離心機中入料粒度和產品外水分的關系

1.3 矸石易泥化問題

煤炭開采過程中，頂、底板和矸石夾層易混入原煤中，隨著采煤機械化程度的發展，煤炭粒度呈細化的趨勢，原煤中小于13 mm粒級末原煤含量可達60%～70%，甚至更高。如矸石為泥質頁巖，煤與矸石在洗選加工和輸送過程中都會發生再粉碎。末煤水洗過程中矸石浸水后，某些物質溶于水，產生大量的高灰細泥，改變了煤泥水的酸堿度和顆粒的表面電性，形成溶膠，使微小顆粒長期懸浮于水中，產生泥化現象[5]。煤伴生礦物(即煤中矸石)在洗選條件下，泥化現象越嚴重，高灰細泥越多，煤泥水越難處理。大量高灰煤泥的存在勢必影響末煤，特別是煤泥的脫水效果。圖2顯示篩網沉降離心脫水機脫水時小于0.4 mm粒級入料中小于0.045 mm粒級含量對精煤產品表面水分的影響，隨著高灰細泥含量的增加，精煤產品水分急劇增加。

1.4 末煤實際水洗應用案例

1.4.1 原煤可選性

以蒙泰能源某礦為例，原煤中小于13 mm粒級末煤含量達到57.71%(見表1)，煤質易碎。50～0.5 mm各粒級灰分相差不大，但小于0.5 mm粒級煤泥灰分顯著增加，說明矸石易泥化。煤質變質程度低，各粒級水分大，小于13 mm粒級末原煤水分約為26.3%。13～1.5 mm粒級入洗原煤浮沉組成見表2。

圖2 典型篩網沉降離心機中入料小于0.045 mm含量與離心機產品外水的關系

粒級/mm產率/%全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%低位發熱量Qnet,ar/(MJ·kg-1)200～805.6225.2515.070.4117.0180～506.8426.0813.870.4817.150～3012.3825.3825.842.0114.6430～1317.4526.5527.221.8314.3713～612.8624.329.782.0213.686～316.7225.4826.351.5414.323～0.520.0527.6125.921.5314.450.5～08.0828.2229.740.9813.08總計100.0026.1825.581.5314.55

表2 13～1.5 mm粒級原煤浮沉組成

由表2可知，各粒級小于1.4 kg/L和大于2.0 kg/L密度級含量高，中間密度級含量較少，低密度分選(小于1.5 kg/L)時為極難選煤。但原煤高密度(大于1.8 kg/L)排矸時呈現易選性或中等可選性，矸石灰分80%左右，基本為純矸石。

浮沉煤泥粒度分析結果見表3。從表中可以看出，各粒級浮沉煤泥量隨著粒度減小而顯著增加，且灰分高于本級原煤灰分，說明矸石泥化嚴重，水洗時應考慮次生煤泥和矸石二次泥化現象。

表3 浮沉煤泥粒度分析

1.4.2 全部入洗分選效果

礦方提供了2013年度原煤全部入洗及2017年度部分入洗生產資料。實際分選流程為200～30 mm粒級塊煤重介質淺槽分選，30～1.5 mm粒級經過脫泥后重介質旋流器分選，小于1.5 mm粒級采用螺旋分選機分選。

原煤全部入選時，大于30 mm粒級塊精煤產率基本穩定在10%，熱值約為18.81 MJ/kg，小于30 mm粒級末精煤產率隨原煤熱值提高而上升，但小于30 mm粒級末精煤熱值變化波動較大，與原煤熱值相關性不強，平均熱值約17.77 MJ/kg。原煤全部水洗時產生大量高灰分煤泥，煤泥量基本穩定在20%左右，遠超設計煤泥量。末原煤全級重介質洗選后小于30 mm粒級末精煤水分高達30%左右，比原煤水分增加約7～8個百分點(表4)，大于30 mm粒級塊煤水分和水洗前相比也增加2～6個百分點。

1.4.3 部分入洗

若只對大于30 mm粒級塊煤進行洗選，小于30 mm粒級原煤旁路不洗，水洗煤泥和小于30 mm粒級原煤摻入末煤產品，分選效果見表5。

表4 全部入洗分選效果

表5 部分入洗分選效果

由表5可知，小于30 mm粒級旁路粉煤量隨原煤熱值增加略有增加，基本穩定在60%～68%范圍內，粉煤量較大，粉煤不洗難以穩定粉煤產品質量。部分入選時總精煤產率85%～90%，洗粉煤3%～5%，煤泥量約2%，部分入洗適合原煤發熱量較高的情況。通過分析全部入洗和部分入洗時的生產結果，可見水洗工藝存在如下的問題：

(1)原煤熱值較低時，為提高熱值必須全部入選，雖然采用低密度重介質分選，塊精煤和水洗末精煤均達到較高熱值，但水洗煤泥量約20%左右，降低了總精煤產率。原煤熱值小于14.63 MJ/kg時，全部入洗精煤產率一般在50%～70%，平均為60%，精煤損失大，產率低。

(2)原煤浮沉資料顯示，原生煤泥不足10%，水洗設計資料產品平衡計算考慮煤泥量也按照6%計算，但是實際生產數據表明，煤泥產率為20%左右，設計未能充分考慮原煤泥化現象。

(3)混煤水分設計取值和實際值偏差較大。水洗設計產品平衡表中小于30 mm粒級洗混煤水分按23.3%設計，實際生產數據表明，全部入洗時，洗粉煤水分達到30%左右。

(4)原煤部分入洗難以達到穩定末煤質量的目的。在原煤熱值較好時，采用部分入洗工藝，只洗選大于30 mm粒級塊煤，雖然塊精煤得到分選，但旁路不選的小于30 mm粒級粉煤量在60%以上。

(5)水洗產生大量高水分煤泥，水分高，熱值低，儲運困難，難以銷售。

2 末煤干選特點

ZM系列設備是傳統FGX設備更新換代產品。ZM設備的核心分離技術采用階梯式分離原理，主要根據不同礦物密度差異對一定粒級物料進行高效分離。應用于煤炭分選領域，在降硫、排矸的同時可去除一定表面水分，從而進一步提高煤炭發熱量，提質效果顯著。干選技術廣泛適用于動力煤高密度排矸[6]，煉焦煤水洗前預排矸，臟雜煤、工程煤和石子煤等礦物的分選提質。干選工藝技術特點如下。

(1)次生煤泥量少。ZM設備使用經驗表明，末煤分選過程中，小于0.5 mm粒級次生煤泥量約占原生小于0.5 mm粒級煤泥量的5%～10%，遠遠小于水洗次生煤泥量。

(2)分選密度高。干選可以在1.7～2.3 kg/L密度范圍分選排矸，一部分動力煤分選密度為2.1 kg/L時排矸精煤即可達到產品質量要求；而且重介質懸浮液使用密度很少能超過1.8 kg/L，對1.8～2.1 kg/L密度物不能回收，造成重介質精煤灰分遠低于精煤灰分要求值，精煤產率降低。干選可以在高密度下分選，精煤總灰分可接近精煤灰分要求值，實現精煤產率最大化。

(3)塊煤分選效果好。動力煤在高密度分選時一般呈現易選性，雖然干選分選精度低于水洗工藝，但由于原煤為易選，中間密度物含量少，干選精煤灰分和精煤產率與水洗工藝相差不大。對易選煤來說，可以使用干選工藝直接回收合格精煤。

(4)精煤產品水分和原煤水分相當，不會因精煤水分增加造成熱值損失。

(5)投資和運營費用低。干選廠投資和運營成本均不到水洗廠的1/2。

3 濕法和干法分選工藝比較

從以上分析結果可知：該礦原煤高密度物含量高，灰分高，易泥化，宜對原煤進行排矸處理；高密度排矸時中間密度物含量少，對原煤的干法分選十分有利。

3.1 不同分選工藝流程比較

筆者比較了3種常用排矸工藝流程：A)大于30 mm重介質淺槽分選，30～1.5 mm重介質旋流器有效分選，1.5～0.15 mm螺旋溜槽分選，小于0.15 mm煤泥直接回收，重介旋流器產品和螺旋溜槽分選機產品合并作為粉精煤產品；B)大于30 mm重介質淺槽分選，小于30 mm旁路不選，重介淺槽分選系統回收的水洗末煤摻混到旁路末煤中作為粉煤產品；C)原煤破碎到80 mm以下，全粒級ZM分選機分選，煤粉摻混到小于30 mm精煤產品中作粉煤產品。各工藝流程條件下產品平衡表見表6～表8。

表6 全部入洗時產品平衡表(水洗工藝流程A)

表7 部分入洗時產品平衡表(水洗工藝流程B)

表8 全粒級干選時產品平衡表(干選工藝流程C)

模擬結果表明，在排矸密度為1.83 kg/L時，采用干選工藝精煤產率為81.4%，精煤灰分16.16%，精煤熱值為17.16 MJ/kg。大于30 mm精煤產率為20.88%，灰分10.3%，精煤熱值為18.43 MJ/kg，小于30 mm精煤產率為60.57%，灰分18.18%，精煤熱值為16.73 MJ/kg。如對精煤進行13 mm分級，則大于13 mm精煤產率為33.74%，灰分10.90%，精煤熱值為18.30 MJ/kg，小于13 mm精煤產率為47.74%，灰分19.88%，精煤熱值為16.36 MJ/kg。采用干選工藝可以滿足生產小于30 mm精煤熱值為16.72 MJ/kg以上的精煤質量要求。

表6～表8表明，3種流程中，全部水洗時，雖然塊精煤和粉精煤灰分最低，但由于水洗時水分的增加，塊精煤和粉精煤熱值不是最高。同時由于泥化的影響，水洗煤泥量大，總精煤產率最低。部分水洗時，雖然對大于30 mm塊原煤進行了有效分選，水洗煤泥量也較低，但由于小于30 mm粉煤不入洗，不能提高粉煤熱值，粉煤熱值甚至低于原煤熱值，質量難以控制。干選方案保持了較高的精煤產率，雖然塊精煤和粉精煤灰分比全部水洗方案略高，但由于干選過程不用水，甚至水分略有下降，因此塊精煤和粉精煤熱值反而高于全級水洗時同粒級精煤的熱值，大于30 mm塊精煤和小于30 mm粉精煤熱值分別達到18.43 MJ/kg和16.73 MJ/kg。考慮到投資成本和運營成本較高的問題，因此在高密度排矸時，重介質水洗方案和干選相比沒有優勢。

3.2 干選精煤篩分分析

大于3 mm粒級排矸密度為1.83 g/cm3時，干選模擬結果分別如表9所示。

值得注意的是，對大于13 mm干法分選來說，干選精度不如塊煤重介淺槽，重介精煤灰分為9.41%，干選灰分為10.3%，干選精煤灰分比重介精煤高約1個百分點。由原煤浮沉資料分析可知，大于30 mm塊煤在高密度分選時為易選，大于1.8 g/cm3高密度重介質排矸即可達到精煤產品質量要求，但受使用磁鐵礦介質的性質限制，重介質淺槽分選密度上限低，生產時重介質懸浮液密度很少達到1.7 g/cm3以上，超過此分選密度則重介懸浮液不穩，易分層沉淀，影響分選精度，因此重介質淺槽對密度1.7～2.2 g/cm3之間的中煤產品不能回收，塊精煤產率過低。相反干選可以在高密度實現分選，精煤產率高。重介質精煤產率為18.88%，干選精煤產率為20.88%，干選精煤產率高約2個百分點。同時由于干選不用水，干選塊精煤水分低于重介質選塊精煤水分，雖然重介質選塊精煤灰分低于干選塊精煤，但干選塊精煤熱值反而高于重介質選塊精煤。對此礦塊煤分選來說，相比重介質選，采用干選工藝可以獲得更高熱值和更高產率的塊精煤產品。另外，由于塊精煤得到很好的分選，對干選末精煤可進行篩分分級，銷售塊精煤，從而獲得更高的經濟效益。

表9 干選產品平衡表

4 末煤實際工程應用案例

案例1：兗礦集團轉龍灣煤礦干選廠處理能力為300萬t干選項目。該項目2015年12月投產，原煤為高灰低熱值煙煤，入料粒度為小于80 mm混煤。該系統原有一套水洗跳汰系統，后增加干選系統，兩套分選系統分選同樣原煤。分選指標對比見表10，從表中可以看出，干選分選效果達到和超過跳汰分選指標。

表10 轉龍灣礦300萬t干選廠分選指標

案例2：沈煤集團雞東礦120萬t末煤干選項目。該項目2015年4月投產，原煤為1/3焦煤，入料粒度為小于13 mm高灰末煤。該廠原有一套水介螺旋滾筒塊煤分選系統，末煤旁路不洗，后增加末煤干選系統，分選指標如表11所示。干選將末煤灰分由47.58%降低至33.76%，精煤產率73%，末煤熱值提高4.53 MJ/kg，解決了易泥化末煤不能水洗的問題。

表11 雞東礦120萬t干選廠分選指標

案例3：沈煤集團盛隆公司堿場礦100萬t末煤干選項目。該項目2015年8月投產，原煤為1/3焦煤，入料粒度為小于13 mm高灰末煤，末煤中含白色泥巖，易泥化。該廠原有一套水介螺旋滾筒塊煤分選系統，末煤旁路不洗，后增加末煤干選系統，分選指標如表12所示。干選將末煤灰分由45.63%降低至33.53%，精煤產率80%，末煤熱值提高3.01 MJ/kg，解決了含白色泥巖末煤不能水洗的問題。

表12 堿場礦100萬t干選廠分選指標

5 推薦末煤干選工藝流程

圖3 塊煤水洗+末煤干選聯合分選工藝流程

重介質淺槽分選機、普通塊煤跳汰機和動篩跳汰機適合大于13 mm塊煤分選，動力煤選煤廠大多采用部分入選工藝，小于13 mm末煤直接旁路不分選。為提高塊煤入洗量，并減少塊煤分選設備中末煤錯配量，近年來動力煤選煤廠取消了效率較低的13 mm普通原煤分級篩，轉而廣泛采用弛張篩6 mm左右深度篩分脫粉工藝，采用重介質淺槽分選機對大于6 mm粒級塊煤進行分選，將塊煤重介質淺槽分選機入料粒度下限降至6 mm。但由于6 mm或3 mm篩分時分級效率低，即使采用篩分效率相對較高的弛張篩，仍然有部分小于6 mm原煤進入塊煤水洗系統，因此深度脫粉部分入洗工藝不能從根本上解決煤泥產品問題，同時小于6 mm末煤還是未能得到分選。對已有塊煤分選系統，末煤水洗效果不佳的選煤廠，可采用干法工藝對其進行改造。推薦流程如下：可以將原有的旁路未選末煤引入干選系統，流程見圖3。由于干選對易選塊煤分選效果較好，可以根據原煤可選性將原煤分級篩篩孔改為25 mm，30 mm或更高50 mm，實現塊煤干選，提高塊煤濕法分選入料粒度下限，改善現有塊煤分選系統分選精度，降低煤泥水負荷。末煤干選時只降低末煤灰分，不增加末煤水分，干選后末煤產品熱值得到大幅提升。對干法精煤可進行13 mm、6 mm末煤或3 mm分級，回收高價小塊精煤。此聯合分選工藝中濕法和干法分選系統相互獨立，干法分選系統不增加原有煤泥水系統負荷，增添的干選系統既豐富了產品結構，又實現了動力煤全級入選。

6 結 論

末煤水洗實踐表明，濕法分選易帶來精煤產品水分增加、煤泥產率高、精煤產率低等問題。使用末煤干選技術可以避免水洗弊端，在高密度排矸時，原煤可選性為易選或中等可選的動力煤選煤廠可采用末煤干選工藝，其精煤產率和熱值可能高于濕法分選。

末煤分選工藝的選擇必須全面考慮分選后精煤產品灰分和水分變化對精煤熱值的影響。干選工藝成功應用工程案例表明，干選技術特別適合末煤含量大，或末煤易泥化煤的分選，是動力煤分選工藝的一項重要補充，對提高動力煤特別是末煤分選的比例具有重要意義。

根據原煤性質和產品質量要求，靈活選用不同粒度上限原煤干選工藝方案。對老廠改造時可采用塊煤濕法分選+末煤干選的流程，新廠可采用全粒級干選的流程，實施煤泥減量化生產，實現動力煤全粒級分選，可達到穩定煤質、提高產品靈活性、提高廠礦經濟效益和環境效益的目的。