末煤干選工藝在陽煤五礦的工業化應用

夏云凱，李 磊，翟繼鵬

(1.唐山市神州機械有限公司；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；3.陽泉煤業集團股份有限公司 五礦選煤廠，山西 陽泉 045000)

1 煤源介紹

陽泉煤業(集團)有限責任公司是中國最大的無煙煤生產基地，五礦是其主要生產礦井之一。 五礦選煤廠實際入選能力6.80 Mt/a，選煤工藝采用大于13 mm塊煤跳汰水洗，小于13 mmm末煤不分選。主要產品包括13 mm以上塊精煤、末精煤，末煤(末原煤)、中煤和煤泥。精煤產品由優質末原煤與水洗塊精煤摻配而成，發熱量要求大于21.34 MJ/kg，供市場銷售；配電煤由一部分劣質末原煤與跳汰機中煤摻配而成，發熱量要求大于15.48 MJ/kg，供煤矸石電廠。受退出保護區等因素制約，根據五礦采煤規劃，采區將集中在南翼和中央區，南翼采區采量大幅增加后整體煤質進一步惡化。2018年以來末煤(小于13 mm)平均灰分基本維持在35%左右，對應低位發熱量在19.25 MJ/kg左右。末煤煤質惡化帶來的后果包括：

(1)影響原煤分級效果。受原煤水分影響，13 mm分級篩篩分效率不穩定，稍有波動，就會有大量煤泥進入水洗系統造成煤泥水惡化，循環水濃度升高。

(2)煤泥水系統已經超負荷運行，利用現有水洗系統挖潛改造不能滿足末煤分選需要。

(3)末精煤質量不達標。實際銷售時為保證末煤發熱量，摻入了大量的水洗塊精煤。如不能找到適合末原煤分選的工藝，則需要將全部水洗塊精煤摻入到末原煤中，才能滿足末煤發熱量大于21.34 MJ/kg的質量要求，降低了選煤廠的洗選效益。

由于原煤中泥巖的存在，末原煤入水泥化嚴重，末煤水洗會造成精煤水分高和煤泥脫水困難等難題[1-3]。煤炭產品的水分是一個重要指標[4-7]，水洗容易增加精煤水分，降低發熱量，部分抵消了降灰提質效果。動力煤洗選發展的一個主要方向是通過末煤預脫粉實現水洗煤泥減量化[8，9]或末煤干選無水洗煤泥產生[10]。目前干選技術已經廣泛應用于動力煤高密度排矸[11]、煉焦煤水洗前預排矸、臟雜煤和工程煤等高灰原料煤分選。選擇適合五礦末原煤煤質特征的干選設備和工藝具有重要的現實意義。

2 原煤煤質分析

以礦方提供的南翼采區末原煤煤質數據為例(表1和表2)，原煤屬于低水、高灰、中高硫煤，隨著粒度減小灰分降低，說明煤質較軟，原生煤泥含量6.67%，小于1 mm煤粉質量較好。原煤低位發熱量與水分和灰分之間回歸分析如下：

Qnet,ar=34.936-0.385Ad-0.3035Mt

式中，Qnet，ar——低位發熱量，MJ/kg；

Ad——干基灰分，%；

Mt——全水分，%。

表1 南翼采區小于13 mm末原煤篩分分析

表2 13～0.5 mm級浮沉試驗綜合結果

分析表2可知，大于0.5 mm粒級的浮沉組成中，小于1.3 g/cm3密度級為主導粒級，1.5～1.8 g/cm3中間密度級含量較少。當低密度分選(小于1.4 g/cm3)生產精煤灰分小于8.0%時，原煤可選性為難選。但在分選密度為1.7 g/cm3時，分選密度±0.1臨近物含量為9.1%，原煤可選性變為易選。因此高密度下分選，小于13 mm原煤可選性為易選和中等可選，適合采用干法分選。

3 ZM末煤干選機的特點

ZM礦物高效分選機為新一代復合式干選機，采用模塊化設計，結構簡單，技術應用成熟，ZM系列末煤干選機已在沈煤集團堿廠礦和永煤集團高山礦成功應用。用于末煤干選的ZM分選機具有以下特點：① 分選效果好；② 全系統封閉負壓運行，多級除塵，環保效果好，粉塵排放濃度低于20 mg/m3；③ 自動化程度高。

4 模擬計算

參考原煤可選性數據，模擬計算了常用末煤干選效果。小于13 mm原煤不脫粉干選，分選粒度下限設定為1 mm。13～1 mm粒級干選，假設精煤和中煤段分選密度為1.75 g/cm3，中煤和矸石段分選密度為1.95 g/cm3，除塵系統煤粉混入末精煤中。干選機生產精煤、中煤、矸石3個產品，產品平衡表見表3。

表3 小于13 mm末煤干選產品分析

表3表明，在小于13 mm末原煤灰分為34.71%條件下，干選精煤灰分為26.61%，產率為84.14%，干選精煤發熱量達到了大于21.34 MJ/kg的提質目標。因此，考慮到五礦末原煤的可選性特點、投資成本和運營成本問題，建議采用干法分選工藝。

利用表1和表2 中數據，對灰分進行修正，模擬不同原煤灰分下干選結果。原煤灰分分別為35%，40%，45%，50%，55%時的產品平衡表見表4。由表4可知，當小于13 mm末煤不脫粉分選時，只要原煤發熱量高于18.42 MJ/kg，干選精煤發熱量即可以滿足大于21.34 MJ/kg的煤質要求。當煤質較差時，由于大量低發熱量的小于1 mm煤粉混入干選精煤，降低了精煤發熱量。

表4 不同原煤灰分下小于13 mm末煤干選產品平衡

5 干選工業性試驗結果

使用ZM10型末煤復合式分選機對小于13 mm高灰末煤進行干選半工業性試驗，結果見表5。當原煤灰分為38.98%時，精煤產率為62.93%，精煤灰分為30.17%，干選后精煤相對原煤灰分降低8.81個百分點，低位發熱量提高了3.28 MJ/kg，精煤低位發熱量達到20.56 MJ/kg。當原煤發熱量達到17.99 MJ/kg及以上時，精煤發熱量可以達到21.34 MJ/kg及以上。

6 改造工程的應用效果

改造前五礦選煤廠生產工藝流程：毛煤經過90 mm分級，篩上大于90 mm塊煤手選后破碎，再和小于90 mm篩下物經過13 mm分級，90～13 mm塊煤由跳汰機分選，小于13 mm末煤不選。主要分選設備有4臺27 m2跳汰機。小于0.5 mm 煤泥水先進入角錐池分級，溢流進入一次濃縮機，濃縮機溢流為循環水，底流經分級旋流器分級，旋流器底流進入高頻煤泥篩脫水回收粗煤泥。煤泥篩、高頻篩篩下水及分級旋流器溢流進入二次濃縮機，底流壓濾回收細煤泥。改造前，為保證末煤和配電煤質量，全部水洗的小于13 mm末精煤、全部優質末原煤以及大部分劣質末原煤混合作為末煤產品；全部水洗中煤以及部分劣質末原煤混合可作為配電煤。

表5 小于13 mm末煤干選半工業性試驗結果

干選改造工程不涉及原水洗系統，只增建末煤干選系統處理部分劣質末原煤。末煤干選系統設計能力為2.00 Mt/a，由原煤受煤系統、主機、除塵系統組成。末原煤通過受煤系統進入干選車間，干選系統生產精煤、中煤、矸石3個產品。干選后的精煤、中煤和優質末原煤混合可作為末精煤，通過膠帶輸送機運輸至北煤臺，鐵路裝車外運。改造后，水洗塊精煤單獨銷售，不再摻入末精煤中；水洗中煤、干選矸石以及剩余未選劣質末原煤混合可作為配電煤。同時選煤廠設有矸石單獨外排通道，當矸石電廠需求量降低時，可以單獨外排矸石。

系統采用落料點密封、噴霧降塵和引風除塵聯合降塵除塵工藝，粉塵無外溢。主機除塵系統采用主機負壓操作，兩級布袋除塵，粉塵排放濃度滿足當地環保部門要求(粉塵排放濃度小于20 mg/m3)，除塵器回收的煤粉混入干選精煤。

末煤分選系統設計處理能力為2.00 Mt/a，要求小時處理能力378 t，選用1臺ZM400型末煤分選機，原煤來自于五礦小于13 mm末原煤。末煤干選系統自2020年9月投入使用后，原煤發熱量在11.92～18.83 MJ/kg范圍波動，平均發熱量提高3.35 MJ/kg以上。

圖1原煤發熱量和精煤發熱量相關關系

7 經濟效益分析

技術改造前，為提高末煤發熱量，全部水洗塊精煤摻入末煤。改造后末精煤可直接銷售，水洗塊精煤單獨銷售不再摻配，干選中煤和矸石可作為電煤供應坑口電站。參考近期山西動力煤市場煤價，末原煤發熱量分別為21.56 MJ/kg、18.28 MJ/kg、12.70 MJ/kg 時，銷售價格分別為342.9元/t、249.6元/t、191.6 元/t。

末煤干選經濟效益計算如下：

干選加工費按15 元/t計算，含投資運營方承包運營費用，電費和煤礦管理費等。

表6 小于13 mm末煤干選產品指標分析

噸原煤干選毛利潤 =(改造前后產品綜合售價差值-分選加工費)= 62.93%×342.6+37.07%×191.6-249.6-15= 22.18 元

噸原煤干選凈利潤=毛利潤-所得稅(稅率取25%)-增值稅(稅率取17%)-城市維護建設稅

(稅率取17%×7%)-教育附加費(稅率取17%×3%)=22.18×(1-25%-17%-17%×7%-17%×3%)=12.49 元。

純收入=凈利潤×(1-法定盈余公積金(比率取10%))=12.49×(1-10%)=11.24 元/t。

末煤干選廠處理能力為2.00 Mt/a，在目前煤炭價格體系下，年增加純收入為2 248萬元。 末煤干選項目總投資約為4 200萬元，投資回收期約1.87 a，干選經濟效益顯著。

8 結 語

針對陽煤五礦小于13 mm無煙煤高灰、矸石易泥化等特點，采用ZM礦物高效分離機為核心的干選分選技術和工藝。干選模擬計算和工業化生產結果均表明，小于13 mm末原煤采用干法排矸，既大幅提高和穩定了精煤發熱量，又避免了水洗產生煤泥的問題。陽煤五礦選煤廠首次采用ZM400礦物高效分離機分選劣質末原煤獲得成功，精煤發熱量大幅提高后，塊精煤單獨銷售而不再摻配電煤，經濟效益顯著。同時新增末煤干選系統和原有塊煤分選系統相結合，實現了原煤全粒級分選。