塊煤分選工藝的優化研究

齊正義，賈存瑞，代現法

(1.中煤科工集團 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦，山東 濟寧 272000)

1 概 述

在選煤工藝中，塊煤的分選是煤炭洗選前處理及動力煤提質的重要環節，很好地排除塊煤中的矸石是減少后續選煤生產及產品儲裝運負荷的有效手段，還可降低功耗及加工成本。塊煤分選的作用：一是排出塊煤中矸石，生產出低灰、高發熱量的大塊精煤；二是代替手選排矸，初步排出大塊矸石后的煤炭經破碎后進入分選環節。

煤炭高效分選工藝裝備的分選物料粒度上限一般在100 mm以下，重介質旋流器分選入料上限一般為50 mm，大直徑(φ1 200 mm以上)重介質旋流器可達80 mm，但為了防止上游分級設備粒度控制不嚴格，一般粒度上限也要控制低一些，最好是50 mm以下，全級入洗工藝就必須要將50 mm以上原煤破碎。因此，排出50 mm以上原煤中的矸石(塊矸)，就尤為重要，第一，可以減少末煤環節的入洗量，因此減少介耗、水耗及懸浮液循環量，也就降低了電耗和選煤成本；第二，減少運輸環節的運量和破碎機的入料量，降低矸石對相關設備的磨損，延長其使用壽命。因此，在選煤廠生產工藝中塊煤排矸環節尤為必要。

我國目前較常見的塊煤分選設備有動篩跳汰機、重介質斜輪分選機、重介質立輪分選機、重介質淺槽分選機以及近幾年發展較快的智能干選等。東北、內蒙地區等老煤炭基地的一些選煤廠多采用斜輪重介質分選機分選塊煤工藝。

大隆煤礦煤質為長焰煤，為優質動力煤，選煤廠目前采用塊煤(300～13 mm)斜輪排矸生產工藝。

古山三井選煤廠原設計是一座礦井型選煤廠，洗選動力煤，1983年投產，原煤 大于13 mm塊煤斜輪分選、小于13 mm末煤不分選。

元寶山露天礦選煤廠采用斜輪分選機處理大于50 mm原煤，50 mm以下原煤采用重介旋流器分選。

呂家坨選煤廠、錢家營選煤廠均是波蘭進口全套設備、工藝的選煤廠，大于50 mm塊煤采用立輪分選機分選，末煤采用重介質旋流器分選。

新汶、濟寧及山西省部分選煤廠是20世紀90年代以前設計建造的選煤廠，采用動篩跳汰機排矸工藝排除大于50 mm塊原煤中的矸石。隨著設備的老化，配件供應不及時，維修費用大，經常出現設備突發性事故，影響選煤廠、礦井的生產；由于設備的局限性，分選效率低，造成精煤損失或排矸不徹底的問題。

近幾年，隨著智能化選煤廠、智能礦山建設理念的提出，智能干選技術裝備開始應用于塊煤排矸領域，該技術自動識別、自動排矸[1]。對于不同的煤質事先進行預分選試驗，智能干選利用煤和矸石的性質不同，采用X射線進行鑒別，將鑒別結果反饋到中央處理單元，可設置成排純矸或排純煤方式[2]，無論是排煤或排矸都存在分選效率較低、排矸不徹底、煤炭損失問題。有些煤質因矸石和煤炭鑒別性較差而不適合采用智能干選技術。

2 塊煤斜輪分選技術

斜輪和立輪分選工藝系統、基建投資、分選效率是相同的，只是設備提矸輪的布置形式不同。斜、立輪重介分選機排矸同屬于重介質分選工藝，因此分選精度高，是20世紀50、60年代針對塊煤分選而開發的分選設備。該技術分選效率高，精煤損失小或沒有精煤損失，矸石中不含精煤，精煤中也基本上不含矸石。

其特點是運轉部位不接觸介質，這樣可以大大減輕設備的磨損，但設備龐大、占廠房體積大，增大了基建投資，另外設備易損壞，維修量大。因此，沿用此設備的選煤廠越來越少，生產此設備的企業也越來越少，備品備件的供應短缺。

斜輪分選機屬提升輪式重介質分選機，是借助懸浮液在重力場中物料按密度分選的設備。其結構特征是提升輪在分選槽之外，下部與分選槽相通，提升輪的直徑可以很小，只要其提升高度最高點高于分選槽液面即可[3]。所以設備整體高度低。當然，為了降低介耗，需要保持一定的提升高度。斜輪重介質分選機具備以下特點：

(1)浮煤由排煤輪強制排出，提高分選速度，降低懸浮液循環量，分選槽使用面積利用率高，因此處理量大，并允許通過大直徑物料顆粒(可達1 000 mm)[4]；

(2)占地面積較大，排矸輪與分選槽底之間易積存小塊矸石等物料，造成設備磨損；因其傳動形式所致，整機故障率很高[4]。

3 動篩跳汰機分選技術

動篩跳汰機的設計是德國公司針對大塊(400 mm)原煤排矸設計的。目的是解決以下這些工藝存在的問題，如重介排矸帶來的系統復雜、成本增加問題；采用脈動水流動力的普通跳汰機入料上限不超過150 mm，否則需要成倍增加頂水量和能耗；人工揀矸的勞動強度大，并且有很大的誤揀現象。

動篩跳汰機分選系統不需要脫水(介)篩及煤泥水澄清裝置，也不需要配套的風、水系統。

3.1 動篩跳汰機結構及分選原理

動篩跳汰機根據篩體驅動形式分為2種：以曲柄連桿等機械機構為動力的機械式動篩跳汰機和以液壓系統為動力的液壓驅動式動篩跳汰機[5]。

動篩跳汰機是靠機械力驅動篩板在水介質中做上下周期性運動，使篩板上物料松散，實現按密度分層。上層的輕物料經溢流堰落入提升輪前段作為精煤排出，下層的矸石經排矸輪落入提升輪后段排出[6]。

3.2 動篩跳汰機現狀

德國KHD洪堡.威達格公司研制的液壓驅動的ROMJIG動篩跳汰機分選塊煤效果良好，并具有設備緊湊、工藝簡單、分選效率高等特點[5]。

國內生產動篩跳汰機還存在著許多不足：液壓式動篩跳汰機故障率較高，機械式動篩跳汰機工藝參數不能在線調節、矸石帶煤率偏高等[1]。

動篩跳汰機分選指標較差，造成精煤損失[7]，機械結構較復雜，因此故障率高，維修量大、配件供應不及時，嚴重影響生產、加大生產成本。因此，選煤廠紛紛進行以淺槽重介質分選機替換動篩跳汰機的改造。

4 風選排矸技術

4.1 風力干選機

傳統的以風為介質的風力搖床干選機，其原理是在低風壓、大風量的作用下，使物料在搖床上松散，在搖床和風的作用下分層并向排料口方向移動，完成分選過程。因此類型干選機分選效率較低，精煤損失率達15%，適合在偏遠、缺水環境、煤種比較普通情況下使用。

4.2 智能風選

最近幾年推出的智能干選機，其原理是利用煤炭和矸石對射線(X射線，γ射線)的吸收和反射能力的差別，采用智能識別的方法進行識別[8]，再用高壓風將矸石或煤塊(25～200 mm)吹離運動軌跡，實現煤塊和矸石的分離分選[2，9]。在滿足其所需要的生產條件的前提下，其分選精度為；精煤中含矸石6.5%左右、矸石中含精煤1.5%左右[10]，如果要求精煤中含矸率更低的話，矸石中含煤率就會增加。

其特點是不用水源，不產生煤泥水。但是由于其自身的局限性也存在一些待提高的問題：

(1)對原煤分級效率(限下率)要求高，因為細顆粒物料容易被誤判、誤吹而錯配；

(2)要求布料均勻，物料之間無疊壓，否則容易被誤判、誤吹而錯配；

(3)X射線屬有害射線，對人體免疫系統、造血系統、生殖系統都有一定危害。雖然設備有外殼保護，設備附近的射線劑量為2.5 μSv/h，距離設備1 m處的射線劑量為1 μSv/h[10]，對操作、維修人員身體健康會有一定的影響。因此，射線劑量值是一個不容忽視的問題；

(4)由于設備的性質，干選機都會產生大量的煤塵，因此對除塵設施要求較高，一旦出現除塵設施故障、失效等情況，就會產生粉塵污染。

5 淺槽重介質分選機分選技術

5.1 淺槽分選機特點

淺槽重介質分選機是一種重介分選設備，設備簡單、機構緊湊。根據原煤性質及用戶對產品的要求，原煤在充滿一定密度的懸浮液的槽體中，依據阿基米德原理按密度進行分選，因此分選精度高，處理量大，耗能低。

淺槽重介質分選機用于大型選煤廠塊煤排矸，可以與重介旋流器配合在大型選煤廠用于精選大粒度級塊煤，是煤礦地面選煤廠和井下選煤廠理想的煤炭分選設備。該設備具有以下特點：

(1)結構簡單，處理能力大，每米槽寬處理能力達100 t/h；

(2)分選精度高，操作簡單，適用于難選煤的分選，對煤質波動適應性強；在實踐應用中，塊煤分選排矸可能偏差平均在0.03左右，數量效率98%以上；

(3)分選粒度范圍300～13 mm，一些選煤廠把粒度下限降到了10 mm甚至6 mm。分選密度范圍1.2～1.9(2.0) g/cm3；

(4)介耗低，噸煤可達0.3 kg以內，耗電量小，生產、維修成本低，大大降低生產成本。

5.2 淺槽分選機應用

淺槽重介質分選機應用在動力煤、煉焦煤的塊煤及塊末煤的精選與排矸。隨著國家對礦井的壓產限產，許多煤礦想到了矸石不升井的措施，在井下建立淺槽重介質分選機排矸系統，將選出的矸石作為井下回填材料，增加礦井的有效產能；有些礦井隨著開采年限的增加、煤層條件的變化，原煤中大塊矸石含量越來越多，影響選煤廠后續環節的分選效率、增加洗選成本，經常造成重介旋流器、溜槽、管路堵塞等情況。預先精確排矸，生產出低灰、高發熱量的大塊精煤，或排出大塊矸石后，可為后續破碎、末煤分選系統降低負荷，降低煤泥水系統負擔、降低加工成本。

以安居選煤廠淺槽重介質分選機排矸實踐為例，該廠原動篩車間塊煤分選下限50 mm，50 mm以下原煤進入重介質旋流器分選。淺槽車間投入運行后，大于25 mm級原煤進入淺槽分選機分選，根據原煤篩分資料，50～25 mm級占原煤18.77%，產量為42.65 t/h，原煤分級篩分級粒度改成25 mm，減少了進入末煤車間的原煤量，解決了末煤車間因入料量大而產生的分選效率低、脫介不完全，產品帶介問題。

安居礦井原煤產量為400 t/h，根據原煤資料，大于25 mm塊煤約占原煤的36.35%，產量為145.4 t/h，選擇2516型高排矸能力淺槽分選機，用于大于25 mm原煤排矸替換現有動篩跳汰機[7]。

原煤浮沉資料如表1所示，分選密度為1.70 g/cm3時，矸石灰分為82.32%，產率47.76%(占塊煤)。

表1 50～25 mm自然級浮沉試驗結果

可選性曲線如圖1所示。

經對產品采樣化驗，效果分析見表2。從表2看出，淺槽重介質分選機可能偏差Ep值0.02 g/cm3，分選精度高，精煤中不含矸石，矸石中不含小于1.8 g/cm3密度級的煤，數量效率比動篩分選平均提高15%以上。

表2 QG2516淺槽重介質分選機選煤效果分析

6 結 語

塊煤分選工藝是原煤準備的關鍵環節，設備選型時既要對煤質進行詳細分析，又要針對后續末煤環節所采用的工藝進行統籌考慮，還要考慮分選效率和經濟效益。因為塊煤準備系統的分選效率直接影響末煤環節的分選效率和加工成本。

目前，在滿足設備高分選效率的前提下，選煤工作者應加強選煤工藝及設備在環保、可靠性、低能耗方面的研究。結合智能化選煤的需求，提高設備自動化、智能化水平的研究，比如：故障自診斷、故障報警；對分選參數、入料性質的自適應、學習功能；對產品要求變化的自適應調整等方面的功能研究等。以加快設備、工藝技術的智能化水平提高，進而為選煤廠智能化及高自動化水平提供有力保障。