錦界選煤廠高灰細泥處理工藝改造實踐

方治民，智戰(zhàn)平，劉洵文，王海寧，趙景文，何紅為

(1.鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，陜西 神木 719315；2.神華神東煤炭集團 洗選中心，陜西 神木 719315)

錦界煤礦屬于國家級榆神工業(yè)園區(qū)國華錦能煤電一體化配套項目，礦井位于榆神礦區(qū)東北部，地處陜西省神木市錦界鎮(zhèn)。該礦采用長壁后退式一次采全高綜合機械化開采，管理頂板方法為全部垮落法，礦井最大涌水量為3 800 m3/h，水文地質(zhì)類型為極復雜型。錦界選煤廠主要承擔錦界煤礦開采原煤的洗選加工和裝車外運任務，設計生產(chǎn)規(guī)模為18.0 Mt/a[1]。隨著礦井的深度開采，造成選煤廠入選原煤水分偏高，矸石泥化現(xiàn)象嚴重，導致原有的濃縮壓濾系統(tǒng)處理能力不足，使得塊煤系統(tǒng)只能通過減量生產(chǎn)的方式來減少主選產(chǎn)生的煤泥水總量。該生產(chǎn)方式雖然暫時緩解了煤泥水系統(tǒng)的生產(chǎn)壓力，但是也導致塊精煤產(chǎn)量下降，降低了企業(yè)經(jīng)濟效益。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，錦界選煤廠對煤泥水處理系統(tǒng)進行了升級改造，選用快開隔膜壓濾機來處理矸石泥化后的極細煤泥，進而提升煤泥水系統(tǒng)處理能力[2]，并通過調(diào)整濃縮池使用方式，保證了煤泥水的完全沉降，從而實現(xiàn)了選煤廠煤泥水系統(tǒng)的正常運行[3]。

1 原煤矸石泥化問題分析

1.1 選煤廠工藝流程

錦界選煤廠于2006年6月建成10.0 Mt/a的篩分系統(tǒng)，2007年9月建成6.0 Mt/a的淺槽重介主選系統(tǒng)，并在2010年將篩分系統(tǒng)改擴建，使產(chǎn)能提高至18.0 Mt/a，2013年10月汽車運輸系統(tǒng)建成并投用。篩分破碎車間共有7套系統(tǒng)，設計處理能力為4 400 t/h，主要有原煤分級篩、手選帶、破碎機等設備。主選設備為兩臺淺槽重介分選機，設計處理能力為1 200 t/h，塊煤系統(tǒng)設計最大入選率為35.2%[4]；壓濾設備為兩臺安德里茨加壓過濾機，設計壓濾脫水能力為80 t/h。生產(chǎn)中原煤經(jīng)過篩分分級后200～25 mm塊煤采用淺槽重介分選工藝，<25 mm末煤不分選直接上倉。該廠塊煤先進行8 mm脫泥篩脫泥，8～2 mm粒級物料選用臥式離心機脫水回收，<2 mm粒級物料先由泵送入水力旋流器分級，2～0.5 mm粗煤泥采用立式離心機脫水回收，<0.5 mm細煤泥經(jīng)過濃縮沉降后泵送給入加壓過濾機脫水回收。

洗選產(chǎn)品主要有塊精煤和混煤，洗水實現(xiàn)一級閉路循環(huán)，矸石全部回填復墾綠化，裝車系統(tǒng)采用全封閉式自動化快速裝車系統(tǒng)，整套洗選系統(tǒng)實現(xiàn)了綠色、清潔、零排放生產(chǎn)。

1.2 原煤矸石泥化情況分析

目前錦界選煤廠主要存在原煤水分較大、矸石泥化嚴重等問題，礦井開采的原煤煤質(zhì)情況惡化直接影響到選煤廠的正常生產(chǎn)。為此通過對井下生產(chǎn)情況以及原煤煤質(zhì)資料進行了分析，以進一步了解原煤矸石泥化的嚴重程度[5-7]。

1.2.1 錦界煤礦生產(chǎn)情況

目前錦界煤礦正在回采工作面為：一盤區(qū)31115工作面，二盤區(qū)31214工作面，四盤區(qū)31409工作面，其中一盤區(qū)所剩余的6個工作面中部均受古沖溝影響，頂板破碎，回采期間漏矸嚴重，以致原煤灰分較高，每個影響距離約600 m，且工作面矸石具有泥巖特性，導致矸石泥化現(xiàn)象嚴重。四盤區(qū)所有工作面處于富水區(qū)，整體風化基巖含水層較厚，且工作面為俯采，采空區(qū)的水緊跟工作面，造成回采期間工作面涌水量較大，原煤煤質(zhì)水分較高。根據(jù)錦界煤礦生產(chǎn)接續(xù)計劃，2022年將回采三盤區(qū)，其工作面風化基巖含水層較厚，首采面涌水量勢必較大，并對煤質(zhì)影響較大，會造成長期性的原煤矸石泥化現(xiàn)象[8]。

1.2.2 原煤轉(zhuǎn)筒泥化試驗

為了更準確地了解錦界煤礦開采的原煤矸石泥化程度，通過采取原煤篩分大樣，對自然級樣品進行50～0.5、25～0.5、13～0.5、6～0.5 mm的泥化試驗[9]。

(1)50～0.5 mm粒級樣品在試驗過程中，煤泥水樣品沉降較為緩慢，澄清區(qū)無法看到明顯上層清液，樣品濃度相對較低，細泥透篩的過程也比較容易。轉(zhuǎn)筒泥化試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看出：隨著樣品翻轉(zhuǎn)時間的延長，該粒級樣品的碎裂程度也在不斷提高，次生煤泥的產(chǎn)率也在不斷增加。次生煤泥的灰分隨著翻轉(zhuǎn)時間的延長先緩慢增加，當翻轉(zhuǎn)時間為15 min時，進一步延長翻轉(zhuǎn)時間，次生煤泥灰分有較明顯的升高；翻轉(zhuǎn)時間在25 min后，次生煤泥產(chǎn)率增加幅度減緩；當翻轉(zhuǎn)時間為35 min時，此后次生煤泥灰分隨著翻轉(zhuǎn)時間的延長增幅繼續(xù)減緩。綜上可知，該礦原煤存在一定的矸石泥化現(xiàn)象[10]。

圖1 50～0.5 mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關系曲線

(2)25～0.5 mm粒級樣品與50～0.5 mm粒級樣品轉(zhuǎn)筒泥化現(xiàn)象相似(圖2)，試驗樣品在濃縮沉降過程中速度較慢，澄清區(qū)看不到明顯上層清液，煤泥水濃度相對較低，細泥透篩也相對容易。從圖2中可以看出：隨著翻轉(zhuǎn)時間的延長，煤塊碎裂程度提高，次生煤泥灰分略有增加，矸石有輕微的泥化現(xiàn)象。

圖2 25～0.5mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關系曲線

(3)13～0.5 mm粒級轉(zhuǎn)筒泥化試驗結果如圖3所示。該粒級轉(zhuǎn)筒泥化現(xiàn)象與前面兩個粒級泥化試驗現(xiàn)象相似，煤泥水的沉降較慢，看不到明顯上層清液，煤泥水濃度與前面兩個粒級相比略有提高，同時次生煤泥灰分略有下降，細泥透篩相對較容易。

圖3 13～0.5 mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關系曲線

(4)6～0.5 mm粒級與13～0.5 mm粒級樣品轉(zhuǎn)筒泥化現(xiàn)象相似(圖4)，煤泥水的沉降較慢，看不到明顯上層清液，次生煤泥含量進一步增加，從圖4中可以看出，該粒級樣品矸石泥化現(xiàn)象較為嚴重。

圖4 6～0.5 mm粒級翻轉(zhuǎn)時間-次生煤泥產(chǎn)率關系曲線

在泥化試驗過程中，隨著入料粒度的減小，次生煤泥產(chǎn)率逐漸增加，次生煤泥灰分雖總體上略有降低，但次生煤泥灰分變化幅度逐漸增加，說明隨著物料粒度的減小，原煤矸石泥化程度增加。

1.2.3 主選系統(tǒng)煤泥量

錦界選煤廠目前選用兩臺安德里茨加壓過濾機處理細煤泥，當原煤煤質(zhì)正常時，設計壓濾脫水能力完全足夠。2020年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，原煤水分超過14%，原煤水分過高導致大部分塊煤表面黏附著一層細煤泥，從而造成原煤分級篩的限下率增加，篩分效率下降，導致進入主選系統(tǒng)的原生煤泥量也相應增加。同時，由于原煤矸石泥化后會導致大量的高灰細泥黏附到塊煤表面，這部分高灰細泥最終會隨著煤泥水進入濃縮池，造成煤泥水難以沉降、濃縮池溢流循環(huán)水固體物含量高、濃縮池底流濃度過高以及耙架電流過大，從而影響濃縮池的正常運行[11]。

原煤矸石泥化情況對比見表1。由表1可知：當原煤煤質(zhì)情況正常時，加壓過濾機的處理能力完全足夠；當原煤矸石泥化嚴重時，矸石遇水浸散成泥[12]，系統(tǒng)中的矸石泥由于具有一定的黏性，在原煤水分較大的時候會黏附在塊煤表面，導致主選系統(tǒng)中原生煤泥量和次生煤泥量的增加。隨著塊煤入選量的增加，加壓過濾機的小時處理能力在下降，如果仍然使塊煤系統(tǒng)滿負荷運行，會導致部分煤泥無法壓濾脫水排出，造成整個煤泥水系統(tǒng)的惡性循環(huán)。現(xiàn)場遇到此類問題時，只能采取塊煤部分入選的方式進行生產(chǎn)，但部分入選會造成高發(fā)熱量、低灰分的塊精煤摻入混煤中銷售，造成了資源的浪費。

表1 不同塊煤入選量的矸石泥化情況對比表

極細煤泥進入壓濾機后，由于粒度太小導致部分極細煤泥透過濾布進入濾液，最終又會返回到濃縮池進行濃縮沉降[13]。長時間循環(huán)后，濃縮池中極細煤泥含量越來越多，濃縮池底流濃度升高，耙架轉(zhuǎn)動阻力增大，當耙架電流超過警戒值會自動報警。在生產(chǎn)過程中，遇到此情況只能采取提高耙架的方式來減少耙架阻力，該方式只能暫時緩解濃縮池的生產(chǎn)壓力，但不能從根本上解決問題。從而耙架的提升高度是有限的，隨著耙架的不斷升高，濃縮池底部聚集了大量的極細煤泥，此部分極細煤泥很容易在濃縮池底部凝結成塊，形成致密的極細煤泥層，耙架在轉(zhuǎn)動的過程中很容易刮到極細煤泥層，而導致耙架瞬時阻力過大，造成耙架變形。耙架變形后，如果沒有及時停車會造成耙架折斷的生產(chǎn)事故，從而導致煤泥水系統(tǒng)癱瘓，嚴重影響到選煤廠日常生產(chǎn)[14]。

煤泥水中極細煤泥的含量對壓濾機的處理能力影響很大。該廠選用的加壓過濾機濾布孔徑為0.075 mm，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，當加壓過濾機入料中<0.075 mm粒級的極細煤泥占比超過60%時，會造成濾餅水分偏高、濾餅薄、濾餅卸料難等問題。加壓過濾機入料粒度組成見表2。

表2 加壓過濾機入料粒度組成

由表2可以看出，加壓過濾機入料中<0.075 mm粒級的極細煤泥占到78.3%，這部分極細煤泥主要以高灰細泥為主。由于極細煤泥粒度太小，導致壓濾脫水過程中壓力不足，從而造成煤泥產(chǎn)品水分偏高，此外，由于部分極細煤泥混入濾液中還會造成濾餅變薄，濾餅難以卸料等問題。現(xiàn)場生產(chǎn)過程中一般采取降低壓濾機主軸轉(zhuǎn)速來增加濾餅壓濾脫水時間，保證煤泥產(chǎn)品水分。該處理方式雖然可以在一定程度上降低煤泥產(chǎn)品水分，但同時也降低了加壓過濾機的處理能力，導致系統(tǒng)中部分煤泥無法及時排出[15]。

2 煤泥水處理工藝改造

2.1 快開隔膜式壓濾機

隨著中國工業(yè)化進程的發(fā)展，很多類型的壓濾機得到發(fā)展，其中具有代表性的就是快開隔膜式壓濾機。該設備廣泛應用于化工、食品、冶金、選煤等行業(yè)，在選煤行業(yè)中主要用于煤泥水的壓濾脫水作業(yè)，尤其是針對粒度較細的煤泥有較好的處理效果[16]。

影響壓濾機過濾效果的主要因素為壓力的控制。快開隔膜式壓濾機的主要工作原理就是通過壓力的控制和調(diào)節(jié)實現(xiàn)過濾的功能，因此壓力系統(tǒng)的好壞直接關系著設備過濾效果[17]。快開隔膜式壓濾機的結構如圖5所示。該類型壓濾機與傳統(tǒng)的廂式壓濾機有著明顯的不同，傳統(tǒng)的廂式壓濾機由一個過濾的腔室組成，而快開隔膜式壓濾機腔室的主要結構是由兩塊濾板拼接而成的。快開隔膜式壓濾機的過濾腔室組成則更加精準，它是由濾布交錯排列的，且濾布分布在每一條的濾液管道上，在過濾作業(yè)的過程中，能避免濾板和濾袋之間存在的縫隙造成原料流失，而影響過濾效果。因此，快開隔膜式壓濾機在過濾物料的性能上更出色，同時隨著內(nèi)部物體形態(tài)的改變性能也更好，對不同粒級的物料適應能力也更強。

1—濾板移動裝置；2—濾板；3—活動頭板；4—主梁；5—液壓系統(tǒng)；6—集控裝置

快開隔膜式壓濾機的主要特點是，在過濾的過程中，能夠?qū)V餅進行二次擠壓，進一步減少濾餅的水分。當普通壓濾機給入物料后，濾室里的物料將濾布布滿，壓濾機不再進行固液分離，因為物料已經(jīng)填滿了整個濾室，所以過濾出來的液體就很難從濾布中滲析下來，這種情況會導致壓濾機的入料系統(tǒng)停止進料，供料孔進行封閉作業(yè)，壓濾產(chǎn)品不夠完全，產(chǎn)品的水分也相對較高。快開隔膜式壓濾機設有濾板膨脹一體化系統(tǒng)，遇到上述情況后，入料系統(tǒng)會停止工作，濾板膨脹系統(tǒng)啟動液壓油泵，將液壓油以一定的壓力輸送到濾板中，這樣隔膜濾板的中空就會積累出一定體積的液壓油，隨著液壓油的不斷增加，濾布對濾餅的壓力就會增大，濾板開始向外膨脹，使濾餅受到一定程度的擠壓力，進一步減小了濾餅占用的空間。留出快開空間后，壓榨出的濾液就會從濾餅中流出，從而有效地降低了濾餅的水分。在選煤行業(yè)經(jīng)過快開隔膜壓濾機過濾后的煤泥濾餅水分，比其他種類的壓濾機過濾后的煤泥濾餅水分可以降低10～15個百分點，而且該機對煤泥水粒度組成要求不是很嚴格，在一定程度上降低了選煤廠煤泥產(chǎn)品的水分[18]。

2.2 生產(chǎn)工藝改造

動力煤選煤廠煤泥水一般選用加壓過濾機進行過濾脫水回收，但是煤泥水中固體顆粒粒度分布較為復雜，且隨著煤質(zhì)情況的波動呈動態(tài)變化，因此，單一的煤泥水處理工藝在選煤廠日常生產(chǎn)過程中會遇到處理能力不足等諸多問題。

圖6是新建壓濾車間設備布置剖面圖，根據(jù)錦界選煤廠的實際生產(chǎn)情況，在原廠房的基礎上對壓濾車間進行擴建。由于擴建空間受限，在原有廠房的北側外擴一跨，新建廠房中尾對尾橫排布置兩臺壓濾機，這種布置方法可以充分利用廠房空間；二樓收集膠帶收集脫水后的煤泥，將之從帶式輸送機機頭共同轉(zhuǎn)載至一樓的煤泥轉(zhuǎn)載膠帶。由于煤泥壓濾脫水后呈餅狀，需要進行破碎，通過調(diào)整兩臺收集膠帶的相對位置，將煤泥轉(zhuǎn)載溜槽設置為帶有一定的傾斜角度，煤泥在下料的過程中沖擊到溜槽內(nèi)壁即可起到破碎的作用。該溜槽布置方式充分利用了廠房現(xiàn)有的高度差，省去了增加煤泥破碎機的費用，并簡化了工藝流程，起到了降本增效的作用。

1—壓濾機；2—收集膠帶；3—清水桶；4—濾液桶；5—轉(zhuǎn)載膠帶；6—入料泵；7—入料桶

對于動力煤而言，淺槽重介分選機的有效分選下限是13 mm。錦界選煤廠為了提高塊煤入選率，將部分原煤分級篩的篩孔尺寸由25 mm調(diào)整為13 mm，從而保證了主選系統(tǒng)入料量的穩(wěn)定。同時主選脫泥篩的篩板篩孔尺寸由8 mm調(diào)整為3 mm，簡化了原來8～3 mm粒級物料分級離心脫水流程，既降低洗選成本又減少了主選系統(tǒng)產(chǎn)生的次生煤泥量。煤泥經(jīng)過水力分級旋流器分級后，>0.5 mm粗煤泥進入離心機離心脫水，<0.5 mm細煤泥進入濃縮池進行濃縮沉降。所有的煤泥先進入1號濃縮池進行一次沉降，粒度較大容易沉降的煤泥經(jīng)過一次沉降后從底流流出，然后泵送至加壓過濾機進行過濾脫水回收。1號濃縮池的溢流自流進入2號濃縮池進行二次沉降，粒度較小的高灰細泥經(jīng)過二次沉降后從底流流出，泵送至快開隔膜式壓濾機進行過濾脫水回收。該煤泥水處理工藝可以通過自流的方式實現(xiàn)煤泥水的二次沉降，從而簡化了濃縮分級的工藝流程，也實現(xiàn)了降本增效的目的。綜上，利用不同壓濾機對不同粒級物料的處理優(yōu)勢，對細煤泥和高灰細泥進行分別回收，可保證壓濾系統(tǒng)處理能力，并且提高了煤泥產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 改造效果

錦界選煤廠屬于特大型動力煤選煤廠，2020年該廠原煤入選率為19.28%，提高煤泥水處理能力后塊煤入選率提高了4個百分點，每年可多生產(chǎn)塊精煤79.2萬t，煤泥產(chǎn)品回收率提高了11.45%，產(chǎn)品水分降低了1.34個百分點，發(fā)熱量提高了0.96 MJ/kg，極大程度地提升了該廠煤泥產(chǎn)品的質(zhì)量指標，系統(tǒng)生產(chǎn)時每年增加電耗、材料費、排矸費等費用合計為470萬元，噸煤洗選成本增加約0.2元，按照塊精煤為490元/t(含稅價)，混煤為335元/t(含稅價)計算，每年可增加凈利潤6 828萬元。在提質(zhì)增效的同時提高了該廠原煤的入選率，響應了國家提倡的“大力發(fā)展煤炭洗選加工，提高原煤入選比例”政策要求[19]。

4 結語

國家煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃對我國煤炭洗選行業(yè)進行了相關的調(diào)整，提出了加快現(xiàn)有煤礦選煤設施的升級改造，提高原煤入選率，在2020年，我國原煤入選能力達到32億t以上，將入選率提高至75%。現(xiàn)階段，我國煉焦煤選煤廠入選率已經(jīng)遠遠超過75%，但是很多動力煤選煤廠由于煤種特性，入選率依然不高。我國很多動力煤選煤廠設計之初并沒有充分考慮到煤質(zhì)情況波動等生產(chǎn)因素的變化，導致選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)對煤質(zhì)波動適應性較差，生產(chǎn)任務難以完成。各選煤廠可根據(jù)各自的生產(chǎn)情況，通過對選煤廠煤質(zhì)情況的試驗分析，有目的性地調(diào)整生產(chǎn)工藝來提高原煤入選率，來達到提質(zhì)增效的目的。