三產品重介質旋流器分選技術天花板的觸碰與探索

衛中寬，郭大林，史英祥

(中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300120)

三產品重介質旋流器二段在線調節是困擾重介選煤生產的難題，目前國內選煤廠多采用更換底流口的方式來調整二段旋流器的分選效果。因更換底流口必須在停車狀態下完成，往往造成調節滯后。近年來，三產品重介質旋流器大型化、定制化成果有目共睹，但存在的瓶頸問題一直沒得到妥善解決，似乎到了一個技術的天花板，無法逾越。筆者引入二段雙供介的理念，提出內循環與外循環的概念，相較傳統三產品重介質旋流器，通過在二段旋流器筒體上增設一個供介口，將來自中煤、矸石脫介篩的合格介質引入，形成一個小的二段供介內循環系統，來解決三產品重介質旋流器二段在線調節問題。這種新型三產品重介質旋流器及配套工藝在國內外尚屬首例，打破了現有三產品重介質旋流器分選技術的天花板，豐富了三產品重介質旋流器的應用，為煤矸精確分離與精細化選煤開展了有益嘗試，填補了三產品重介質旋流器二段在線調節研究領域的空白，對我國選煤技術的發展具有十分重要的意義。

1 三產品重介質旋流器的發展歷程

1.1 三產品重介質旋流器盛行的歷史

三產品重介質旋流器雖起源于國外，但在中國得以廣泛應用，并開啟了大型化、定制化裝備實踐之先河，推動中國選煤技術取得了長足進步，為世界選煤工業的發展做出了卓越貢獻。其中具有里程碑意義的事件是1999年1200/850型三產品重介質旋流器及成套洗選工藝在貴州老屋基選煤廠成功應用[1]，單系統處理能力達到1.5 Mt/a，標志著我國重介質選煤技術發展邁入了快車道。此后伴隨著國家選煤廠建設的熱潮，以三產品重介質旋流器為核心設備的大型選煤廠如雨后春筍般拔地而起，逐步形成了中國選煤史上重介工藝一統天下的局面，擴展范圍至今仍在延續。

1.2 三產品重介質旋流器分類與發展

三產品重介質旋流器按給料方式可分為兩類，即有壓給料和無壓給料，通常所說的有壓三產品重介質旋流器，嚴格來講，應該稱為“周邊(有壓)給料圓筒、圓錐旋流器并式串聯選三產品重介質旋流器”，無壓三產品重介質旋流器則應該稱為“中心(無壓)給料圓筒、圓錐旋流器并式串聯選三產品重介質旋流器”[2-3]。從工藝設計的角度重介選煤可分為脫泥或不脫泥工藝，一般情況下脫泥工藝附帶單獨的粗煤泥分選環節，而不脫泥工藝附帶煤泥重介工藝。進入21世紀后，三產品重介質旋流器的研發方向主要瞄準提高單機處理能力，從大型化、定制化、精細化的方向起步，開發了一系列大規格的單機裝備，目前最大直徑已達1 500 mm[4]，單機處理能力也有700 t/h的先例[5]。

1.3 三產品重介質旋流器推廣應用大事記

1999年1200/850型不脫泥無壓三產品重介質旋流器在老屋基選煤廠應用[1](附帶煤泥重介質旋流器分選系統)。

2003年1300/920型不脫泥無壓三產品重介質旋流器在火燒鋪選煤廠應用[6]。

2004年1200/850型脫泥無壓三產品重介質旋流器在響水選煤廠應用[7](附帶干擾床分選機分選系統)。

2004年1400/1000型不脫泥無壓三產品重介質旋流器在老屋基選煤廠應用[8](擴能改造工程)。

2005年1200/850型脫泥有壓三產品重介質旋流器在張雙樓選煤廠應用[9](粗煤泥采用干擾床分選機分選系統)。

2007年3SNWX1300/920脫泥一段雙供介無壓三產品重介質旋流器在晉陽選煤廠應用[10]。

2009年1500/1100型不脫泥無壓三產品重介質旋流器在棋盤井選煤廠應用[11]。

2009年1400/1050不脫泥一段雙供介無壓三產品重介質旋流器在鮑店選煤廠應用[12](附帶煤泥重介質旋流器分選系統)。

2010年1500/1100一段四供介無壓三產品重介質旋流器在火石咀選煤廠應用(入料粒度為60～25 mm)[4]。

2010年1500/1100型不脫泥有壓三產品重介質旋流器在顧橋選煤廠應用[13]。

2010年1400-880/850型雙錐體不脫泥無壓三產品重介質旋流器在百靈選煤廠應用[14]。

2012年1300/920型雙錐體脫泥有壓三產品重介質旋流器在中興選煤廠應用[15]。

2016年定制開發的超級旋流器在南關選煤廠應用[16](替代原有1200/850型不脫泥無壓三產品重介質旋流器)。

2018年定制開發的超級旋流器在臨渙選煤廠應用[5](替代原有1300/920型不脫泥無壓三產品重介質旋流器)。

1.4 突出貢獻單位

三產品重介質旋流器之所以取得如此多的成就，與科研單位、制造單位、設計單位、運營單位的精誠合作與推廣實踐密不可分。特別要提及的是原煤科總院唐山分院，在老一輩科研工作者的帶領下，從計劃經濟時代開始就一直從事三產品重介質旋流器的研發工作，在理論研究與工程實踐中均取得了豐碩的成果，為大型旋流器的誕生奠定了基礎。中國礦業大學、太原理工大學、山東科技大學等單位一直致力于煤炭領域三產品重介質旋流器方面的理論研究，并培養了一批優秀的專業人才，為三產品重介質旋流器的迅速普及培養了生力軍。2000年以后，唐山國華科技公司逐步引領了三產品重介質旋流器的發展潮流，推出了一系列大型定制化三產品重介質旋流器，掀起了三產品重介質旋流器迭代性革命的開始。這期間，威海海王旋流器公司作為專業化的設備制造商，為三產品重介質旋流器的大范圍推廣起到了規模支撐效應，市場占有率穩居第一。各設計公司均優先選用三產品重介質旋流器，并結合設計不斷改進工藝流程，把設備的優勢發揮到了極致，為設備的優化升級提出了寶貴的建設性意見，催生了三產品重介質旋流器分選技術向著更高層次邁進。各運營單位提供了現場試驗條件，積累了大量運行數據，成為檢驗理論研究的最佳場所，信息反饋使得三產品重介質旋流器技術不斷精進，從而更好地服務于生產。眾多單位的共同努力，使得中國選煤技術在世界上占有一席之地，擁有了更多的業內話語權。

2 使用中的瓶頸問題

三產品重介質旋流器最大優勢就是采用一套介質系統和一臺洗選設備可一次性完成三種物料的分選，從而使重介分選工藝大大簡化，運營成本大幅降低，這種短流程相較于主再選工藝操作簡單，管理便捷，次生煤泥量少，切中了國內煤炭工業發展的脈搏，是其迅速推廣的主要原因。

三產品重介質旋流器無法實現二段分選效果在線自由調整，一直是其備受詬病的主要原因。據了解，大部分采用三產品重介質旋流器的選煤廠二段分選均存在問題，以山西高陽選煤廠生產數據為例進行說明。該廠生產能力為6.0 Mt/a，主廠房有三套系統，單系統處理能力均為2.0 Mt/a，分別稱為A、B、C系統，其中A、B系統為脫泥有壓兩產品重介質旋流器主再選工藝，而C系統采用了單套介質系統的脫泥有壓三產品重介質旋流器分選工藝。入選原煤全部來自本礦，煤源一致，選煤廠整體裝備水平較高，技術管理規范，化驗數據真實。

表1為2017年3—4月該選煤廠生產技術檢查臺賬中中煤的快浮數據統計。選煤廠實際生產時每個班中煤產品做一兩個浮沉樣，收集了6份試驗數據，與2016年全年生產數據相比，反映的趨勢基本一致，因此，表1數據具有較強的代表性，屬該選煤廠的常態。

從表1可以看出，A、B系統中煤帶矸(>1.8 g/cm3)平均為24.19%，中煤產品以1.4～1.8 g/cm3密度級為主，呈良態分布。C系統中煤帶矸(>1.8 g/cm3)平均高達73.84%，中煤產品以>1.8 g/cm3密度級為主，中煤帶矸十分嚴重，說明三產品重介質旋流器的二段分選效果較差。該廠C系統的中煤發熱量不到9.21 MJ/kg，遠小于A、B系統中煤16.74 MJ/kg左右的發熱量，C系統中煤因含大量矸石，銷售途中將產生一半的無效運輸，且發熱量過低時，有滯銷的可能。

表1 山西高陽選煤廠中煤快浮數據統計

上述現象在濟寧、邯鄲礦區均長期存在，濟寧霄云選煤廠中煤帶矸超過20%，邯鄲觀臺選煤廠中煤帶矸在15%～30%之間波動，這樣的例子不勝枚舉。生產中的普遍做法是保兩頭，即保證精煤不超灰，保證矸石少帶煤，無視中煤質量。原因主要是在現有技術條件下，在線改善二段分選效果的方法已出現“瓶頸”，窮盡了多種思路，但收效甚微。

現常用的二段調節方法有兩種：其一是調節二段溢流管的插入深度，其二是改變底流口直徑。調節二段溢流管插入深度需要對二段結構進行特殊設計，增加伸縮系統，但在現場使用中往往因為伸縮系統銹死而無法在線調節，形同虛設，多已棄之。而更換底流口需在停車狀態下進行，不僅影響連續生產，且更換工作量大，工作環境也比較臟，現場不得已而為之。傳統無壓三產品重介質旋流器結構示意圖如圖1所示。

圖1 傳統無壓三產品重介質旋流器結構示意圖

3 跨維度的解決思路

3.1 新思路的啟迪

重介質旋流器的調節主要有兩種途徑，一是調整結構參數，二是調整操作參數。對于三產品重介質旋流器的二段，以往普遍通過調整結構參數來改善其分選效果，因為是由設備制造單位主導，所以表現為調節溢流管和底流口，包括定制化的超級旋流器中修改一二段連接管的長度及過流面積等。這些改進措施都是從調整機械結構參數的視角出發的。

受原煤科總院唐山分院研發的一段雙供介三產品重介質旋流器的啟發，筆者聯想到三產品重介質旋流器二段也可以進行雙給介設計，一個給介口來料是一段旋流器的重產物，另一個給介口可以單獨給入一股介質流，這樣就可以從工藝操作的角度解決二段旋流器在線精確調節問題。

3.2 再現重介系統的運行過程

如果二段采用雙供介，這股單獨的介質流從哪里來才能既不影響一段的分選效果，又不使整個工藝系統變得復雜，且不增加過高的投資與運行成本？這里需要回顧一下維持重介系統平衡的條件。重介分選系統是一個液固兩相流的混合分選體系，運行過程中進入系統的物料有煤、煤泥、補加水、磁選精礦、補加介質，排出系統的物料有精煤、中煤、矸石、磁選尾礦。運行過程如圖2所示。

圖2 重介系統運行過程

有以下三點需要說明：

(1)系統穩定后，所需的煤泥量是恒定的，進入系統的多余煤泥需要通過分流來解決，一般采用脫泥工藝后，進入系統的煤泥量少，分流量很小或不分流。

(2)補加水的原因是將磁選精礦調整到合格介質所需要的密度，由于介質損耗，補加水量是不斷減少的，合格介質桶的液位是不斷下降的，下降幅度與介耗有關，介耗大則下降快，介耗小則反之，待桶位達到設定液位下限時，即需要補加介質，并補充水。如果桶容較大，則補加介質的頻次非常低。

(3)脫泥篩噴水、脫介篩噴水容易給人誤導，其實二者并未進入重介分選系統，因脫泥而帶入系統的水量以及磁選精礦帶入的水量可忽略不計。

因此，重介選煤廠生產過程中，一般只控制一個因素，就是補加水，補加地點往往為合格介質桶或合介泵入料口管路上。

3.3 內循環與外循環的引入

通過研究發現，介質系統可劃分為內循環與外循環兩個區域，只要二段這股單獨的介質流來自內循環，就不會影響一段的分選效果，且可以達到調節二段密度的目的。下面以一個典型的三產品重介質旋流器分選工藝(圖3)為例進行說明。

圖3 新開發的二段雙供介三產品重介質旋流器介質系統設備流程

由圖3可看出：系統中增加了一個小的二段介質桶(保證有溢流，且溢流至一段合介桶)，其來料可由以下四種物料按不同比例搭配來實現調節二段的介質密度：①精煤合格介質；②中煤合格介質；③矸石合格介質；④介質系統補充水(用于稀釋磁選精礦的水量)。內循環區域設備主要有二段雙供介三產品重介質旋流器、精煤脫介篩、中煤脫介篩、矸石脫介篩、分流箱、二段雙供介入料桶及泵。外循環區域設備在內循環基礎上，增加了磁選機、補加水、補加介系統。從圖3中可看出，二段雙供介系統處于內循環區域，二段介質桶來料無論怎么變化，改變的只是進入二段物料的比例，調節的僅為二段密度，由于溢流一直存在，進入一段合格介質桶的物料沒有變化。因此，一段旋流器的運行狀況不會受任何影響，一段分選精度和分選密度也不會發生變化，精煤質量不受影響。

上述四種來料比例可以任意選擇，從而實現更寬范圍的二段分選密度調節。如果采用加水的方式，需維持介質系統中總的補充水量不變。此外，不建議使用精煤合介，以免造成精煤泥損失。最好的做法是只引入中煤合介與矸石合介，通過調節二者的比例來調整二段的分選密度，改善二段的分選效果。

3.4 新產品與新工藝研發

針對無壓和有壓兩種典型的入料方式，中煤天津設計公司研發團隊開發了無壓、有壓新型三產品重介質旋流器及其配套工藝(定名為高精度三產品重介質旋流器)，并開發了配套工藝的二段密度控制系統。兩種高精度三產品重介質旋流器及其配套工藝如圖4—圖7所示。

圖5 高精度三產品重介質旋流器典型配套工藝設備流程(無壓系列)

圖6 高精度三產品重介質旋流器(有壓系列)

圖7 高精度三產品重介質旋流器典型配套工藝設備流程(有壓系列)

4 創新點與愿景展望

4.1 主要創新點

(1)首次提出了介質系統內循環區域和外循環區域的概念，開發了新型二段雙供介三產品重介質旋流器及其配套工藝，填補了該研究領域的空白，是對傳統工藝的補充與完善，對提高中煤質量，減少無效運輸具有積極意義。

(2)在單一介質系統條件下，采用新裝備與新工藝，實現了二段旋流器分選效果動態在線調節，提高了二段旋流器的分選精度，將二段調節方式研究視角從注重調整結構參數轉移到了工藝系統變革，探索出一條實現三產品重介質旋流器二段精確分選的新途徑，是一次選煤工藝設計上的創新。

(3)二段雙供介系統可開可不開，提高了重介系統二段在線調整的靈活性，且輔助設備少，工藝簡單，便于布置，增加投資不多，市場易接受。

4.2 愿景與展望

(1)隨著新工業革命的到來，流體模擬與仿真技術將進一步賦能煤炭行業，如果煤源穩定，未來定制化開發將成為主流。但中國以井工礦為主，且開采難度逐年增加，造成煤質波動頻繁，設備選型與工藝布置時一定要考慮這些因素，預留一定的富余空間是必要的。下一步研題將會探索適度降低一段旋流器的入料壓力或流量，在節能降耗的前提下，實現二段分選效果的在線調節，并探索二段的調節范圍與初始結構的匹配性，最大限度地適應多變的煤質。

(2)大型三產品重介質旋流器盛行多年，理論研究嚴重滯后，要邁向世界選煤強國，這些軟實力的提升是不可或缺的。只有做到實踐與理論雙驅動，且與時俱進，工業體系才會趨于更完善。

(3)隨著時代的發展，任何事物都有突破的空間，有的甚至是迭代性的，創新無止境。就像三產品重介質旋流器一樣，突破了這層天花板，該技術會再上一個新臺階。