小莊選煤廠工程設計研究

楊蛟洋

(中煤國際工程設計研究總院有限公司，北京 100120)

小莊選煤廠為小莊礦井配套建設項目，選煤廠建設規模為6.00 Mt/a。服務年限70.36 a。年工作330 d，日生產16 h。選煤廠日處理原煤18 181.82 t/d，小時生產能力1 136.36 t/h。小莊選煤廠與小莊礦井位于同一個工業廣場，井田位于陜西省咸陽市彬縣東北向約18 km，距咸陽市約148 km。

1 煤質分析

1.1 煤質基本特征

小莊選煤廠的入選原煤主要來自于小莊礦井，本井田含煤地層為侏羅系中統延安組，含有煤層1～9層，具有對比意義的煤層2層(4煤、4-1煤)。其中主采煤層1層：4煤；局部可采煤層1層：4-1煤。4號煤層以不粘煤為主占96%，弱粘煤少量，占4%。4-1號煤層全部為不黏煤。煤質基本特征見表1。由表1可知，本區煤層屬低～中灰、低～中硫、中高揮發分、中高～高發熱量，低～中等軟化溫度灰的富油煤。

表1 煤質基本特征

1.2 原煤可選性

設計時小莊礦井尚處于開發建設階段，沒有生產煤樣資料，采用臨近礦井亭南煤礦可選性篩分浮沉報告為設計依據，對小莊礦井煤質進行分析，并對選煤廠設備選型和產品進行計算。原煤篩分試驗結果見表2，原煤200～0.5 mm浮沉試驗結果見表3。

表2 原煤篩分試驗結果

表3 原煤200～0.5 mm浮沉試驗結果

1.2.1 篩分資料分析

原煤灰分為22.76%，水分為11.00%，屬低中灰、中等全水分煤。50～0.5 mm各粒級隨粒級的降低，灰分也隨之降低，其中50～25 mm、25～13 mm與13～6 mm級灰分降低較明顯；13～0.5 mm各粒級灰分接近，無明顯變化；50～25 mm、25～13 mm、13～6 mm級產率比較接近，且高于6～3 mm、3～0.5 mm級產率，說明煤較硬，不易破碎。大于50 mm級矸石產率占全樣的7.31%，說明原煤含矸量較高，塊煤需排矸。小于0.5 mm煤泥灰分15.53%，低于原煤灰分22.76%。

1.2.2 浮沉資料分析

由表3可知，煤的內在灰分不高，生產低灰精煤時，產率較高。原煤各粒級中，小于1.4 g/cm3密度物含量較高，灰分隨粒度降低顯著下降；1.5～1.9 g/cm3密度物含量少；大于2.0 g/cm3矸石含量高，隨粒度級減少且含量降低。各粒級煤泥灰分隨粒級減小而減小，說明塊矸泥化現象明顯。

1.2.3 可選性評述

根據表3計算繪制200～13 mm、13～0.5 mm可選性曲線，如圖1所示。對于200～3 mm級原煤，當理論分選密度小于1.4 g/cm3時，δ±0.1含量大于40%，屬極難選煤；當理論分選密度為1.5 g/cm3時，δ±0.1含量為14.09%，屬中等可選煤；當理論分選密度為1.6 g/cm3時，δ±0.1含量為8.36%，屬易選煤；當理論分選密度為1.7～1.8 g/cm3時，δ±0.1含量小于20%，屬中等可選煤。

圖1 原煤可選性曲線

對于13～0.5 mm級原煤，當理論分選密度小于1.4 g/cm3時，δ±0.1含量大于40%，屬極難選煤；當理論分選密度為1.5 g/cm3時，δ±0.1含量為12.29%，屬中等可選煤；當理論分選密度為1.6 g/cm3時，δ±0.1含量為4.76%，屬易選煤；當理論分選密度為1.7～1.8 g/cm3時，δ±0.1含量小于20%，屬中等可選煤。

2 產品結構

小莊礦井主要目標市場為當地煤化工及省外動力煤市場。另外，依據業主提供的用戶協議要求，目標市場中還含有省外的噴吹煤市場。選煤廠的生產可以根據原煤煤質波動的情況進行組織。當原煤質量好，只生產電煤時，原煤只破碎不分選；當生產化工用煤時，開啟塊原煤分選系統，末煤不分選；當原煤質量變差不能滿足市場需要時，塊、末煤系統同時開啟。選煤廠最終制定的產品結構如下：

(1)塊、末煤均不分選，生產動力用煤。原煤：粒度50～0 mm，Ad小于18.00%，發熱量大于20.9 MJ/kg，作為動力煤，供本區電廠和中東部電廠。

(2)塊煤分選，末煤不分選，生產化工用煤及電煤。洗大塊：粒度80～30 mm，Ad不大于11.00%，供化工用；洗中塊：粒度30～13 mm，Ad不大于12.00%，供化工用；混煤：粒度13～0 mm，發熱量不小于20.9 MJ/kg，作為動力煤，供本區電廠和中東部電廠。

(3)塊煤、末煤均分選，生產化工用煤及噴吹用煤及電煤。洗大塊：粒度80～30 mm，Ad不大于11.00%，供化工用；洗中塊：粒度30～13 mm，Ad不大于12.00%，供化工用；末精煤：粒度13～0 mm，Ad小于9.00%，作為高爐噴吹煤，供鋼廠；混煤：粒度13～0 mm，發熱量不小于20.9 MJ/kg，作為動力煤，供本區電廠和中東部電廠。

3 選煤工藝設計

3.1 分選上下限

3.1.1 塊煤

小莊礦的塊煤用戶主要為化工用煤，用戶對原料煤的粒度上限要求為小于80 mm，因此，分選上限只需考慮分選設備對入料的上限要求即可。考慮小莊場地狹窄，依據工藝布置的需要，確定塊煤分選上限為80 mm。分選粒級的確定關系到選煤方法的選擇，提高分選下限可以減少原煤的洗選量，降低加工成本。對本廠來說，大于13 mm的塊煤由于灰分較高(29.30%)，不能滿足用戶的要求，需要全部入洗。因此，塊煤分選下限為13 mm。

3.1.2 末煤(生產優質動力煤及噴吹煤)

小于13 mm的末煤作為動力煤煤質較好，灰分較低，需根據市場要求決定是否入洗并確定入洗下限。當小于13 mm末煤作為普通動力煤(Qnet.ar不小于20.9 MJ/kg)時，由于要求產品發熱量不高，末煤可不進行分選。當小于13 mm末煤作為噴吹煤或優質動力煤(Qnet.ar不小于22.99 MJ/kg)時，由于要求產品灰分小于9%，末煤必須進行分選。由于本廠原煤有時存在矸石泥化現象，因此，分選下限太低易產生矸石污染并降低分選精度，且產品脫介較困難，介耗較高。由于小于13 mm末煤煤質波動較大，為保證洗末煤質量，末煤分選下限控制到1.50 mm。

3.1.3 粗煤泥

原生煤泥不分選，由于灰分較高，當需要生產灰分較低的精煤產品時，煤泥不宜摻入低灰末精煤中，需單獨銷售。據了解，本地區煤泥產量較大，當地市場又比較小，大量的煤泥滯銷。在當地煤泥售價同末煤相差太遠，銷售情況也遠不如末煤。為盡量多回收精煤，減少煤泥量，根據目前粗煤泥回收設備可以達到的分選下限要求，粗煤泥分選下限定為0.25 mm。根據小莊選煤廠入廠原煤煤質預測以及產品結構和質量的要求，充分發揮塊煤與末煤分選設備各自的優點，降低生產成本，本礦原煤應采用分級入洗方式，即80～13 mm塊煤、13～1.5 mm末煤、1.5～0.25 mm煤泥分級入洗。

3.2 分選方法

3.2.1 塊煤分選

目前，常用的塊煤分選設備主要有重介淺槽、動篩跳汰機、定篩跳汰機、大直徑無壓重介旋流器、重介斜/立輪。重介淺槽分選機是專門用于處理塊煤的高效分選設備，近年廣泛應用于各類動力、化工用煤選煤廠的塊煤分選作業。原理是利用煤和矸石密度的不同在相對靜止(非脈動水流)的重介懸浮液中自然分層，其分選長度一般只有1.6～1.8 m，煤和矸石在懸浮液中的停留時間很短，大約是普通跳汰機的1/5～1/8，是動篩跳汰機的1/2～1/3，同時煤和矸石在淺槽內的運動十分平穩，可以認為是相對靜態分選，煤和矸石在懸浮液中很少相互擠壓摩擦，因此可以最大限度的提高設備的分選精度，減輕分選作業產生的次生煤泥量。

綜合考慮分選上下限、分選精度、工藝靈活性、系統復雜性、經濟效益等因素，選擇重介淺槽分選機作為塊煤分選設備。

3.2.2 末煤分選

13～1.50 mm末煤分選采用重介旋流器，由本廠的篩分浮沉資料可以看出：產品中間產物較少，兩頭比重較大，因此采用兩產品分選即可滿足要求。考慮到減輕后續分選環節的負擔，推薦采用脫泥有壓入料方式。13～1.50 mm末煤采用脫泥有壓二產品重介旋流器分選。

3.2.3 煤泥分選與回收

目前，煤泥分選方法主要有螺旋分選機、干擾床和水介質旋流器分選。螺旋分選機分選粒級寬(3～0.074 mm)，最佳分選粒級為1.5～0.15 mm，與重介分選和常規浮選相比，螺旋分選機生產成本最低，投資最省。且螺旋分選機結構簡單，本身無須動力，便于生產管理與維修。因此，結合煤質情況和產品要求，1.50～0.55 mm粗煤泥采用螺旋分選機分選。

煤泥回水一段濃縮回收系統較簡單，但需要壓濾設備臺數較多。煤泥水兩段濃縮將粗、細煤泥分開回收，細煤泥采用壓濾機回收設備臺數少。考慮到原煤存在矸石泥化現象，為保證煤泥水系統正常運轉，選擇工藝可靠性更高的兩段煤泥水濃縮，沉降離心機回收一段濃縮機底流煤泥，快開式隔膜壓濾機回收二段濃縮機底流煤泥。

當小于13 mm粒級末煤不進行洗選時，塊煤洗選系統產生的煤泥可摻入末原煤中銷售。當小于13 mm粒級末煤洗選時，1.50～0.25 mm粒級粗煤泥可摻入混煤，小于0.25 mm粒級細煤泥可摻入混煤，也可單獨銷售(預留煤泥落地可能)。

3.3 工藝流程

根據所確定的產品結構、選煤方法、分選上下限、塊煤分選工藝、煤泥回收工藝等的論述，設計確定的選煤工藝為：80～13 mm塊煤采用重介淺槽分選，13～1.50 mm末煤兩產品重介旋流器分選，1.5～0.25 mm粗煤泥螺旋分選機分選，0.25～0 mm細煤泥采用沉降離心機+快開隔膜壓濾機兩段濃縮兩段回收的工藝。具體工藝分述如下：

(1)原煤準備。原煤倉的-300 mm原煤經13 mm、80 mm分級，大于80 mm塊煤經手選除去雜物后破碎至80 mm以下，與小于80 mm塊原煤混合一起運輸。篩下-13 mm末煤單獨運輸。當原煤無需分選時，80～13 mm塊煤經破碎機一次破碎后，再進入破碎機進行二次破碎至-50 mm。破碎后原煤與篩下13～0 mm原煤一起作為電煤銷售。80～13 mm塊煤分選時，經帶式輸送機轉載至主廠房塊煤分選系統。13～0 mm末煤初期不分選，直接經帶式輸送機轉載至混煤倉儲存。

(2)塊煤分選。80～13 mm級塊原煤進入主廠房，經3 mm脫泥，脫泥后的塊煤進入重介淺槽分選機，輕產物由雙層香蕉篩脫介脫水分級，上層分級φ13 mm篩孔，下層脫介φ2 mm。脫介脫水后的80～13 mm級物料作為塊精煤產品由塊煤膠帶轉載至塊煤倉上，經分級篩篩分成80～25 mm，25～13 mm塊煤產品分別入倉儲存。塊精煤篩下的13～2 mm物料進入離心機進行脫水后通過帶式輸送機轉載混入-13 mm末原煤；重產物由單層直線脫介篩脫介，篩孔2 mm，脫介后的重產物通過膠帶輸送機轉載至矸石倉。

(3)末煤分選。-13 mm末原煤經1.5 mm脫泥篩脫泥，脫泥后的13～1.50 mm末原煤和合格介質在主選混料桶中混合均勻，泵送至兩產品重介旋流器分選，旋流器溢流經過一次脫介、二次脫介和離心脫水后生產出末精煤產品；底流經過一次脫介、二次脫介脫水后生產出末矸石產品。末煤分選系統只在需要生產低灰精煤或者煤質變差的時候才開啟，一般情況下末煤作為動力用煤，不用入洗。

(4)介質回收。塊原煤淺槽重介系統、末原煤旋流器重介系統的脫介篩篩下合格段合格介質，返回各自系統的合格介質桶循環使用；精煤脫介弧形篩篩下合格介質經分流后，大部分返回各自的合格介質桶；分流出來的小部分合格介質與脫介篩篩下稀介質，經各自稀介質桶緩沖，再由泵輸送至各自系統的磁選機；磁選精礦返回各自的合格介質桶；塊煤系統磁選尾礦作為塊煤脫泥篩的噴水；末煤系統磁選尾礦經旋流器組濃縮后，底流進入螺旋分選機分選。

(5)粗煤泥分選1.50～0.25 mm煤泥水經旋流器組濃縮分級，溢流至細煤泥回收系統；底流進入螺旋分選機分選，精礦經過弧形篩一次脫水后，至煤泥離心機二次脫水，摻入精煤；尾礦至弧形篩、高頻篩脫水后，混入矸石中。粗煤泥分選系統也是僅僅在需要出低灰精煤的時候才開啟，一般情況下，粗煤泥直接走管道旁路不分選，直接摻入混煤中。

(6)細煤泥回收。分級旋流器組溢流、煤泥離心機離心液及高頻篩篩下水進入一段濃縮機濃縮。一段濃縮機底流送至沉降過濾離心機回收，摻入末煤作為電煤，一段濃縮機溢流進入二段濃縮機，二段濃縮機底流進入壓濾機脫水，煤泥摻入末煤作為電煤。濾液作為循環水。一段底流在工藝布置時考慮也可以進入壓濾機，既可以通過沉降離心機回收也可以通過壓濾機壓濾回收。

主要設備選型見表4。

表4 主要工藝設備選型

4 工藝布置

結合場區地形、地貌、主井井口房、鐵路裝車點位置等因素，將選煤廠布置在礦井廠區西南側，原煤倉位于主井井口房西側，呈南北布置。

(1)主井原煤(300～0 mm毛煤)經帶式輸送機運入原煤倉儲存；原煤倉內原煤經倉下帶式輸送機轉載進入選煤廠篩分破碎車間。

(2)經篩分破碎后的80～13 mm塊原煤，可經膠帶輸送機轉載直接進入塊煤分選系統；也可以經旁路膠帶輸送機進入塊煤倉直接作為塊原煤產品儲存；當只生產電煤產品時，80～13 mm塊煤也可直接破碎至小于50 mm與小于13 mm末原煤混合，進入混煤倉作為電煤直接銷售。

(3)80～13 mm塊原煤經帶式輸送機轉載進入主廠房洗選系統，進入主廠房重介淺槽排矸系統后，經脫泥后，80～13 mm塊煤進入重介淺槽分選機，選出塊精煤和塊矸石。塊精煤、塊矸石經帶式輸送機轉載后分別進入塊煤倉、矸石倉。

(4)13～0 mm末原煤，可直接經帶式輸送機轉載進入混煤產品倉作為電煤直接銷售。也可進入末煤系統洗選，經脫泥后進入有壓兩產品重介旋流器分選，選出末精煤和末矸石。末精煤和矸石經帶式輸送機轉載后分別進入精煤倉、矸石倉。

(5)在主廠房西南側布置4臺直徑30 m濃縮機，3臺工作，1臺事故。3臺工作濃縮機中1臺作為一段濃縮機，2臺作為二段濃縮機。

(6)細煤泥經一段濃縮、二段濃縮后，一段底流經沉降離心機脫水、二段底流經壓濾脫水后，摻入混煤產品。

(7)矸石通過倉下裝車閘門裝汽車外運。選煤廠產品既可通過汽車外運，也可通過鐵路火車外運。

5 結 語

通過合理的工藝設計，充分發揮各種分選工藝設備的優點，使工藝系統達到整體最佳效能。系統對煤質波動適應能力強，可以靈活調節分選工藝參數，適應煤質變化及用戶對產品的不同質量要求。設備選型先進、可靠、自動化程度高，設備大型化，且臺數少，地面工藝總布置煤流簡潔、順暢，功能分區明確，取得了良好的實踐效果。