超級三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在老石旦選煤廠應用的工藝指標分析

于一棟

(北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

老石旦煤礦隸屬國家能源集團烏海能源有限責任公司，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市桌子山煤田西翼的老石旦礦區(qū)，選煤廠是配套礦井建設的，始建于1965年，目前核定生產(chǎn)能力為1.50 Mt/a。由于選煤廠投產(chǎn)年久，工藝落后，設備老化現(xiàn)象比較嚴重，2007年國家發(fā)改委印發(fā)的《煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見》中明確指出“堅持優(yōu)化設計與強化管理相結合，堅持應用先進技術與淘汰落后工藝相結合，堅持清潔生產(chǎn)與資源綜合利用相結合，堅持突出重點與全面推進相結合”。所以老石旦選煤廠進行了技術改造，更新機械裝備，既是選煤廠自身發(fā)展的需要，也順應了國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策要求。

1 技改前存在的問題

老石旦選煤廠技改前工藝為跳汰主選+有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器精選+浮選，采用帶有變頻排矸輪的SKT型跳汰機進行排矸，有壓給料兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器對排矸后的物料進行精選，分選出精煤和中煤。該技改是2007年完成的，到此已運行十余年。三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤技術在本世紀已取得了重大進步，該技術利用第一段旋流器離心力濃縮作用，可用單一低密度重懸液分選出高密度純矸，以其工藝簡化、分選精度高等優(yōu)點深受選煤廠青睞，跳汰粗選+兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器精選這種工藝已逐步被淘汰。老石旦選煤廠2007年技術改造后，跳汰系統(tǒng)矸石平均帶煤率由13%降至8%，這對當時的選煤技術水平來說，帶來的經(jīng)濟效益是非常可觀的，但是和目前全重介質(zhì)選煤工藝下的矸石指標相比還差很多，不符合節(jié)能減排的國家政策，也不利于選煤廠經(jīng)濟效益的提高。

老石旦選煤廠除了工藝落后外，還存在很多設備老化嚴重的現(xiàn)象，設備檢修時間長，工作量大，僅跳汰系統(tǒng)的4臺斗式提升機每年大修1次，就需停產(chǎn)檢修16 d，不但維護費用高，還存在檢修安全重大風險。所以急需更新設備，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 煤質(zhì)分析

2.1 粒度組成

老石旦煤礦原料煤為資源稀缺的強粘性焦煤，但屬于中高灰劣質(zhì)煤，矸石含量大，硫分高、磷分高。原料煤的粒度組成見表1，粒度特性曲線見圖1。

表1 原料煤的粒度組成

圖1 原料煤粒度特性曲線

由表1、圖1可看出：

(1)大于25 mm粒級產(chǎn)率雖然不高，但其灰分卻高達58.83%，這表征該粒級中矸石居多。

(2)隨著粒度減小，灰分也隨之降低，1～0.5 mm粒級灰分僅為24.84%，這表征煤易破碎，集中在細粒中，而矸石硬度較大不易破碎所以集中在粗粒之中。

(3)小于0.5 mm的煤泥產(chǎn)率高達34.63%，占原料煤的1/3以上，是主導粒級，煤泥量多為煤炭分選和煤泥水處理帶來難度。煤泥灰分比1～0.5 mm粒級灰分高了4.53個百分點，說明在它們之中富集了一些易破碎的高灰分粘土類礦物質(zhì)，這種煤泥遇水易結團，形成假粒或包裹在粗粒表面。

(4)圖1所示粒度特性曲線呈凹形，定性地表明原料煤粒度組成偏細。

2.2 密度組成

大于0.50 mm綜合粒級計算原料煤密度組成見表2，以此繪制的可選性曲線見圖2。

圖2 大于0.50 mm綜合粒級計算原料煤可選性曲線

由表2和圖2可知：

(1)小于1.4 kg/L密度級物料產(chǎn)率僅為17.51%，灰分卻為8.64%，說明原料煤內(nèi)在灰分高；大于1.80 kg/L密度級物料灰分僅為71.89%，說明矸石碳化程度較高；其產(chǎn)率為49.07%，表明原料煤中矸石近乎一半，而低密度產(chǎn)物只略多于1/6，屬不能直接使用的劣質(zhì)煤。

(1)當重選精煤灰分為10.45%時，理論分選密度為1.44 kg/L，δ±0.1含量(扣除大于2.0 kg/L)42.8%，屬極難選等級，此時理論精煤產(chǎn)率為25.10%。

總而言之，老石旦選煤廠入選原料煤煤質(zhì)極差。原生煤泥量占了1/3以上，大于0.5 mm粒級灰分高于45%，含矸量接近50%，理論重選精煤產(chǎn)率(占原料煤)只有16.40%。該廠的主選設備和工藝的確定事關重大，略有差錯，必將導致低于營運盈虧臨界點，陷于經(jīng)濟困境。

3 技改方案

根據(jù)煤質(zhì)分析確定的選煤工藝為：50～0 mm粒級原料煤采用不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，0.75～0.25 mm粒級粗煤泥采用重介質(zhì)旋流器分選，0.25～0 mm粒級細煤泥用浮選方法分選，高灰分煤泥水經(jīng)濃縮后用壓濾機回收。

選用以上工藝的理由如下：

(1)跳汰分選精度低，對難選、極難選煤分選效果差，老石旦原料煤在要求精煤灰分不高于10.5%的情況下，可選性為極難選，因此對于老石旦煤礦的主焦煤宜采用全重介分選，降低中煤帶煤量，提高分選精度和精煤產(chǎn)率，并提高矸石純度，避免資源損失。

(2)無壓給料方式的原料煤，不經(jīng)泵和重懸液一起輸送，矸石泥化現(xiàn)象和次生煤泥量大為減少。淮南礦業(yè)集團的顧橋選煤廠、淮北礦業(yè)集團臨渙選煤廠證明，次生煤泥量至少比有壓給料方式減少了5～7個百分點。老石旦選煤廠原料煤本身易碎，原生煤泥量偏大，無壓給料方式可減少次生煤泥的產(chǎn)生，不再為全廠煤泥處理添加難度。

(3)入選原料煤泥含量高，雖然可采用選前脫泥工藝，但脫下的煤泥只能用低效的水介質(zhì)分選，精煤產(chǎn)率低；脫泥還會增加工藝環(huán)節(jié)，增加了次生煤泥量，加大了煤泥水系統(tǒng)負荷，提高了投資和生產(chǎn)成本，所以也不宜采用脫泥工藝。

老石旦選煤廠采用的是選前不脫泥工藝，該工藝得以正常實施的保證，是采用粗煤泥重介質(zhì)旋流器，將精煤脫介弧形篩篩下濃介質(zhì)合理分流到煤泥重介質(zhì)旋流器，把合格重懸浮液的煤泥含量穩(wěn)定地保持在合適水平。并對0.75～0.25 mm粒級煤泥進行精選。將重介質(zhì)旋流器的分選下限降到0.25 mm以下，降低了營運費用較高的浮選作業(yè)負荷。

4 S-3GHMC440/360/260型超級三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的工藝指標

4.1 主要結構和工作原理

老石旦選煤廠采用的是1臺具有國際領先水平的S-3GHMC440/360/260型超級三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，它是在3GHMC型重介質(zhì)旋流器的基礎上研發(fā)出來的，其結構示意見圖3。

圖3 超級旋流器結構示意

該設備由第一段圓柱形旋流器和第二段圓柱—圓錐形旋流器串聯(lián)而成。合格重懸浮液以給定的工作壓力沿切線方向進入第一段旋流器，原料煤從另一端沿軸線以自重方式給入，重懸浮液在第一段旋流器中旋轉(zhuǎn)形成離心力場，在離心力的作用向下，重產(chǎn)物趨向于外螺旋經(jīng)連接管，切向進入第二段旋流器，而密度小于分選密度的物料則趨向于中心空氣柱，并隨著內(nèi)螺旋流由精煤排料口排出。經(jīng)過離心濃縮、分級后，密度較高、粒度較粗的重懸浮液隨同大于分選密度的物料一起進入第二段旋流器分選。第二段旋流器的分選過程基本上與第一段旋流器類似。最終高密度物料從矸石排料口排出，中間密度物料從中煤排料口排出。

經(jīng)結構和工作參數(shù)優(yōu)化的S-3GHMC440/360/260型超級三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器有以下技術特點：

(1)適當增大了原料煤和各分選產(chǎn)物的過流通道的截面面積，使得入料、排料更為通暢，從而具有超大的處理能力，該旋流器的第一段內(nèi)徑僅為1 m，在保證分選精度的條件下，最大處理能力為440 t/h，最大排矸能力為260 t/h，由于一、二段旋流器之間的連接管過流面積增大，可通過最大粒徑為160 mm的物料，徹底避免了旋流器堵塞事故的發(fā)生。

(2)提高了旋流器內(nèi)部的剪切力，降低了懸浮液固、液兩相的摩擦阻力，使得原料煤中不同密度的物料能以更精確的軌跡，快速進入高、低密度區(qū)。所以能在大幅度增大處理量的條件下仍然保證分選的精確性。

(3)適當提高了入料的固液比，即噸煤所需的合格重懸浮液的數(shù)量有所減少，因此噸煤電耗隨之降低。

老石旦選煤廠于2019年10月開始進行技改工程，施工單位克服新冠疫情所造成的困難，于2020年6月投產(chǎn)。在2020年12月對主選設備S-3GHMC440/360/260型超級旋流器進行了檢測。參照GB/T35054-2018《選煤用重介質(zhì)旋流器工藝性能試驗方法及判定規(guī)則》對該旋流器的各項工藝指標進行了計算和分析。

4.2 數(shù)量效率

原料煤及選后產(chǎn)物的密度組成見表3。由該表可得計算原料煤密度組成(見表2)，進而可繪制計算原料煤可選性曲線(見圖2)。

表3 原料煤及選后產(chǎn)物密度組成

數(shù)量效率是實際精煤產(chǎn)率與其灰分相同的理論精煤產(chǎn)率的百分比值，是評定重力選煤設備最為直觀反映分選精度的指標。

表4 第二段旋流器入料密度組成

圖4 二段入料的精煤累計產(chǎn)率和加權平均灰分關系曲線

4.3 可能偏差

產(chǎn)物中某一密度級的數(shù)量與原料煤中該密度級數(shù)量的百分比值稱為分配率，該廠三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的一、二段分配率見表5，由此繪制的分配曲線見圖5。

表5 超級三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的分配率

在理想條件下，分配曲線中間段是通過分配密度垂直于橫坐標的直線。圖5中的分配曲線趨于垂線，它們的量化指標是可能偏差，其計算方法是分配曲線上分配率為75%和25%密度值之差的一半。由圖5可讀得第一段旋流器Epm1=0.025 kg/L，第二段旋流器Epm2=0.032 kg/L，說明該重介質(zhì)旋流器的分選精度是良好的。

圖5 分配曲線

分配密度是分配曲線上對應于分配率的50%的密度，從圖5中可讀取第一段分配(實際分選)密度為1.44 kg/L，二段分配(實際分選)密度為1.88 kg/L。由此可以知曉，由于重介質(zhì)旋流器對重懸浮液有濃縮作用，所以第二段旋流器才能夠分選出高密度的純矸石。

老石旦選煤廠超級旋流器工藝性能評定報告見表6。

表6 超級旋流器工藝性能評定報告

4.4 數(shù)據(jù)可靠性

為保證測驗數(shù)據(jù)的可靠性，GB/T15715《煤用重選設備工藝性能評定方法》中規(guī)定在煤樣進行浮沉試驗時，明確要求配置7個以上密度級的重液。本次重介質(zhì)旋流器單機檢測試驗中配置了10個密度級，提高了數(shù)據(jù)的精度。

在本次單機檢查測試的全過程中，操作者們嚴格遵守相關操作的要求，盡量減少試驗誤差。對于選煤廠重介分選，試驗均方差σ應小于臨界值1.40，本次試驗均方差僅為0.74，說明所有試驗數(shù)據(jù)是可靠、可信、有效的。

5 經(jīng)濟效益

老石旦選煤廠技改工程最為核心的內(nèi)容是采用S-3GHMC440/360/260型超級旋流器及其工藝，取代了業(yè)已落伍的SKT跳汰機粗選排矸、兩產(chǎn)品單段旋流器精選的工藝。從2020年12月的檢測數(shù)據(jù)可知，精煤中僅僅有萬分之二的1.80～1.90 kg/L密度級細粒(灰分為48.61%)，對精煤產(chǎn)品質(zhì)量的影響是微乎其微的。中煤里雖有17.21%的大于1.80 kg/L重產(chǎn)物，但絕大部分是灰分為53.45%的1.80～1.90 kg/L密度級顆粒，所以中煤灰分較低，為34.47%，發(fā)熱量為20.08 MJ/kg，是良好的動力用煤。矸石中僅有0.34%灰分為33.39%的1.70～1.80 kg/L密度級物料，可稱為純矸。總而言之，該廠的超級旋流器分選精確度是很高的，使得精煤、中煤的質(zhì)量和產(chǎn)率都有大幅度提高，基本上杜絕了矸石中帶煤造成資源的損失。生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全廠生產(chǎn)指標要好于設計值。以年處理量1.50 Mt計算，可增加精煤產(chǎn)量3 萬t，中煤產(chǎn)量1.5 萬t，精煤、中煤價格分別按1290 元/t和460 元/t計算，共計可增加銷售收入4 560 萬元/a。

引人注目的是，在原生煤泥高達34.63%的條件下，技改工程所采用的選前不分級、不脫泥具有中國特色的工藝，經(jīng)住了考驗，技改前介耗為1.45 kg/t，技改后大幅下降到0.84kg/t，相對降幅為42%，全年可少消耗介質(zhì)915 t。按磁鐵礦粉價格為1 500 元/t計算，每年可節(jié)省生產(chǎn)成本137.25萬元。

6 結 語

老石旦選煤廠的技改是成功的，取得了可喜的經(jīng)濟效益，在這方面超級旋流器起到了舉足輕重的作用。據(jù)2020年12月所進行的工業(yè)性試驗檢測結果，在入選極難選劣質(zhì)原料煤的生產(chǎn)條件下，第一段旋流器的數(shù)量效率為93.39%，可能偏差為0.025 kg/L，第二段旋流器的數(shù)量效率為97.03%，可能偏差為0.032 kg/L。

因為該種設備的工藝指標優(yōu)異，因此短短幾年就得到普遍推廣。據(jù)統(tǒng)計，到2020年底已在國內(nèi)外近100座選煤廠推廣應用100余臺，形成了每年約3.68億t的總分選能力，土耳其、哈薩克斯坦等國也已成功使用該分選設備。