大地選煤廠選煤工藝參數優化研究

趙道文

（晉能控股煤業集團大地選煤工程有限責任公司，山西 大同 037003）

1 概況

大地選煤廠位于山西省大同市，是典型的煉焦煤選煤廠，年產量3500 萬t/a，產品主要包括精煤、中煤、矸石以及煤泥。其中，精煤主要包括TBS精煤、重介精煤以及浮選精煤三種；中煤包括TBS 尾煤和重介中煤；矸石主要為重介選矸石；煤泥為浮選尾煤。選煤廠重介精煤、TBS 精煤以及浮選精煤組織生產的灰分分別為10.51%～11%、10.50%～12%、＜10.50%。大地選煤廠現主要有一車間與二車間兩個選煤車間，其工藝大體相同，工藝流程如圖1。50～1 mm 的原煤采用重介質旋流器工藝分選出的為矸石、中煤以及精煤三個產品；1～0.25 mm 的粗煤泥采用TBS 粗煤泥分選機技術分選出的為中煤與精煤產品；-0.25 mm 的煤泥采用浮選機工藝分選出的為煤泥與精煤兩種產品。由于大地選煤廠的產品是由生產系統不同的分選作業組合加工而成的，選煤廠的最終產品也是由各個分選作業產品混合而成，故不同的分選產品的產率與灰分也各不相同。若要提升產品質量，通過優化改造選煤廠設備與工藝流程耗資巨大，洗選車間的時間與場地也無法滿足，故采用洗選工藝指標優化的方法對洗煤廠產品結構與工藝進行優化研究[1-6]，以期提高企業經濟效益。

圖1 大地選煤廠選煤工藝流程示意圖

2 選煤廠破碎解離規律研究

2.1 原煤性質分析

對選煤廠原煤進行采樣與制備處理并對其進行性質分析，原煤中干燥基含量為2.56%，灰分約為51%，屬高硫高灰煤；煉焦原煤鏡質組含量最高為43.25%，殼質組含量最低為1.5%，惰質組含量約27.32%，礦物含量約為28.9%。煉焦煤的煤巖組分中惰質組揮發分最低，殼質組最高，鏡質組在中部。在顯微組分中，殼質組含量較低使得煤炭整體揮發分較低，使得該原煤屬粘結性較強的原煤；原煤的硫分測定采用庫倫滴定法。經分析，原煤中的有機硫占比從大到小分別為噻吩、硫醚鍵和巰基。其中，占比約為70%噻吩最難脫除，故大地選煤廠脫硫的最大極限為1.2%～1.38%左右。對原煤進行浮沉試驗后發現，原煤粒度的減小會使低密度原煤的產率增大，-13 mm 密度級產率變化不明顯，高密度級原煤產率會逐漸減小；原煤粒度特性更適合Rosin-Rammler 模型，誤差僅有2%。

2.2 破碎解離試驗研究

選煤廠破碎解離試驗將原煤分為25～13 mm 與50～25 mm 兩組進行試驗，試驗過程流程圖如圖2。50～25 mm 粒級的原煤將分成25 mm 與13 mm 破碎粒度進行試驗，25 mm 破碎粒度試驗后的產品按0.5 mm、6 mm 與13 mm 進行篩分，再將25～13 mm 粒級的煤樣按13 mm 破碎粒度進行破碎并按0.5 mm與6 mm 進行篩分。其余分類的25～13 mm 粒級均按上述方法進行處理。

圖2 破碎解離試驗流程示意圖

2.3 破碎解離規律分析

通過上述試驗主要得出了兩方面結論：一方面是破碎對精煤產率的影響，50～25 mm 粒級的原煤破碎到13 mm 時產率提升2.1%，破碎為25 mm 時產率提高僅0.51%，破碎到25 mm 的原煤再破碎到-13 mm 后，矸石與煤的解離程度顯著提高。因此，將50～25 mm 粒級的原煤破碎-13 mm 時對精煤的回收利用更為有利。在精煤灰分要求方面，10.5%的灰分要求產率的增加略高于11%；25～13 mm 粒級的原煤破碎到25 mm 時產率提高較為顯著，約提升10%，灰分要求對該過程的產率影響較小。另一方面為破碎對硫分的影響，50～25 mm 粒級的原煤破碎到13 mm 與25 mm 且灰分要求為11%時，精煤的硫分含量均有所降低，并且破碎粒度越小硫分含量就越低；50～25 mm 粒級原煤與25～13 mm 粒級原煤破碎至-13 mm 結論也同樣如此，總體來說影響不大。經綜合分析研究發現，50～25 mm 粒級原煤不進行破碎處理，25～13 mm 粒級破碎到-13 mm的破碎工藝最為合適，提升產率約2.25%，效果提升顯著。

3 TBS 分選效果預測研究

在床層壓力一定的情況下，上升水流流量的提升可使分選密度有所提升。大地選煤廠上升水流流量指標的確定是通過調整上升水流流量數值，計算出底流與溢流指標并進行比較最終確定上升水流速率。該方法操作繁瑣，需浪費大量人力、物力，故本文對大地選煤廠各參數對分選密度參數影響規律進行研究分析[7-10]，計算不同密度級溢流與底流的分配率，實現不同密度級TBS 底流與溢流產品指標的預測分析。

（1）利用FLUENT 流體力學模擬軟件對粗煤泥TBS 分選過程進行模擬，湍流模型選擇RSM 模型，顆粒運動選擇DPM 模型。

（2）Case 1 采用大地選煤廠TBS 分選機模型、參數、尺寸以及過往的入料密度數據。TBS 尺寸與操作參數為分選機直徑為3 m，入料粒度為-1 mm，入料質量濃度為52.46%，上升水流量為92 m3/h。大地選煤廠入料密度數據見表1。大地選煤廠入料密度組成中間密度級的物料占比相對較少，物料占比最高的主要集中在-1.4 g/cm3與+1.8 g/cm3密度級的部分，產率具體為44.63%、34.58%。TBS幾何模型示意圖如圖3。

圖3 TBS 幾何模型示意圖

表1 大地選煤廠入料密度數據表

（3）Case 2 設置上升水流速度分別為40 mm/s、35 mm/s、30 mm/s、25 mm/s、20 mm/s。將上述數據輸入軟件后，可得不同上升水流的參數值。當上升水流流速為20 mm/s 時，a=4.092，b=52.34，c=1.312，E=0.066；當上升水流流速為25 mm/s 時，a=3.428，b=37，c=1.41，E=0.079；當上升水流流速為30 mm/s 時，a=3.09，b=30，c=1.511，E=0.087； 當上 升 水 流 流 速 為35 mm/s 時，a=2.709，b=23，c=1.511，E=0.087；當上升水流流速為40 mm/s 時，a=2.248，b=16，c=1.698，E=0.12。其中，a、b、c為軟件內函數參數，E為可能偏差。采用三參數正態分布模型擬合上述a、b、c以及E值可得擬合模型為：a=0.269 2/Ep；b=0.226 4/Ep2；δ=c。其中，δ為分選密度。

完成TBS 分選效果預測模型后，將不同的密度級輸入模型，再利用等基元灰分方法即可對精煤產率進行分析。將不同的分選密度輸入模型后發現，當TBS 分選密度為1.358 g/cm3時，精煤產率最大，為9.17%。

4 參數優化測試

將灰分要求設定為11%，破碎解離設定為0～25 mm 粒級原煤不進行破碎處理，25～13 mm 粒級破碎到-13 mm，TBS 分選密度設定為1.358 g/cm3。按上述參數進行工藝參數優化并進行實際生產測試后發現，大地選煤廠生產總精煤產率提高為44.58%，較之前的40.12%提高約4.46%，符合參數優化相關要求。

5 結論

（1）通過分析不同粒度級的原煤破碎解離規律進行研究發現，采用50～25 mm 粒級原煤不進行破碎處理、25～13 mm 粒級破碎到-13 mm 的工藝最為合適，該參數設置較之前的設置可提升精煤產率約2.25%。

（2）利用FLUENT 流體力學模擬軟件對粗煤泥TBS 分選過程進行模擬可實現TBS 分選效果預測分析。運用等基元灰分方法結合TBS 分選效果預測數據可得，TBS 分選密度為1.358 g/cm3時，精煤產率最大，為9.17%。

（3）將TBS 分選密度與破碎解離相關參數應用大地選煤廠后發現，大地選煤廠生產總精煤產率提高為44.58%，提高精煤產率約4.46%。