煤矸石破碎制漿技術裝備優化研究

何 闖

（江蘇遠方動力科技有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

煤炭資源在生產過程中會產生大量的煤矸石，對生態環境造成了嚴重的污染。煤矸石的大量堆存，降低了土地的利用率，同時矸石淋溶水還會對周圍土壤和地下水造成污染。煤矸石中含有一定量的可燃物，特定條件下容易發生自燃，排放如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體和煙塵，造成大氣污染。秉承“從哪來，到哪去”的原則，將煤矸石破碎制漿充填離層區，保護地面建筑物、構筑物，同時解決了煤矸石污染問題，一舉多得。

1 煤矸石性能

本文選取西部地區的母杜柴登煤礦、唐家會煤礦、曹家灘煤礦，對煤矸石成分、物理性能、含水率等性能進行研究。分析顯示，煤矸石主要成分為石英60%～70%、高嶺土8%～10%、鈉長石9%～17%、其他5%。經檢測分析，煤矸石硬度為3～5，屬硬度較低物料；抗壓強度為15～25 MPa，按照標準分類礦物抗壓強度小于40 MPa，稱為軟物料，所以煤矸石屬軟物料；煤矸石屬于脆性礦物，以應變形式儲存應力的能力很小，因而很容易破裂。

2 破碎機理

2.1 常規礦石破碎方式

礦石破碎形式分別有擠壓破碎、劈裂破碎、折斷破碎、研磨破碎、沖擊破碎等形式（圖1）。

（1）擠壓破碎：利用2 個工作面來實現對物料的破碎，物料在壓力到達抗壓強度極限時破碎，如顎式破碎機。

（2）劈裂破碎：工作面帶有2 個尖棱，通過尖棱來擠壓物料，當尖棱面工作時會楔入物料。當尖棱面產生的拉應力大于物料的抗拉強度極限時，礦石將會裂開并被破碎。如齒輥破碎機。

（3）折斷破碎：物料被夾在工作面之間，物料會像簡支梁或多支梁一樣受到集中力的作用。折斷破碎物料主要是受到彎曲應力從而折斷。物料在和工作面接觸的作用力為劈力。

（4）研磨破碎：物料塊的位置在兩個保持相對移動的破碎板之間，物料表面受到研磨作用會產生剪切變形，當剪切應力達到物料抗剪切強度極限時，物料就會被破碎。如球磨機、圓錐破碎機等。

（5）沖擊破碎：物料受到足夠大的瞬時沖擊力而破碎。如立軸式破碎機、錘式破碎機等。

2.2 新型料床粉碎

礦石粉碎過程分為單顆粒粉碎和料床粉碎2 種。單顆粒粉碎主要指在破碎過程中產生的粉碎，而料床粉碎則是在粉磨中產生的粉碎。單顆粒粉碎是理想環境下外力直接對單顆粒產生作用力，形成破壞應力而粉碎。料床粉碎則不同，料床粉碎是指被粉碎的物料聚合在一起，形成顆粒料床，各個顆粒的位置被相鄰的顆粒限制。外力不會直接施加在單顆粒上，而是會施加在顆粒層，應力傳遞靠的是顆粒本身，各個顆粒之間相互作用擠壓、裂縫、斷裂、剪切等而粉碎。單顆粒粉碎的功耗比較單一，能耗主要為粉碎能，料床粉碎除了粉碎能外，還存在料床壓縮和流動的能量。因此破碎能耗一般小于粉磨能耗。然而實際在微細物料粉碎中單顆粒粉碎是不可能做到的。

3 煤矸石破碎制漿裝備集成

3.1 煤矸石破碎制漿1.0 版

煤矸石破碎制漿1.0 版采用“以磨為主”的破碎工藝。采用1 臺60-90 顎式破碎機最大進料粒度400 mm，處理能力60～120 t/h，功率75 kW，以及1 臺1616 制砂機和1 臺Φ3.5×13 m 球磨機。

3.1.1 顎式破碎機

該顎式破碎機簡稱顎破，技術成熟運轉穩定（圖2）。主要破碎方式有擠壓破碎、劈裂破碎和折斷破碎3 種。

圖2 顎式破碎機結構

3.1.2 球磨機

球磨機的優點是在市場上已經大范圍使用，產品質量穩定。缺點是設備功率大，能耗高，鋼球和襯板磨損較快，耗材高。

煤矸石破碎制漿1.0版，整線共裝有顎式破碎機、反擊破碎機、球磨機。顎式破碎機75 kW、反擊破碎機400 kW、球磨機2000 kW，破碎制漿裝機總功率2475 kW。破碎1 t 煤矸石實際能耗20 kW·h，平均消耗1 kg 鋼球。

3.2 煤矸石破碎制漿2.0 版

球磨機的能量利用率是破碎設備中最低的設備，所以減少球磨機工作量是節能的關鍵。煤矸石破碎制漿2.0 版采用“多破少磨”的破碎工藝降低能耗，采用1臺750-1060 顎式破碎機最大進料粒度550 mm，處理能力150～500 t/h，裝機功率110 kW；2 臺300-1300細顎破最大進料粒度為250 mm，處理能力為16～105 t/h，裝機功率為55 kW；2 臺1600 立軸破碎機和1 臺Φ3.6×6.0 m 球磨機。

3.2.1 煤矸石破碎制漿2.0 版產線

采用兩條生產線（分別為1 號、2 號），其中一條為備用生產線。從前破碎生產線經緩沖料倉通過皮帶輸送機后直接供給MQS-3660 型球磨機，球磨機研磨出來的漿經過二級攪拌，供給注漿泵使用（圖3）。

圖3 煤矸石破碎制漿2.0 版布置

3.2.2 立軸式破碎機

立軸式破碎機簡稱為立軸破，主體部件有筒體、轉子、機蓋附件、底座等，最大進料粒度100 mm，處理能力60～110 t/h，裝機功率160 kW。其破碎部分由錘擊和反擊兩個部分組成。物料先從進料口進入破碎腔，錘頭會對物料產生沖擊、剪切、劈碎、折斷，使得物料粒徑初步降低。再經過反擊破碎，反擊板會對物料產生沖擊、剪切。物料會因自撞破碎，通過錘擊部分和反擊部分的兩次破碎之后，物料可以被控制在均衡粒徑，由此來實現物料粉碎。

該設備由機械傳動部分、反擊破碎部分、錘擊破碎部分組成。其中起到破碎作用的是錘擊破碎部分和反擊破碎部分，皮帶傳動部分傳遞破碎所需要的動力。采用立軸式上下安裝，這樣的安裝方法可以利用物料的自重，減少物料運輸過程所消耗的動力。通過反擊破碎，最終可達到降低粒徑的目的。

煤矸石破碎制漿2.0 版，顎式破碎機110 kW、細顎破55×2=110 kW、立軸破160×2=320 kW、球磨機1600 kW，破碎制漿裝機總功率2140 kW。1 t 煤矸石實際能耗14 kW·h，鋼球消耗0.4 kg。相較于1.0 版，由兩級破碎增加到三級破碎，球磨機功率由2000 kW 降至1600 kW，每噸煤矸石能耗下降20%，鋼球消耗下降60%。

3.3 煤矸石破碎制漿3.0 版

3.3.1 制粉線設計

在1.0 版中球磨機功率占比80%，2.0 版球磨機功率占比74%，功率降低了400 kW，每噸煤矸石破碎制漿能耗減少20%。減少球磨機做功是降低能耗和減少耗材的直接方式。

基于煤矸石物理化學性能，本著“以破代磨”的制粉原則，設計了煤矸石破碎制漿3.0 版（圖4）。該制粉站包含煤矸石粗破、細破、輥壓制粉及篩分設備等。制粉站參數見表1。

表1 煤矸石制粉注漿站參數

圖4 煤矸石破碎注漿3.0 版系統設計

在矸石倉出矸口布置板式給料機，矸石經出料口落入板式給料機，再經板式給料機進入皮帶機，皮帶機上部設有除鐵器，用于去除煤矸石中鐵質雜物。由皮帶機將煤矸石輸送至齒輥破碎機。入料粒徑小于300 mm，經齒輥破碎機粗破后，出料粒徑小于50 mm。經輸送機進入雙輥破碎機進行細破，破碎后粒徑小于15 mm。再經輸送機進入高壓制粉站。高壓制粉站穩料倉和布料口作用下，矸石顆粒形成穩定料層進入雙輥之間，雙輥相向轉動，煤矸石料層進入雙輥擠壓通道，隨著通道截面越來越窄，顆粒間隙減小，進入料層擠壓粉磨。在高壓下矸石顆粒被擠壓，矸石與矸石之間互相擠壓，當壓力超過矸石本身強度時矸石產生裂紋，隨著裂紋擴展，矸石顆粒越來越小。

煤矸石經過制粉站高壓輥是一次性通過，會有部分矸石顆粒在壓力下未形成小于80 目的粉末，內部已產生較多微裂紋。最終達標粉末與未達標顆粒在高壓下形成料餅從出料口落入皮帶輸送機。再經斗式提升機提升至選粉裝置，擠壓后的煤矸石料餅進入選粉機在重力作用下撞擊在打散板上，料餅分散。選粉機內部在風機作用下將細顆粒煤矸石粉向上吹，進入高速旋轉的鼠籠式分選器。小于80 目的顆粒進入離心式旋風筒，在離心作用下顆粒沉降，經重力閥落入皮帶輸送機，再由皮帶輸送機轉運至制漿機進行制漿。

選粉機中粗顆粒在打散板撞擊后向下落入選粉機粗料出料口。部分被風吹上去的較粗顆粒在分選板的撞擊后落下也落至粗料出料口。粗煤矸石經皮帶輸送機返回煤矸石制粉站，與細破后的煤矸石一同進入煤矸石制粉站。再次制粉循環，直至達標后制漿。

煤矸石破碎制漿3.0 版，齒輥破碎機130 kW、雙輥破碎機130 kW、制粉站630 kW、選粉機255 kW，破碎制粉裝機總功率1145 kW，每噸煤矸石理論能耗10 kW·h。相較于1.0 版，節約鋼球600 t，按照鋼球每噸單價6000 元計算，每年可節約360 萬元。相較于2.0版，節約鋼球240 t，按照鋼球每噸單價6000 元計算，每年可節約144 萬元。

3.3.2 智能化控制設計

為保證煤矸石破碎制漿系統實現可視化、自動化、少人化。系統采用DCS 與PLC 分散控制，集中操作系統。采用DCS 與PLC 分散控制集中操作系統，對各種設備順序控制，實現自動上下料、自動制粉、自動選粉工作，實現智能化控制，整條線僅需1 人操作。

4 結束語

煤矸石主要成分是石英、高嶺土、長石等，屬于低硬度、低強度礦石，其硬度為3～5 級、強度為15～25 MPa，更適合靜壓破碎制粉。粉磨是煤矸石破碎制漿能耗最高的環節，減少粉磨工作量是減少煤矸石破碎制漿能耗的關鍵，同時也是減少耗材的關鍵。本文提出的煤矸石破碎制漿設備3.0 版“以破代磨”是目前最適合煤矸石破碎制漿的工藝方案。