馬佳偉，崔廣文，隋文浩

(山東科技大學(xué) 化工與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，我國(guó)正在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)煤化工向現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化，尤其是煤直接液化技術(shù)、煤間接液化技術(shù)、煤制烯烴技術(shù)、煤制乙二醇技術(shù)、煤制天然氣技術(shù)和煤制芳烴等技術(shù)相繼獲得突破[1]，在推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，大幅度提升了化工用煤的需求量。同時(shí)，由于我國(guó)焦煤和肥煤資源比例逐年下降，可用于鋼鐵企業(yè)的原煤越來(lái)越少，而且我國(guó)原煤可選性較差，中間密度物含量高，致使許多選煤廠將此類煉焦煤以中煤或洗混煤的形式作為動(dòng)力煤燃用。因此，對(duì)中煤的解離破碎再選以提高洗選精煤產(chǎn)率，是我國(guó)煉焦煤選煤廠的迫切需求[2]。

三產(chǎn)品重介旋流器分選流程是目前選煤廠采用較多的重選流程，具有分選效率高、精煤產(chǎn)率大等優(yōu)點(diǎn)[3]。但由于重介旋流器直徑大、細(xì)粒煤與粗粒煤分選密度差異較大等因素影響，導(dǎo)致三產(chǎn)品重介旋流器分選的中煤灰分大約在30%～40%。而化工用煤的煤質(zhì)灰分要求小于20%，因此利用傳統(tǒng)重選方法分選的中煤質(zhì)量已無(wú)法有效適應(yīng)煤化工企業(yè)的用煤需求。另外我國(guó)正處于壓縮原煤產(chǎn)能的環(huán)境中，部分選煤廠原煤產(chǎn)量不足，單獨(dú)洗選加工生產(chǎn)化工用煤，勢(shì)必影響稀缺的焦化用煤需求量。因此有必要開發(fā)一種在線生產(chǎn)現(xiàn)代化工用煤的分選工藝。本文介紹的工藝就是在不影響煉焦煤正常生產(chǎn)條件下，將中煤破碎解離后進(jìn)入三錐角水介旋流器再次分選，生產(chǎn)出化工用煤和高灰中煤兩種產(chǎn)品。這不僅利于發(fā)展新型煤化工企業(yè)，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)升級(jí)，降低能耗和培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，而且對(duì)保護(hù)環(huán)境和提高煤炭綜合利用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 化工用煤的現(xiàn)狀

化工用煤是除了動(dòng)力用煤和煉焦用煤之外選煤產(chǎn)品的第三個(gè)重要應(yīng)用方向，主要用于煤化工領(lǐng)域，包括高爐煉鐵、高爐噴吹、煤炭直接液化和煤炭間接液化，是以煤作為原料，生產(chǎn)固體產(chǎn)品、液體產(chǎn)品、氣體產(chǎn)品和其他化工產(chǎn)品。目前，我國(guó)化工用煤的產(chǎn)區(qū)主要分布在以產(chǎn)無(wú)煙煤為主的山西晉城和以產(chǎn)煙煤為主的陜西神木等地，其次還分布于山西陽(yáng)泉、潞安，河南焦作、永城和寧夏汝箕溝等礦區(qū)；主要消費(fèi)地在山東和河南等地區(qū)，運(yùn)輸以鐵路和公路互補(bǔ)運(yùn)輸為主[5]。據(jù)《煤化工產(chǎn)業(yè)煤炭消費(fèi)量控制及其政策研究執(zhí)行報(bào)告》稱[6]，隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)的突破，我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，已成為世界上現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)量最大的國(guó)家?；び妹旱南牧空w呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，占總煤炭的比例和利用率不斷提高，預(yù)計(jì)到2020年，化工用煤將比2015增長(zhǎng)20%左右。以下是預(yù)計(jì)后期化工用煤呈現(xiàn)的特征：

(1)煤炭主產(chǎn)地自產(chǎn)自轉(zhuǎn)化率提高，將導(dǎo)致內(nèi)陸化工用煤愈發(fā)緊張。

(2)煤炭主產(chǎn)地洗選設(shè)施建設(shè)滯后、工藝流程不當(dāng)和優(yōu)質(zhì)運(yùn)輸資源有限均影響化工用煤的生產(chǎn)量。

(3)化工用煤的原料煤種類單一是影響煤化工發(fā)展需求的主要因素。

(4)化工用煤的多元化也將利于控制原煤價(jià)格，對(duì)煤化工行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展起到重要作用。

2 三錐角旋流器應(yīng)用于某選煤廠的試驗(yàn)研究

2.1 中煤粒度組成實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)某選煤廠工藝流程的優(yōu)化，進(jìn)行中煤解離再選生產(chǎn)化工用煤的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)煤樣取自某選煤廠中煤脫介篩篩上物料。為了解該煤樣粒度組成，根據(jù)《煤炭篩分試驗(yàn)方法》對(duì)煤樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到其粒度組成見表1和表2。

表1 煤樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 煤樣中小于3 mm粒級(jí)篩分結(jié)果

從表1可以看出，煤樣各粒級(jí)分布較均勻，除13～25 mm粒級(jí)產(chǎn)率為26%以外，其余各粒級(jí)組成約為19%左右。另外，各粒級(jí)灰分也較接近，通過(guò)分級(jí)的方法很難從煤樣中分離出灰分為20%以下的化工用煤。

從表2可以看出，小于3 mm粒級(jí)中大于0.15 mm粒級(jí)的累計(jì)產(chǎn)率為86.56%，累計(jì)灰分為34.55%；小于0.15 mm粒級(jí)的物料僅占13.44%；極細(xì)粒級(jí)中小于0.074 mm粒級(jí)占比較少，僅為1.47%。細(xì)粒級(jí)灰分相對(duì)較高，符合中煤脫介篩上物料性質(zhì)。

2.2 煤樣密度組成分析

為了解煤樣密度組成情況，根據(jù)《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》對(duì)破碎前煤樣進(jìn)行各粒級(jí)浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 破碎前煤樣篩分浮沉試驗(yàn)綜合表

由表3可以看出，各粒級(jí)的密度組成變化較大，各粒級(jí)灰分隨密度的增大而增大，其中小于3 mm和3～6 mm粒級(jí)中灰分小于20%時(shí)，理論產(chǎn)率約占本級(jí)60%，而其他粒級(jí)灰分小于20%時(shí)，理論產(chǎn)率約占本級(jí)40%左右。從表3可以看出，解離前煤樣灰分小于20%時(shí)，理論產(chǎn)率為45%，而且該密度δ±0.1(臨近密度物)含量約為60%，根據(jù)《煤炭可選性評(píng)定方法》，此煤屬于難選煤[7]。

2.3 解離后小于3 mm煤樣性質(zhì)分析

將原樣中大于3 mm粒級(jí)煤樣破碎至小于3 mm后，與原樣中小于3 mm粒級(jí)混勻后進(jìn)行篩分和浮沉試驗(yàn)，結(jié)果分別見表4和表5。為了考查三錐角水介旋流器的分選效果，對(duì)破碎后大于0.2 mm粒級(jí)進(jìn)行浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

從表4可以看出，破碎后篩分的各粒級(jí)灰分相差不大，均為33%左右，可見通過(guò)篩分方法難以得到灰分20%以下的化工用煤產(chǎn)品。從表5可以看出，通過(guò)破碎解離可以得到低灰精煤(化工用煤)，其中20%以下灰分的煤約占本級(jí)60%。此時(shí)分選密度δ±0.1含量為45%，盡管也屬于極難選煤，但與解離前60%的含量相比還是易選些。

表4 破碎后煤樣小篩分試驗(yàn)結(jié)果

表5 破碎后小于3 mm粒級(jí)浮沉試驗(yàn)結(jié)果 %

表6 煤樣破碎后大于0.2 mm粒級(jí)小浮沉試驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出，當(dāng)灰分小于20%時(shí)，精煤主要集中在小于1.5 g/cm3的密度級(jí)中，此時(shí)理論產(chǎn)率占本級(jí)約為61%。若分選效率為70%，此時(shí)灰分小于20%的化工用煤產(chǎn)率占本級(jí)約為42.7%。

3 粗煤泥分選設(shè)備及工藝流程

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)選煤廠提供的煤樣及其解離后煤質(zhì)分析，本試驗(yàn)采用山東科技大學(xué)自主研發(fā)的三錐角水介旋流器進(jìn)行分選試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)見圖1。該旋流器是利用離心力場(chǎng)及重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分選的設(shè)備，本身沒有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該設(shè)備具有特殊的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用水作為分選介質(zhì)，有別于傳統(tǒng)的粗煤泥重介分選旋流器和分級(jí)旋流器，也叫自生介質(zhì)旋流器。該設(shè)備可對(duì)0.3～3 mm的粗煤泥按密度進(jìn)行有效分選，得到底流和溢流，對(duì)溢流進(jìn)行脫水、脫泥可以獲得合格的精煤產(chǎn)品(灰分小于6%～20%)。此外，該設(shè)備對(duì)入料粒度組成要求不嚴(yán)格，入料煤泥粒度可以是0～3 mm(直徑500 mm旋流器入料粒度上限可以達(dá)到6 mm)[8-9]。

該設(shè)備可以用于原煤分級(jí)入洗工藝中細(xì)粒煤部分的分選，也可以用于煤泥水系統(tǒng)中粗煤泥的分選回收。該設(shè)備可利用原有分級(jí)旋流器入料泵，使技術(shù)改造更加簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，在新建或老選煤廠煤泥水系統(tǒng)工藝改造中可以廣泛應(yīng)用。

圖1 三錐旋流器結(jié)構(gòu)示意

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

針對(duì)選煤廠提供的粗煤泥，設(shè)計(jì)使用實(shí)驗(yàn)室直徑為100 mm的三錐角水介旋流器對(duì)該煤泥進(jìn)行如下分選試驗(yàn)：將粗煤泥煤樣配制到160 g/L濃度，設(shè)定好初始結(jié)構(gòu)參數(shù)；開動(dòng)礦漿泵，調(diào)整旋流器入料壓力；物料循環(huán)5 min后，對(duì)溢流、底流、入料分別采樣；改變旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)，即錐體型號(hào)、溢流管直徑、溢流管插入深度等，重復(fù)上述試驗(yàn)?？紤]到目前選煤廠設(shè)備對(duì)細(xì)粒煤分級(jí)狀況，將獲得的樣品進(jìn)行濕式篩分，分出大于0.2 mm和小于0.2 mm粒級(jí)，分別測(cè)定灰分和質(zhì)量，再利用灰分平衡法計(jì)算精煤產(chǎn)率及綜合產(chǎn)率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)煤質(zhì)資料，應(yīng)用三錐角水介旋流器對(duì)該煤樣進(jìn)行了探索性分選試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變錐體型號(hào)、入料壓力、溢流管插入深度等參數(shù)，得到了大量的數(shù)據(jù)，從中選出分選效果最好的試驗(yàn)，結(jié)果列于表7。試驗(yàn)得知：不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)下的三錐角水介旋流器對(duì)該煤泥具有不同的分選效果，且三錐角水介旋流器對(duì)該煤樣具有較好的分選效果，可以得到不同要求的產(chǎn)品灰分。

表7 三錐角旋流器分選試驗(yàn)結(jié)果

注：大于0.20 mm粒級(jí)綜合產(chǎn)率為精煤占旋流器入料比率。

從表7看出，溢流中大于0.2 mm粒級(jí)灰分為19.06%，產(chǎn)率達(dá)到了37.20%，產(chǎn)率相對(duì)較高。此時(shí)，根據(jù)可選性曲線得知，大于0.2 mm粒級(jí)產(chǎn)品理論產(chǎn)率(占煤泥總樣)為45.01%，數(shù)量效率為82.65%?？梢源_定在此試驗(yàn)參數(shù)下，三錐角水介旋流器的分選效果最好，且分選效率較高，滿足了煤化工用煤要求。

3.4 生產(chǎn)化工用煤工藝流程設(shè)計(jì)

基于三錐角水介旋流器的特點(diǎn)，根據(jù)化工用煤指標(biāo)要求和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)合選煤廠施工圖紙和現(xiàn)場(chǎng)管道布置情況[10]，設(shè)計(jì)如下生產(chǎn)工藝流程：三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選出的中煤經(jīng)弧形篩脫水處理得到篩上物和合格介質(zhì)；篩上物經(jīng)脫介篩脫介處理后得到中煤稀介質(zhì)和中間產(chǎn)物；中煤稀介質(zhì)經(jīng)磁選機(jī)磁選得到中煤磁尾和合格介質(zhì)；中間產(chǎn)物經(jīng)破碎機(jī)破碎至粒徑6 mm以下，得到破碎中間產(chǎn)物；破碎中間產(chǎn)物和中煤磁尾按照質(zhì)量比4∶1在混合桶中混合形成濃度為160 g/L的入料，然后進(jìn)入三錐角水介旋流器分選得到溢流和底流；溢流經(jīng)弧形篩進(jìn)行一次脫泥，得到一次煤泥和一次煤泥水；一次煤泥經(jīng)離心機(jī)脫水處理得到化工用煤和二次煤泥水；一次煤泥水和二次煤泥水混合，進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)；底流經(jīng)弧形篩二次脫泥得到二次煤泥和三次煤泥水；二次煤泥經(jīng)離心機(jī)脫水處理得到高灰中煤(最終中煤)和四次煤泥水；三次煤泥水和四次煤泥水混合，進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 化工用煤生產(chǎn)工藝流程示意

該工藝流程的特點(diǎn)：① 充分利用三錐角旋流器的特殊結(jié)構(gòu)，在不需要添加介質(zhì)的條件下，能夠提高重介分選設(shè)備的入料粒度下限，從而提高重介設(shè)備的分選精度，增加精煤產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)煤炭資源合理利用；② 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、入料粒度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)的三錐角水介旋流器不僅簡(jiǎn)化了選煤工藝流程，而且彌補(bǔ)了其他粗煤泥分選設(shè)備投資和運(yùn)行成本高等不足之處；③ 此流程可以降低重介質(zhì)旋流器入料壓力，減小設(shè)備磨損和能耗，提高脫介篩處理能力和脫介效率，降低介耗，減少浮選入浮量，提高企業(yè)效益；④ 一定程度上解決了化工用煤生產(chǎn)量不足的問題，對(duì)于發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)及煤炭產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。

4 結(jié) 論

通過(guò)一系列試驗(yàn)研究和流程設(shè)計(jì)，對(duì)中煤解離再選試驗(yàn)可得到如下結(jié)論：

(1)該中煤在解離到小于3 mm條件下，其中灰分小于20%的物料含量相對(duì)較多，通過(guò)分選可以得到灰分小于20%的化工煤產(chǎn)品。中煤約占原煤25%，改造后化工用煤產(chǎn)率可達(dá)9.3%(占原煤)，若每年處理1/3焦煤120萬(wàn)t，則每年可生產(chǎn)化工用煤10.84萬(wàn)t，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，使用實(shí)驗(yàn)室三錐角旋流器能夠取得較理想的分選效果，且可以選出不同灰分的產(chǎn)品。在產(chǎn)品灰分為19.06%時(shí)，大于0.20 mm粒級(jí)綜合產(chǎn)率(占入料)為37.2%，數(shù)量效率為82.65%。

(3)將中煤破碎解離，配合使用新型三錐角水介旋流器分選設(shè)備，通過(guò)工藝技術(shù)創(chuàng)新改造，簡(jiǎn)化分選工藝，可有效提高化工用煤的產(chǎn)量，更加有效的合理利用煤炭資源，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

(4)用三錐角水介旋流器分選煤泥，易于實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造，且改造周期短，投資少，改造過(guò)程中不影響正常生產(chǎn)?？蛇M(jìn)一步完善選煤廠工藝體系，為選煤廠中煤再選提供了一種新的技術(shù)選擇。