李小樂，趙 杰，吳樹明，周 彪

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司；2.唐山國選精煤有限責(zé)任公司；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

1 選煤廠存在問題

延安市禾草溝二號煤礦選煤廠是一座設(shè)計能力為0.60 Mt/a的礦井型煉焦煤選煤廠，設(shè)計采用“無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選+兩段浮選+煤泥壓濾”聯(lián)合工藝流程。選煤廠于2012年5月建成投產(chǎn)后，先后進(jìn)行了尾煤壓濾擴(kuò)能、大于25 mm塊煤排矸系統(tǒng)改造，目前洗選能力達(dá)到1.20 Mt/a。入選原煤主要為禾草溝二號煤礦的3號煤和一號煤礦調(diào)入的5號煤，2種原煤均為氣煤，其中主洗3號煤的配洗比例為50%～100%，生產(chǎn)綜合精煤灰分不大于8.5%。2種原煤中：3號煤為薄煤層，平均厚度0.7 m，但實際采高大于1.2 m，導(dǎo)致井下毛煤含矸量高；5號煤的煤層稍厚但嵌布有厚度300 mm的矸石層，機(jī)械開采過程也會混入大量過粉碎矸石。2種原煤所含矸石均為黏土類礦物含量很高的泥質(zhì)頁巖，洗選過程存在嚴(yán)重的矸石泥化現(xiàn)象，日常生產(chǎn)中需設(shè)定較大的分流開度以及時排出進(jìn)入重介系統(tǒng)的煤泥，保證重介懸浮液的穩(wěn)定。這些細(xì)泥隨著磁選機(jī)尾礦經(jīng)水力旋流器分級濃縮后從溢流進(jìn)入細(xì)粒煤泥水，帶來浮選入料濃度高(不小于100 g/L)、灰分高(不小于52%)、浮選過程選擇性差的問題(煤泥水具體處理工藝流程見圖1)。生產(chǎn)統(tǒng)計顯示，浮選精煤僅占浮選入料的20%左右，配套浮精壓濾系統(tǒng)的利用率僅為額定負(fù)荷的23%，利用浮選回收細(xì)粒煤泥水內(nèi)精煤泥的成本收益率較低，需要對煤泥水系統(tǒng)進(jìn)行取樣分析，以尋求可行的浮選替代工藝。

圖1 原煤泥水處理工藝流程

2 取樣結(jié)果與分析

鑒于組成矸石的黏土類礦物在水中一般很容易分散成小于0.01 mm的細(xì)小鱗片，而精煤雖然質(zhì)脆易碎但在具體的分選過程中其最終散碎粒度趨向于某一粒級范圍[1-2]，當(dāng)兩者差別較大時可考慮通過分級的方法在煤泥水入浮前將高灰細(xì)泥從中分離出來，在降低浮選負(fù)荷的同時降低高灰細(xì)泥對浮精的污染。朱勇武等據(jù)此研制了一種浮選入料脫泥池，并將其成功應(yīng)用于潘一礦選煤廠[3]。針對禾草溝二礦選煤廠，圖1所示煤泥水處理流程的部分采樣化驗結(jié)果見表1、表2。

表2 二次浮選工藝指標(biāo)

由表1可知：各取樣煤泥水主導(dǎo)粒級均為小于0.125 mm，產(chǎn)率為44.98%～88.04%，灰分為66.21%～72.30%。精煤磁選尾礦及浮選入料中，大于0.125 mm粒級物料灰分分別為15.63%、13.86%。結(jié)合單獨測定的脫介篩矸石灰分為75%～85%，說明矸石泥化后主要分布于小于0.125 mm細(xì)煤泥水中，而具有回收價值的精煤泥散碎后多以大于0.125 mm存在。由表2可知：該廠浮選入料灰分高達(dá)56.41%，一次浮選精煤灰分偏高，為11.53%，高灰細(xì)泥夾帶明顯。為保證二段浮精灰分，二段浮選犧牲明顯，尾礦灰分僅為48.18%，低于浮選入料灰分。目前尾煤泥灰分為68.71%，結(jié)合表1結(jié)果，在保證精煤泥與尾煤泥灰分不低于原工藝條件下，通過分級方法(分級粒度不大于0.125 mm)將高灰細(xì)泥與低灰精煤泥分離，代替原浮選工藝在理論上是可行的。

由表1可知，精煤水力旋流器溢流及振動弧形篩篩下水中大于0.125 mm粒級含量分別為11.96%、55.02%，灰分分別為5.29%、18.76%，在去掉浮選工藝情況下該部分物料直接排放會造成精煤損失。此外，精煤磁選尾礦中大于0.125 mm粒級灰分為15.63%，這與三產(chǎn)重介旋流器的分選下限多在0.25 mm、低于該分選下限的煤泥得不到有效分選有關(guān)，簡單截粗回收該部分物料至精煤中會造成主洗精煤的“背灰”問題[4-5]。綜上，在后續(xù)工藝改造過程中選擇分級方法和設(shè)備時，現(xiàn)有水力旋流器、振動弧形篩的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能并不適用，需要進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，而且需針對截粗后的煤泥增加分選環(huán)節(jié)以提高整體精煤的回收率。

3 改造方案

3.1 分級方法與設(shè)備

煤泥水細(xì)粒分級常用工藝方法包括：機(jī)械篩分、重力場或離心力場水力分級等方法，其中機(jī)械篩分方法的精度最高，但效率及處理量隨篩分粒度的減小降低明顯，在保證合理工況下對入料濃度要求較高[6-7]，常用作多級分級工序的最后把關(guān)設(shè)備；重力場水力沉降裝置主要利用不同粒度顆粒干擾沉降末速差實現(xiàn)煤泥水分級，具有處理量大、分級粒度小等特點，但占地面積大，受限于本項目廠房空間，并不適用；利用離心力場的離心分離因數(shù)比重力場高很多的特點，可實現(xiàn)煤泥水的快速沉降分級，設(shè)備單機(jī)礦漿處理量大，常用作選煤廠煤泥水的初級分級濃縮[8]。結(jié)合采樣結(jié)果，目前本廠應(yīng)用的常規(guī)水力旋流器在分級粒度為0.125 mm時，溢流跑粗明顯，這與常規(guī)旋流器為兼顧分級及濃縮效果，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計成兩段不同筒體有關(guān)，一段圓柱筒體用于入料煤泥水的分級，二段小錐角(20°)圓錐筒體實現(xiàn)粗粒物料的濃縮，錐角在降低底流夾細(xì)的同時也增加了粗粒物料進(jìn)入溢流的可能[9]。本改造為保證細(xì)粒溢流滿足直接排放要求，考慮僅用圓柱筒體進(jìn)行分級，以嚴(yán)格控制溢流粗粒含量，加之后續(xù)工藝安排有進(jìn)一步的分選設(shè)備，分級段底流濃度只需滿足分選設(shè)備入料要求即可。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料[10-12]及生產(chǎn)經(jīng)驗，對影響旋流器分級效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計，并對筒體長度及入料壓力進(jìn)行了相關(guān)試驗，結(jié)果見表3。

表3 入料壓力、圓柱筒體長度對分級效果的影響

由表3可知：對同一筒體長度，隨入料壓力增加，溢流中大于0.125 mm粗粒物料含量略微降低，底流濃度升高。同一入料壓力下，隨筒體長度增加，溢流粗粒含量有下降趨勢，但不明顯。不同條件組合下，溢流綜合灰分變化不大，均能保證不低于70%，入料壓力及筒體長度增加時入料泵的功耗相應(yīng)增加，因此后續(xù)改造中分級段旋流器的入料壓力設(shè)定為不小于0.06 MPa，筒體長度為700 mm。

3.2 分選方法與設(shè)備

目前市面上應(yīng)用成熟的粗煤泥分選工藝設(shè)備包括：小直徑煤泥重介旋流器、水介質(zhì)旋流器、螺旋分選機(jī)、TBS干擾床分選機(jī)等，結(jié)合車間場地空間限制，從簡化工藝、節(jié)約基建投資等方面考慮，決定采用水介質(zhì)旋流器。分選用水介質(zhì)旋流器錐段錐角通常在80°～120°，遠(yuǎn)高于常規(guī)分級用水力旋流器，目的是利用大錐角的強(qiáng)力濃縮作用，在錐段形成高濃度(不小于700 g/L)的適宜煤泥按密度分層的自生介質(zhì)分選環(huán)境[13-15]。分選旋流器的入料為分級旋流器的底流，因此考慮將分級與分選段組合，以優(yōu)化管路連接與設(shè)備布置。分選旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合分級旋流器的排料情況及試驗結(jié)果設(shè)定。最終制作的三產(chǎn)品分級、分選組合旋流器樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 分級、分選組合旋流器結(jié)構(gòu)示意

工作過程：精煤磁選尾礦經(jīng)該設(shè)備一段進(jìn)料口進(jìn)入一段圓柱筒體分級，細(xì)粒煤泥水從一段溢流口排出，一段底流進(jìn)入二段大錐角圓錐筒體進(jìn)行分選，低灰分粗粒物料及部分細(xì)粒物料由二段溢流口排出，高灰分粗粒物料由二段底流口排出。精煤磁尾經(jīng)該設(shè)備處理后各物料的采樣結(jié)果見表4。

表4 分級、分選組合旋流器工藝指標(biāo)

由表4可知：采用分級、分選組合旋流器后，一段圓柱筒體分級得到的溢流灰分高達(dá)72.86%，達(dá)到直接排放至濃縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)(原工藝壓濾尾煤泥灰分為68.71%)，其中大于0.125 mm粒級物料產(chǎn)率僅為1.36%，溢流夾粗問題明顯改善；二段溢流與二段底流的灰分分別為44.12%和54.08%，其中大于0.125 mm粒級物料灰分分別為11.45%和41.37%，說明二段大錐角圓錐筒體對大于0.125 mm粒級物料具有明顯的分選作用；二段底流粗粒物料灰分與重介中煤灰分相當(dāng)，可直接排放至中煤篩。二段溢流濃度為236 g/L，考慮到篩分粒度小于0.125 mm的要求，兼顧脫水、脫泥效率，決定采用1臺DZSN3042三質(zhì)體電磁振動高頻篩(φ0.105 mm聚氨酯篩網(wǎng))處理[16-17]，篩上物去精煤離心機(jī)，篩下水去濃縮機(jī)。

3.3 改造方案與效果

停用原浮選及精煤壓濾系統(tǒng)后的工藝流程見圖3。

圖3 改造后煤泥水處理工藝流程

原浮選系統(tǒng)設(shè)備予以保留，相關(guān)管路通過閥門與改造后系統(tǒng)隔離并保持備用狀態(tài)，特殊煤質(zhì)下需要使用原工藝系統(tǒng)時可方便臨時切換。改造完成后，對不同原煤配洗下新工藝的指標(biāo)進(jìn)行了生產(chǎn)統(tǒng)計，結(jié)果見表5。

表5 改造后工藝指標(biāo)統(tǒng)計

由表5可知：電磁篩上精煤泥灰分為7%～9%，較同粒級入料灰分降低3%～4%，與原二段浮選精煤灰分相當(dāng)。分析認(rèn)為，電磁篩脫泥過程中細(xì)粒物料與水組成具有一定密度的懸浮液，在透篩的同時將低密度的粗粒托起，同一粒級物料中密度小的物料透篩率小于密度大的物料。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計，結(jié)合精煤磁選尾礦的篩分結(jié)果，原工藝流程中粗精煤泥(振動弧形篩上)、浮選精煤、尾煤泥分別約占32%、9%、59%，則原精煤泥(振動弧形篩上+浮精)的平均灰分為13%。改造后的精煤泥(電磁篩上)平均灰分為8%，與改造前相比，摻入主洗精煤中的精煤泥灰分降低約4%。根據(jù)生產(chǎn)測算，原工藝壓濾尾煤泥約占原煤的11%，改造后平均灰分由70%提高到72%，抽出精煤灰分按8.5%計，則總精煤產(chǎn)率預(yù)計提高0.35%。改造前浮選精煤通過刮板機(jī)間斷排料至精煤中，煤泥易團(tuán)聚、分散性差，改造后粗精煤泥全部進(jìn)離心機(jī)，與主洗重介精煤摻混后連續(xù)均勻混入精煤中，銷售產(chǎn)品的勻質(zhì)性較好。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)工藝改造后生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備裝機(jī)功率降低249 kW，年節(jié)約用電90 kW·h，節(jié)約電費(fèi)64萬元；以原煤折算，噸原煤節(jié)約浮選藥劑0.0258 kg，藥劑價格按7 500元/t計，每年節(jié)省費(fèi)用23萬元。動力與藥劑消耗每年節(jié)省費(fèi)用合計87萬元。

(2)尾煤泥灰分提高增加精煤產(chǎn)率0.35%，精煤泥按830元/t計，每年增加銷售收入348萬元。

4 結(jié) 語

針對中煤含量少、矸石易泥化的寬粒級煤泥水，在高灰細(xì)泥與低灰精煤泥粒度分布差異顯著的情況下，可考慮通過精細(xì)分級和水介質(zhì)旋流器分選的方法回收精煤泥，與傳統(tǒng)浮選工藝相比可降本增效。