陳建強(qiáng)，李功民，夏云凱，張 博，陳增強(qiáng)，閆光輝，盛 成，趙躍民，段晨龍

(1.國家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2. 唐山神州機(jī)械集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063000；3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；4. 中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭是我國主體能源，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的能源基礎(chǔ)[1-2]。選煤是潔凈煤技術(shù)的源頭技術(shù)[3-4]，煤炭分選可以有效降低原煤灰分、硫分，提高煤炭發(fā)熱量，從而降低運(yùn)輸負(fù)荷，減少煤中微量元素和污染物排放量，減輕大氣污染[5-6]。發(fā)展?jié)崈裘禾坷眉夹g(shù)既能提高煤炭質(zhì)量和利用效率，也符合國家發(fā)改委《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030)》中提出的“加強(qiáng)煤炭洗選加工，提高煤炭洗選比例”的行動(dòng)目標(biāo)[7]。我國煤炭和水資源呈逆向分布，在干旱缺水地區(qū)難以開展?jié)穹ㄏ催x技術(shù)，干法選煤技術(shù)的應(yīng)用對我國煤炭提質(zhì)具有重要意義[8]。復(fù)合式干法分選機(jī)是干法分選技術(shù)的典型應(yīng)用，因其生產(chǎn)成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、工藝簡單、建設(shè)周期短、投資少，廣泛用于煤炭干法分選工藝[9]。

針對復(fù)合式干法分選機(jī)，大量學(xué)者進(jìn)行了研究，床層密度分布和顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以有效揭示床層狀態(tài)。沈麗娟和陳建中[10]以動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對床層顆粒進(jìn)行受力分析，顆粒在床面運(yùn)動(dòng)受振動(dòng)慣性力、自身重力、背板反推力以及摩擦力的綜合作用，得出了頂部顆粒與底部顆粒反向移動(dòng)在橫斷面呈螺旋翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。復(fù)合式干選機(jī)入料中的細(xì)粒物料作為自生介質(zhì)與空氣組成的氣-固懸浮體會(huì)改變顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，改善粗粒級(jí)的分選效果[11]。王旭哲等[12]采用高速動(dòng)態(tài)攝像系統(tǒng)對床面顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析，并建立了顆粒運(yùn)動(dòng)模型。于曉東[13]采用模擬物料以及油頁巖礦粒，研究了床面振動(dòng)形式、振動(dòng)形態(tài)與能量傳遞及床層密度分布，進(jìn)一步揭示了顆粒的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及分選原理。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，傳感器測試裝置逐漸被用于試驗(yàn)研究,可以有效反映床層活性和密度分布規(guī)律。

復(fù)合式干法分選機(jī)應(yīng)用廣泛，目前已在神東、淮北礦業(yè)、大同、龍門煤業(yè)等各大煤企應(yīng)用，并取得良好的分選效果[14-17]。榆樹井煤礦選煤廠采用復(fù)合式干法選煤工藝替代原重介質(zhì)選煤工藝，降低了選煤廠運(yùn)行成本,提高了全員效率，選煤廠實(shí)現(xiàn)了無煤泥化生產(chǎn)[18]。東歡坨選煤廠對30 mm以上物料采用復(fù)合式干法代替重介分選進(jìn)行預(yù)先排矸，有效提高了精煤回收率和經(jīng)濟(jì)效益[19]。轎子山煤礦選煤廠引入復(fù)合式干法分選機(jī)進(jìn)行塊煤排矸，排除了原煤中的大部分矸石，達(dá)到了降灰、脫硫的效果，解決了塊煤滯銷問題，提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[20]。

新疆黑山露天煤礦薄煤層煤炭儲(chǔ)量大，年產(chǎn)量約200萬t，含矸率大，灰分高，產(chǎn)品煤質(zhì)量亟需提高，根據(jù)新疆地區(qū)水資源分布、氣候等特點(diǎn)，宜采用干法分選工藝。采用以復(fù)合式干法分選機(jī)為基礎(chǔ)的干法分選工藝，對黑山露天煤礦薄煤層煤炭進(jìn)行了分選提質(zhì)研究，為其選煤工藝設(shè)計(jì)提供了參考。

1 煤質(zhì)分析

1.1 物料特性

黑山露天煤礦薄煤層煤質(zhì)分析見表1?？芍谏降V薄煤層屬于長焰煤，為高灰-特高灰、低固定碳、高揮發(fā)分、低-中低發(fā)熱量、低硫煤。煤炭顆粒松散，顆粒間黏附較弱，可磨性好，有利于干法分選。

表1 原煤煤質(zhì)分析

1.2 原煤可選性分析

原煤的可選性曲線如圖1所示，80～0 mm原煤主導(dǎo)密度級(jí)<1.5 g/cm3,其合計(jì)產(chǎn)率為58.60%，綜合灰分為9.81%；密度級(jí)>2.1 g/cm3原煤含量次之，產(chǎn)率為24.28%，灰分為88.72%，為較純凈的矸石組分，是分選過程的主要分離對象；中間密度級(jí)為1.5～2.1 g/cm3，產(chǎn)率為17.12%。

由圖1可知，原煤基元灰分曲線前半段呈陡峭狀，表明原煤灰分低，質(zhì)地均勻；中間部分近于水平，表明中間密度級(jí)物料極少；尾段較短，變化速率高于中間段，表明高密度組分含量高于中間密度。

圖1 80～0 mm原煤可選性曲線Fig.1 80-0 mm raw coal washability curves

由分選密度δ±0.1曲線可知，分選密度在1.6～1.8 g/cm3時(shí)，煤樣中δ±0.1鄰近物產(chǎn)率在10%～15%，屬于中等可選程度；分選密度在低于1.6 g/cm3時(shí)，煤樣中δ±0.1鄰近物產(chǎn)率快速增大，原煤難選程度增大；分選密度高于1.8 g/cm3時(shí)，煤樣的δ±0.1鄰近物產(chǎn)率小于10%，屬于易選程度。因此，80～0 mm原煤的可選性為中等可選。

密度曲線初始階段快速降低，表明原煤中低密度組分較多，密度的輕微變化會(huì)影響浮物產(chǎn)率；中間段與尾段形狀近似水平，變化緩慢，表明原煤中、高密度組分較少，密度波動(dòng)對沉物產(chǎn)率影響不明顯。

2 結(jié)果與討論

2.1 床體能量輸配規(guī)律

復(fù)合式干法分選機(jī)分選過程中，主要靠振動(dòng)和風(fēng)的作用分選。設(shè)備分選床面示意如圖2所示。

圖2 復(fù)合式干法分選機(jī)床面示意Fig.2 Surface of compound dry sorting machine

為深入了解各分選區(qū)域顆粒能量分布規(guī)律，采用振動(dòng)測試探頭分別對精煤端和矸石端進(jìn)行振動(dòng)測試。在床面不同的分選位置，顆粒受到的振動(dòng)能量不同，進(jìn)而獲得不同的加速度，采用加速度對顆粒所獲得能量進(jìn)行表征，采用加速度異值(高加速度/低加速度，未區(qū)分精煤和矸石)表示精煤端和矸石端的加速度差異，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 頻率對顆粒加速度的影響Fig.3 Effect of frequency on particle acceleration

圖4 振幅對顆粒加速度的影響Fig.4 Effect of amplitude on particle acceleration

圖5 氣速對顆粒加速度的影響Fig.5 Effect of gas velocity on particle acceleration

由圖3～5可知，針對Z軸，隨頻率的變化，精煤和矸石的加速度分別在15.72～34.75 m/s2和11.60～25.02 m/s2，加速度異值在1.35～1.46；隨振幅變化，精煤和矸石的加速度分別在18.08～28.90 m/s2和13.35～20.31 m/s2，加速度異值在1.35～1.52；隨氣速變化，精煤和矸石的加速度分別在13.25～27.32 m/s2和10.85～20.12 m/s2，加速度異值在1.21～1.46。隨頻率、振幅和氣速的增加，Z方向矸石和精煤加速度均呈逐漸增加趨勢，加速度異值最大可達(dá)1.52，表明振動(dòng)和氣流能量是影響煤炭顆粒分層的主要因素。

針對X軸，隨頻率變化，精煤和矸石加速度分別在2.32～2.46 m/s2和2.30～3.45 m/s2，加速度異值在1.01～1.41；隨振幅變化，精煤和矸石的加速度分別在2.45～4.58 m/s2和2.12～3.18 m/s2，加速度異值在1.17～1.46；隨氣速變化，精煤和矸石的加速度分別在5.58～12.25 m/s2和9.24～18.45 m/s2，加速度異值在1.86～1.64。隨頻率、振幅和氣速的增加，Z方向矸石和精煤加速度呈增加趨勢，表明在X軸方向上顆粒運(yùn)動(dòng)存在加速度差異，與Z軸方向加速度相比，X軸方向加速度較低，主要用于物料分離。

針對Y軸，隨頻率的變化，精煤和矸石的加速度分別在6.25～12.53 m/s2和9.35～17.82 m/s2，加速度異值在1.42～1.68；隨振幅變化，精煤和矸石的加速度分別在5.96～11.80 m/s2和9.54～18.47 m/s2，加速度異值在1.56～1.68；隨氣速變化，精煤和矸石的加速度分別在1.86～4.28 m/s2和1.96～3.25 m/s2，加速度異值在1.02～1.41。與X、Z軸方向不同，在Y軸方向上，精煤加速度高于矸石，主要是因?yàn)榫憾舜搀w高于矸石端，矸石端物料密度較大，需要更大的振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)其沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)。

針對Z軸，精煤端有效分選面積較大，能量傳遞過程中獲得相應(yīng)的能量較大，而矸石端有效分選面積較小，獲得的能量較小。在相同時(shí)間內(nèi)精煤端顆粒的拋擲高度高，矸石端顆粒拋擲高度低，分層作業(yè)主要在精煤段完成?；诖?，分選過程中精煤端為主要分選區(qū)域，矸石端主要為重產(chǎn)物的輸送區(qū)域，沿床面入料端至矸石端方向振動(dòng)能量呈逐漸降低趨勢，精煤段獲得能量大，矸石端獲得能量小，即矸石端沿Z軸方向的振動(dòng)加速度要低于精煤段。

針對X軸，精煤區(qū)域是主要分選區(qū)域，在分選過程中，物料由精煤端逐漸向矸石端移動(dòng)，為了使物料可以移動(dòng)至矸石端，精煤端物料需要較大的加速度。經(jīng)過精煤端的分選，到達(dá)矸石端的物料較為單一，為高密度矸石物料，不存在分層運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)能量主要用于輸送高密度矸石物料，且由精煤端到矸石端，床面有效分選面積逐漸減少。精煤端沿X軸方向的振動(dòng)加速度要低于矸石端。

針對Y軸，分選是連續(xù)動(dòng)態(tài)分選過程，顆粒由于密度差異及所受到的振動(dòng)力不同，產(chǎn)生不同的加速度，最終各物料沿各自運(yùn)動(dòng)軌跡完成分選。矸石端物料密度較高，在Y軸方向運(yùn)動(dòng)所需的振動(dòng)能量較大，進(jìn)而其產(chǎn)生較小的振動(dòng)加速度。精煤端物料密度較小，分選過程中對振動(dòng)能量較為敏感，移動(dòng)至排料端所需振動(dòng)能量較小，產(chǎn)生的加速度較大。因此，在Y軸方向，矸石對應(yīng)的振動(dòng)加速度幅值也低于精煤端。

2.2 床層密度分布

為了更好地理解復(fù)合式干法分選過程，在床面不同位置進(jìn)行取樣，繪制不同分選條件下床面顆粒密度分布云圖，如圖6～8所示。

圖6 不同振動(dòng)頻率下床層密度分布云圖Fig.6 Cloud chart of bed density distribution under different frequencies

由圖6可知，隨著床面振動(dòng)頻率的增加，床層密度差異呈先增加后減小的趨勢，從入料點(diǎn)沿Y軸方向密度逐漸降低，沿X軸方向密度逐漸升高。在頻率較低時(shí)，密度分布差異較小，表明顆粒床層無法充分松散，顆?；钚暂^差，難以實(shí)現(xiàn)物料分層。隨頻率的增加，物料分區(qū)域現(xiàn)象逐漸明顯，在頻率為32～34 Hz 時(shí)，在X、Y方向上均出現(xiàn)明顯分區(qū)現(xiàn)象，分選效果較好，隨頻率繼續(xù)增加，床層按密度分區(qū)現(xiàn)象逐漸減弱，表明頻率過高，導(dǎo)致高密度矸石物料混入精煤物料，分選效果變差。

由圖7可知，與隨床面振動(dòng)頻率的增加相似，床層密度差異隨振幅的增加呈先增加后減小的趨勢，在振幅較小時(shí)，床層密度沿X軸方向逐漸增加，但差異不明顯，表明在低振幅下顆粒床層無法充分松散，顆?；钚暂^差，難以實(shí)現(xiàn)按密度分層。隨振幅的增大，矸石端密度逐漸達(dá)到最大，在振幅為2.8 mm時(shí)，顆粒充分分散，物料實(shí)現(xiàn)按密度分層，分選效果較好，隨振幅繼續(xù)增加，床層密度差異逐漸減弱，表明振幅過高，低密度的精煤逐漸混入矸石端，而密度較高的矸石混入精煤中，導(dǎo)致床層物料出現(xiàn)錯(cuò)配現(xiàn)象，分選效果變差。

圖7 不同振幅下床層密度分布云圖Fig.7 Cloud chart of bed density distribution under different amplitudes

由圖8可知，隨氣速增加，床層密度差異先增后減，當(dāng)氣速較小時(shí)，物料沿床面密度分布較為均勻，分選效果較差，主要是因?yàn)槲锪鲜艿降臍饬髯饔幂^弱，煤炭顆?；钚暂^低，顆粒無法獲得足夠的能量克服顆粒間的強(qiáng)力鏈網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)受限，無法實(shí)現(xiàn)按密度分層。隨著氣速的增加，氣流作用力增強(qiáng)，顆粒床層獲得的能量增強(qiáng)，可以克服顆粒間力鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使顆粒能夠按密度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較好的分選效果，在分選氣速為0.6～0.8 m/s時(shí)，分選效果較好。隨氣速的繼續(xù)增加，煤炭顆粒活性增強(qiáng)，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，運(yùn)動(dòng)速度加快，返混現(xiàn)象加劇，無法在有效的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)煤炭顆粒分選。

圖8 不同氣速下床層密度分布云圖Fig.8 Cloud chart of bed density distribution under different gas velocity

在分選過程中，振幅、頻率、氣速主要影響床層能量的輸入，當(dāng)操作參數(shù)強(qiáng)度較弱，即床層能量輸入較低時(shí)，顆粒床層無法獲得充分的能量，不足以克服顆粒間的力鏈網(wǎng)絡(luò)，床層活性較差，無法實(shí)現(xiàn)按密度分層。當(dāng)操作參數(shù)強(qiáng)度適中，即能量適宜時(shí)，顆粒能量足以克服顆粒間力鏈網(wǎng)絡(luò)，顆粒充分松散，床層可以實(shí)現(xiàn)按密度分層；當(dāng)操作參數(shù)過強(qiáng)時(shí)，即輸入能量過高，此時(shí)顆粒獲得的能量過高，顆?；钚赃^強(qiáng)，導(dǎo)致顆?？朔︽溇W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，顆粒返混現(xiàn)象加劇，無法完全按密度分層。

2.3 多因素響應(yīng)規(guī)律

灰分離析度計(jì)算公式為

(1)

式中，Kash為灰分離析度；n為床層段數(shù)；Ai為第i段床層灰分；A0為各段加權(quán)平均灰分。

為了更好地分析各因素對灰分離析度的影響，采用響應(yīng)面分析法獲得各因素對灰分離析度的響應(yīng)規(guī)律，如圖9所示。

圖9 操作參數(shù)對灰分離析度的影響Fig.9 Effect of operation parameters on ash separation

氣速、振幅和頻率的變化均會(huì)引起床層能量的改變，隨床層能量的增加，灰分離析度呈先增加后減小的趨勢。在能量較低時(shí)，煤炭顆粒所獲得的能量較小，床層孔隙率較低，顆粒無法克服其相鄰顆粒的阻力，分選效果較差。隨能量的增加，顆粒所獲得的能量逐漸升高，床層孔隙率增大，顆粒活性增強(qiáng)，高密度顆粒克服其周圍顆粒阻力向矸石端運(yùn)動(dòng)，逐漸實(shí)現(xiàn)按密度分層，分選效果得到改善。隨能量的繼續(xù)增加，能量過大，輕顆粒在能量下出現(xiàn)無序運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致按密度分層效果惡化，分選效果較差。

由圖9可知，灰分離析度隨各因素的變化先增加后減小，在中間位置出現(xiàn)峰值，表明灰分離析度對各因素變化敏感性較高，隨各因素變化灰分離析度變化較為明顯，在頻率32 Hz，振幅2.8 mm，氣速0.6 m/s時(shí)，灰分離析度最大為0.98。

2.4 分選效果

基于復(fù)合式分選機(jī)，對80～0 mm原煤采用“80～0 mm原煤主選—精煤13 mm篩分—13～0 mm粗精煤再選”分選，分選工藝如圖10所示。

圖10 80～0 mm原煤分選工藝Fig.10 80-0 mm raw coal separation process

經(jīng)ZM復(fù)合式干法分選機(jī)主選后，分別獲得精煤和矸石，對80～0 mm分選產(chǎn)品進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示(ρi為分配率為i%時(shí)，所對應(yīng)的分配密度)，分選密度為1.97 g/cm3，可能偏差E為0.22 g/cm3，精煤產(chǎn)率為74.92%，精煤灰分為21.77%，矸石產(chǎn)率為25.06%，矸石灰分為76.51%。對80～13 mm主選產(chǎn)品進(jìn)行分析，如圖12所示，分選密度為1.91 g/cm3，E為0.16 g/cm3，精煤產(chǎn)率為69.28%，灰分為20.37%，矸石產(chǎn)率為30.72%，灰分為81.54%。主選后13～0 mm產(chǎn)品分布如圖13所示，分選密度為2.05 g/cm3，E為0.29 g/cm3，精煤產(chǎn)率為79.22%，灰分為22.71%，矸石產(chǎn)率為20.78%，灰分為70.84%。

圖11 80～0 mm ZM復(fù)合式干法分選機(jī)分選結(jié)果Fig.11 Separation results of 80-0 mm ZM composite dry separator

圖12 80～13 mm ZM復(fù)合式干法分選機(jī)分選結(jié)果Fig.12 Separation results of 80-13 mm ZM composite dry separator

圖13 13～0 mm ZM復(fù)合式干法分選機(jī)主選結(jié)果Fig.13 Concentration results of 13-0 mm ZM composite dry separator

對13～0 mm再選產(chǎn)品進(jìn)行分析，如圖14所示，分選密度為1.90 g/cm3，E為0.26 g/cm3，精煤產(chǎn)率為82.35%，灰分為15.92%，較主選精煤降低6.79%，矸石產(chǎn)率為17.65%，灰分為54.39%。對分選后80～13 mm精煤和13～0 mm再選精煤分析可知，80～0 mm精煤產(chǎn)率為66.99%，灰分為17.91%。

圖14 13～0 mm ZM復(fù)合式干法分選機(jī)再選結(jié)果Fig.14 Re-concentration results of 13-0 mm ZM composite dry separator

3 結(jié) 論

1)床層不同區(qū)域能量分布存在差異，精煤和矸石加速度分布差異較大，加速度異值最大可達(dá)1.68。加速度的差異是實(shí)現(xiàn)顆粒分層和按密度分離的關(guān)鍵。隨床層輸入能量的增加，床層密度差異先增加后減小，與灰分離析度變化相一致，合適的能量輸入可以有效實(shí)現(xiàn)煤炭顆粒的分選。

2)灰分離析度隨各因素的變化先增加后減小，在中間位置出現(xiàn)峰值，表明灰分離析度對各因素變化敏感性較高，在頻率32 Hz，振幅2.8 mm，氣速0.6 m/s時(shí)，灰分離析度最大為0.98。

3)80～0 mm原煤分選密度為1.97 g/cm3，E為0.22 g/cm3，精煤產(chǎn)率為74.92%，精煤灰分為21.77%。對13～0 mm精煤再選后，灰分較主選精煤降低6.79%。80～0 mm綜合產(chǎn)率為66.99%，灰分為17.91%。干法分選工藝可有效提高黑山礦薄煤層的產(chǎn)品煤質(zhì)量。