徐金華,宋云霞,任景龍,周志堅,王東興

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

近年來，選煤行業(yè)對干法選煤的認(rèn)可度越來越高。隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，煤炭的清潔高效利用變得尤為重要。山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆等產(chǎn)煤大省大都干旱缺水，加之褐煤、長焰煤等低變質(zhì)程度煤種儲量較大，以及部分煤中的矸石遇水極易泥化，如果采用濕法選煤工藝對其進(jìn)行加工，需要建設(shè)配套煤泥水系統(tǒng)，不但會產(chǎn)生大量低發(fā)熱量、難于銷售的煤泥，而且建設(shè)投入高昂，系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜[1-2]。我國干法選煤技術(shù)裝備不斷取得突破，為上述煤炭的入選提供了技術(shù)保障。目前，應(yīng)用比較成熟的干法選煤設(shè)備主要有風(fēng)力干法分選機(jī)、空氣流化床重介分選機(jī)、塊煤智能分選機(jī)等[2]。

色連一號煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，配套建設(shè)生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a的選煤廠。選煤工藝為200～13 mm塊煤采用淺槽重介分選機(jī)分選，3～0.25 mm粗煤泥由離心機(jī)回收，0.25～0 mm煤泥采用快開隔膜壓濾機(jī)處理；<13 mm末煤直接摻入精煤作為最終產(chǎn)品。因礦井生產(chǎn)能力提升與選煤廠<13 mm末煤不分選，導(dǎo)致現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生很多問題，加上末煤產(chǎn)品發(fā)熱量不高，導(dǎo)致產(chǎn)品銷路不好。如何通過技術(shù)改造盡快妥善處理以上問題，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，成為礦方亟待完成的一項重要工作。

1 問題分析

1.1 篩分車間原煤分級能力不足

選煤廠生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a，折合15 151.52 t/d，而礦井最大生產(chǎn)能力可達(dá)25 000 t/d，且采煤工作面由一個調(diào)整為兩個后，礦井生產(chǎn)能力可達(dá)8.0 Mt/a，再加上外來煤2.0 Mt/a，選煤廠入選原煤能力需要達(dá)到10.0 Mt/a。因此導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備車間原有的兩臺3.6 m×6.1 m原煤分級篩處理能力明顯不足。

1.2 現(xiàn)有選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)及產(chǎn)品存在的問題

(1)由于色連一號煤礦原煤含水量高、黏性大，現(xiàn)有分級篩(φ13 mm)篩分效果較差，導(dǎo)致大量末煤進(jìn)入現(xiàn)有的塊煤分選系統(tǒng)中。

(2)塊煤分選系統(tǒng)對末煤分選效果差，不僅不能有效降灰，而且使產(chǎn)品水分有所增加，導(dǎo)致產(chǎn)品綜合發(fā)熱量嚴(yán)重降低。

(3)大量末煤混入使塊煤分選系統(tǒng)中煤泥量大幅增加，加上矸石泥化嚴(yán)重，導(dǎo)致煤泥水處理系統(tǒng)能力不足嚴(yán)重制約正常生產(chǎn)。

(4)<13 mm末煤不分選，產(chǎn)品發(fā)熱量低且質(zhì)量不穩(wěn)定，價格偏低。

2 改進(jìn)方案

為響應(yīng)國家政策，加強(qiáng)煤炭清潔高效綠色開發(fā)利用，需提高原煤洗選加工比例和產(chǎn)品質(zhì)量。原煤經(jīng)過洗選提質(zhì)，再經(jīng)過清潔燃煤技術(shù)處理等環(huán)節(jié)，就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)能源的更新?lián)Q代和高效利用，煤炭就變成了綠色、高端能源[3]。通過洗選，可提高和穩(wěn)定煤質(zhì)，進(jìn)而來提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時符合國家的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的要求。

鑒于以上原因，色連一號煤礦決定降低分選系統(tǒng)的分選下限，對13～0 mm的末原煤采用干法選煤工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。具體方案是：在原有篩分車間內(nèi)部增設(shè)兩臺3.6 m×6.1 m原煤分級篩，滿足擴(kuò)能后篩分能力要求，篩分系統(tǒng)改造后年處理量為1 000萬t；新建一座干選車間，一期小時處理能力在450～600 t之間，并預(yù)留二期位置。干法分選系統(tǒng)設(shè)備流程如圖1所示。

圖1 干法分選系統(tǒng)設(shè)備流程Fig.1 Equipment flowsheet of the dry cleaning system

3 方案分析

3.1 原煤煤質(zhì)資料分析

3.1.1 篩分資料分析

2#煤層生產(chǎn)煤樣篩分試驗結(jié)果見表1。由表1可以看出：原煤灰分為18.40%，為中低灰分煤； >50 mm粒級可見矸含量合計為1.492%。>13 mm塊煤累計含量為58.679%，發(fā)熱量為16.70 MJ/kg，>6 mm塊煤累計含量為75.420%，發(fā)熱量為16.80 MJ/kg，塊煤含量高。原煤灰分隨粒度減小呈增高趨勢，說明末煤中矸石含量較大。6～0 mm末煤含量為24.580%，發(fā)熱量為16.14 MJ/kg。 <0.5 mm原生煤泥含量為2.566%，灰分為23.65%，高于其他粒級，說明原生煤泥中高灰分物較多。有必要對末煤進(jìn)行分選，排除矸石，提高發(fā)熱量。

表1 2#煤層生產(chǎn)煤樣篩分試驗結(jié)果Table 1 Screening analysis of the coal samples collected from 2# coal seam %

3.1.2 浮沉試驗分析

150～0.5 mm粒級原煤浮沉試驗結(jié)果見表2。由表2可以看出：主導(dǎo)密度級(<1.4 g/cm3)浮物累計產(chǎn)率為73.59%，灰分為7.04%；1.4～1.9 g/cm3密度級含量為14.33%，灰分為25.64%；>1.9 g/cm3密度級含量占12.08%，灰分為72.85%?？梢?，該原煤密度組成特點為低密度物含量特別高，中間密度物含量較少且灰分不高，高密度物含量也較大且較純凈。

由表2還可看出，浮沉煤泥含量高(為10.66%)，說明煤泥大量黏附在塊煤表面，且灰分為23.33%，高于原煤灰分，說明矸石易泥化。

表2 150～0.5 mm粒級原煤浮沉試驗結(jié)果Table 2 Float-and-sink analysis data of the 150～0.5 mm raw coal %

綜上可知，原煤灰分隨粒度減小呈增高趨勢，末煤中矸石含量較大，矸石易泥化，若采用重介或跳汰選煤方法，勢必加重后續(xù)的煤泥水處理負(fù)擔(dān)，增加不必要的投資。鑒于該原煤低密度物含量特別高，中間密度物含量較少且灰分不高，高密度物含量較大且較純凈，只需排矸去雜即可提高末煤質(zhì)量，故技改方案選用干法分選。

3.2 技術(shù)分析

3.2.1 自然條件

色連一號煤礦所在井田氣候?qū)儆诟珊怠敫珊档臏貛Ц咴箨懶詺夂?，太陽輻射?qiáng)烈，日照較豐富，干燥少雨，風(fēng)大沙多，無霜期短。據(jù)東勝區(qū)氣象局歷年資料：年降水量為194.7～531.6 mm，平均為396.0 mm，且多集中于7，8，9三個月內(nèi)；年蒸發(fā)量為2 297.4～2 833.0 mm，平均為2 534.2 mm，年蒸發(fā)量為年降水量的5～10倍。區(qū)內(nèi)風(fēng)多雨少，最大風(fēng)速為14 m/s，一般風(fēng)速2.2～5.2 m/s，且以西北風(fēng)為主。鑒于該地區(qū)水資源緊缺，而風(fēng)資源相對豐富，因此宜采用干法選煤技術(shù)。

3.2.2 技術(shù)改造

技術(shù)改造由北京華宇工程有限公司唐山分公司進(jìn)行設(shè)計、采購、施工的EPC總承包模式。分級設(shè)備采用唐山分公司自行研制的3.6 m×6.1 m單層香蕉篩；分選設(shè)備采用該公司自主研制的FX-25干選機(jī)。

FX-25干選機(jī)是在全面吸收國外先進(jìn)干法分離、脫水技術(shù)的基礎(chǔ)上研制成功的，在分選原理、入料粒度、分選效果等方面均突破了傳統(tǒng)風(fēng)選的模式[4-5]。該設(shè)備使用“智能化、模塊化”設(shè)計，是專門針對高低密度混合物分離的技術(shù)。當(dāng)用于煤炭分選時，在降硫、排矸的同時還可去除一定水分，從而進(jìn)一步提高煤炭發(fā)熱量，實現(xiàn)了一機(jī)多能、一站式解決，綜合效率高[6]。該技術(shù)既符合保護(hù)水資源、節(jié)能環(huán)保及發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)等國家大的方針政策，又能滿足我國各類動力煤生產(chǎn)企業(yè)的需求[7]。用于高密度排矸時，分選密度可達(dá)到1.8～2.1 g/cm3。

改造采用的FX-25干選機(jī)是經(jīng)過多年、多次現(xiàn)場應(yīng)用效果證明的技術(shù)成熟分選設(shè)備，多次獲得國家及省部級科技進(jìn)步獎項。其分選原理是：粒度和密度不同的物料在空氣流、機(jī)械振動或搖動的共同作用下，服從顆粒的干擾沉降規(guī)律，進(jìn)行分層；粒度相同的顆粒中密度較大的集中在床面底層，密度較小的集中在床面上層，而密度相同的顆粒中粒度較大的集中在床面底層，粒度較小的集中在床面上層[8-10]。

3.2.3 技術(shù)優(yōu)勢

(1)用水量(衛(wèi)生用水)小。對于干旱缺水地區(qū)及冬季嚴(yán)寒地區(qū)，干法選煤不需要使用生產(chǎn)用水，能夠從根本上解決用水困難的實質(zhì)性問題。

(2)工藝系統(tǒng)簡單，投資少，維護(hù)方便。與其他選煤工藝比較，干法選煤不用水，不產(chǎn)生煤泥水，不用增設(shè)煤泥水處理設(shè)備、設(shè)施，設(shè)備、設(shè)施費(fèi)用與安裝費(fèi)用低；設(shè)備、設(shè)施配套少，相應(yīng)基礎(chǔ)建筑物體積小，節(jié)省建造投資成本。干法選煤投資僅是同規(guī)模濕法選煤投資的 1/5～1/10。

(3)生產(chǎn)成本低。同規(guī)模、不同分選工藝的選煤廠，干法選煤工藝用人少，人工成本低，電耗低，無介質(zhì)損耗，設(shè)備設(shè)施維修費(fèi)用少。干法選煤噸原煤加工費(fèi)用平均在2～3元之間，而跳汰選煤加工費(fèi)用在8～10元/t之間，干法選煤加工費(fèi)是濕法選煤的1/3～1/4[11]。

(4)選后商品煤水分低。干選不增加產(chǎn)品水分，風(fēng)力對煤炭表面水分還有一定脫除作用，可減少商品煤水分對發(fā)熱量的影響[12-14]。

(5)FX-25干選機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，入料粒度范圍寬，可分選褐煤、無煙煤、煙煤等，效果較好，并可以靈活地布置在狹窄場地，入料粒度在0～120 mm之間。

4 應(yīng)用效果

4.1 效果分析

該項目于2019年開工建設(shè)，2020年投入生產(chǎn)使用，建設(shè)周期短，投產(chǎn)快，工藝系統(tǒng)簡單，投資少，維護(hù)方便，生產(chǎn)成本低，使<13 mm末精煤發(fā)熱量平均提高了1.18 MJ/kg。特別是當(dāng)末原煤的含矸率較大時, 選后末煤發(fā)熱量提高幅度更大，有效提高了商品煤質(zhì)量,滿足了用戶對商品煤發(fā)熱量的需求。

在原有篩分車間，合理利用空間，增加了兩臺分級篩，徹底解決了煤礦增產(chǎn)擴(kuò)能后原煤分級問題，保證了塊煤淺槽重介分選機(jī)的正常生產(chǎn)，降低了煤泥水系統(tǒng)的生產(chǎn)負(fù)擔(dān)，確保了塊煤系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，使洗選系統(tǒng)的生產(chǎn)能力得到提高。干選系統(tǒng)平均入選量統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 干選系統(tǒng)入選量統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistics of the average hourly capacities of the dry cleaning system t/h

從表3中可看出，2020年12月—2021年4月末原煤平均小時處理能力可達(dá)到506 t，最大小時處理能力能夠達(dá)到664.2 t。工作制度按年330 d，每天16 h計算，平均日入選量可達(dá)8 096 t，平均年入選量能達(dá)到2.67 Mt，完全滿足了礦井?dāng)U能后產(chǎn)量提升的要求。

發(fā)熱量統(tǒng)計結(jié)果和含矸率統(tǒng)計結(jié)果分別見表4和表5。

表4 發(fā)熱量統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical data of calorific values MJ/kg

表5 含矸率統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Contents of gangue in small raw coal %

從表4和表5中可看出，2020年10月入選末原煤平均矸石含量為17.35%，末原煤發(fā)熱量為13.24 MJ/kg，末精煤發(fā)熱量為14.99 MJ/kg，較末原煤提高了1.75 MJ/kg，末精煤產(chǎn)品發(fā)熱量得到了提升。

2020年12月、2021年1月更換采煤工作面后，原煤煤質(zhì)發(fā)生變化，末原煤中>2.0 g/cm3密度級產(chǎn)率有所降低，在10%左右，2020年12月含矸率為11.90%，2021年1月含矸率為10.73%，末原煤中能夠排出的矸石總量減少，此種煤質(zhì)情況下，2020年12月干選末精煤較末原煤平均發(fā)熱量提高了1.03 MJ/kg；矸石發(fā)熱量為4.71 MJ/kg。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

改造前，<13 mm末煤作為商品煤直接銷售，平均發(fā)熱量在15.93 MJ/kg左右。改造后，<13 mm末煤經(jīng)干選系統(tǒng)分選后，末精煤平均發(fā)熱量提高了1.18 MJ/kg左右，末精煤產(chǎn)率為90%?，F(xiàn)干選廠日入選量平均為8 096 t，年入選量為267萬t原煤。按照<13 mm末原煤價格為400元/t，分選后的末精煤為460元/t，干選加工費(fèi)按2元/t考慮，則改造后年經(jīng)濟(jì)效益為：267×0.9×460-267×2-267×400=3 204萬元。

5 結(jié)語

色連一號煤礦選煤廠通過增加原煤分級篩并新建干選車間，不但滿足了礦井?dāng)U能的要求，又解決了原有生產(chǎn)系統(tǒng)中<13 mm末煤不能分選的問題，同時還響應(yīng)了國家關(guān)于增加原煤入選率和提高精煤質(zhì)量的號召，提升了礦井節(jié)能環(huán)保能力和經(jīng)濟(jì)效益。

新建干選車間對<13 mm末煤進(jìn)行分選，整體提高了銷售產(chǎn)品的發(fā)熱量，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加靈活，能夠滿足用戶需求，達(dá)到了通過改造提質(zhì)增效的目的，每年增加經(jīng)濟(jì)效益3 000多萬元，當(dāng)年回收投資成本。