我國(guó)粗煤泥分選設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

孟凡彩，同秀林，張 爽

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.唐山德安科技有限公司，河北 唐山 063000;3.黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022)

粗煤泥是指粒度接近煤泥，一般粒度下限在0.3～0.5 mm之間、粒度上限在2～3 mm之間的煤泥。隨著采煤機(jī)械化程度的提高和煤炭賦存條件的惡化，我國(guó)選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的粗煤泥含量不斷增多[1]，部分選煤廠的粗煤泥含量在45%左右。由于粗煤泥的粒度組成比較特殊，傳統(tǒng)的跳汰機(jī)、重介質(zhì)旋流器、浮選機(jī)等均不能對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效分選[2]。傳統(tǒng)的跳汰機(jī)、重介質(zhì)旋流器的理論分選粒級(jí)是50～0.5 mm，浮選機(jī)的理論分選粒級(jí)是0.5～0 mm[3-4]。生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：跳汰機(jī)的有效分選下限在1～2 mm以上，重介質(zhì)旋流器的有效分選下限在2～0.25 mm之間，浮選機(jī)的有效分選上限可以達(dá)到0.25 mm[5-7]。目前，0.25～0 mm粒級(jí)細(xì)煤泥浮選、>2 mm粒級(jí)原煤重選(重介選)的設(shè)備已經(jīng)非常成熟，但2～0.25 mm粒級(jí)粗煤泥分選效果欠佳的問(wèn)題突出，成為制約精煤數(shù)質(zhì)量提高的重要因素。

為了滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要，我國(guó)部分選煤廠設(shè)置了粗煤泥分選環(huán)節(jié)，采用干擾床分選機(jī)、煤泥重介質(zhì)旋流器、水介質(zhì)旋流器、螺旋分選機(jī)等對(duì)粗煤泥進(jìn)行分選[8]，并取得了良好效果。為此，對(duì)這四種常用的粗煤泥分選設(shè)備進(jìn)行分析，以期為粗煤泥的有效分選和分選設(shè)備的合理選擇提供借鑒。

1 干擾床分選機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

干擾床分選機(jī)(TBS)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是利用上升流使物料流態(tài)化，以粗顆粒和高密度顆粒作為加重質(zhì)，使待選物料按密度分層、分離的重選設(shè)備[9]。在設(shè)備工作時(shí)，入料從槽體的上端沿切線進(jìn)入，上升流以一定的壓力和流量從槽體底部進(jìn)入，入料與上升流在槽體中部相遇，形成干擾沉降床層，同時(shí)懸浮于干擾床層的顆粒形成分選介質(zhì)；被選顆粒在槽體內(nèi)做干擾沉降運(yùn)動(dòng)，并在自生介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行分選；輕顆粒上浮至溢流收集槽，再?gòu)囊缌骺谂懦龀蔀榫V，重顆粒穿過(guò)分選床層聚集在槽體下部，從底部排料閥門(mén)排出后成為尾礦[9]。

圖1 干擾床分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，干擾床分選機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)可以歸納成兩部分，具體如下：

(1)優(yōu)點(diǎn)。①結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，自身無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需磁鐵礦粉和藥劑，所需水量少，維護(hù)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低；②許用的脫介篩篩孔尺寸較大，后續(xù)脫介更加容易，有利于提高介質(zhì)回收效果，降低重介系統(tǒng)介耗；③一般情況下，分選密度可在1.40～1.90 g/cm3之間自動(dòng)調(diào)節(jié)，且能夠?qū)崿F(xiàn)低密度分選；④能夠?qū)崿F(xiàn)粗煤泥的有效分選，有助于提高脫泥篩的脫泥效果，減少生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的煤泥含量，進(jìn)而改善重介質(zhì)旋流器的分選效果。

(2)缺點(diǎn)。①有效分選粒級(jí)較窄，一般在4～0.1 mm之間，最佳分選粒級(jí)在1～0.25 mm之間，入料上下限之比以4∶1為宜；②對(duì)入料濃度要求較為嚴(yán)格，一般要求入料濃度在40%～60%之間；③所產(chǎn)精礦含有高灰細(xì)泥，經(jīng)過(guò)脫泥處理后才能成為合格產(chǎn)品。

1.3 工藝效果

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)：干擾床分選機(jī)對(duì)易選煤或中等可選煤具有優(yōu)勢(shì)，而在分選難選煤時(shí)效果較差[1,3]。通常采用可能偏差和不完善度評(píng)價(jià)干擾床分選機(jī)的分選效果，在正常生產(chǎn)條件下，梁北選煤廠、東曲礦選煤廠的干擾床分選機(jī)工藝效果[5,10]見(jiàn)表1。

表1 干擾床分選機(jī)工藝效果

由表1可知：在分選梁北選煤廠的易選煤時(shí)，其可能偏差為0.06 g/cm3，不完善度為0.15；在分選東曲礦選煤廠的極難選煤時(shí)，可能偏差為0.16 g/cm3，不完善度為0.22。這在一定程度上說(shuō)明其適用范圍較廣，且分選效果能夠較好地滿(mǎn)足要求，不容易出現(xiàn)重介精煤“背灰”的問(wèn)題。

1.4 改進(jìn)與創(chuàng)新

由于選煤工藝和原煤煤質(zhì)的影響，干擾床分選機(jī)在使用中暴露出一些問(wèn)題，為此，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并研制出一系列改進(jìn)型干擾床分選機(jī)，包括CSS分選機(jī)[11]、FBCC分選機(jī)、阻尼脈動(dòng)液固流化床分選機(jī)[9]等，這些設(shè)備的分選原理與干擾床分選機(jī)基本相同，但結(jié)構(gòu)組成有所不同，且適應(yīng)性更強(qiáng)。

近些年，在我國(guó)科研人員的不懈努力之下，新型干擾床分選機(jī)已被研制出來(lái)。其中，三產(chǎn)品干擾床(TPS)和TCS智能粗煤泥分選機(jī)已在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用。

1.4.1 三產(chǎn)品干擾床

(1)結(jié)構(gòu)組成。三產(chǎn)品干擾床是傳統(tǒng)干擾床分選機(jī)的升級(jí)換代產(chǎn)品，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，三產(chǎn)品干擾床分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種。兩者的主要區(qū)別是分選室的布置方式不同，Ⅰ型的分選室由兩個(gè)同中心軸的圓桶(內(nèi)外桶)組成，Ⅱ型的分選室由一個(gè)從上到下分割成兩部分的圓桶組成。Ⅱ型三產(chǎn)品干擾床的結(jié)構(gòu)如圖2所示[12]。

(2)工作原理。在設(shè)備工作時(shí)，入料首先進(jìn)入第一段，在第一段上升流和顆粒重力作用下分選出兩種產(chǎn)品——第一段溢流和底流，第一段底流從對(duì)應(yīng)的底流口排出成為產(chǎn)品，第一段溢流自流進(jìn)入第二段繼續(xù)分選；在第二段內(nèi)，物料在上升流和顆粒重力作用下分選出第二段溢流和底流，第二段底流可以作為最終產(chǎn)品，也可與第一段底流合并后作為最終產(chǎn)品，第二段溢流作為最終產(chǎn)品。入料經(jīng)過(guò)分選后產(chǎn)出三種產(chǎn)品，即第一段底流、第二段底流、第二段溢流[12]。

1—分選桶；2—平臺(tái)；3—隔板；4—導(dǎo)板；5—第一分選室；6—第二分選室；7—溢流通道；8—中間溢流口；9—入料口；10—溢流口

(3)工藝效果。三產(chǎn)品干擾床除擁有干擾床分選機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，分選精度更高，能夠一次產(chǎn)出三種產(chǎn)品，有助于簡(jiǎn)化工藝流程和實(shí)現(xiàn)粗煤泥的精細(xì)化分選。三產(chǎn)品干擾床已在山西等地選煤廠投入運(yùn)行，對(duì)于易選煤，在入料粒度控制較好、兩段參數(shù)控制合理的條件下，矸石帶煤量、中煤帶精煤量非常小，數(shù)量效率可以達(dá)到97.11%[12]，分選效果良好。

1.4.2 TCS智能粗煤泥分選機(jī)

(1)結(jié)構(gòu)組成。TCS智能粗煤泥分選機(jī)是在干擾床分選機(jī)的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的一種新型粗煤泥分選設(shè)備，主要由驅(qū)動(dòng)裝置、智能干擾裝置、行走平臺(tái)、分選筒體、入料桶、密度計(jì)、頂水噴嘴、底流箱等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示[13]。

(2)工作原理。在設(shè)備工作時(shí)，上升流以設(shè)定的壓力和流速進(jìn)入分選室，再通過(guò)紊流板均勻地分散到箱體底部；干擾床的中下部形成由懸浮顆粒組成的床層，該床層內(nèi)顆粒物高度富集，形成自生介質(zhì)。顆粒在下降過(guò)程中相互干擾，在懸浮物中形成不同的密度梯度，以限制物料通過(guò)。物料在分選室內(nèi)分層，粗或重的物料集中在槽體底部，細(xì)或輕的物料向上運(yùn)動(dòng)。隨著入料的不斷進(jìn)入，細(xì)或輕的物料通過(guò)溢流堰進(jìn)入溢流槽，粗或重的物料通過(guò)底部排料口排出[14]。

圖3 TCS智能粗煤泥分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

(3)技術(shù)特點(diǎn)。①設(shè)計(jì)有智能干擾器，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可以輔助沉淀物向排料口移動(dòng)，能夠強(qiáng)化干擾床層分選效果，并防止床層板結(jié)；②通過(guò)流量控制尾礦排料量，排料量可以無(wú)限減小，不會(huì)發(fā)生堵塞故障；③設(shè)計(jì)有多臺(tái)流量計(jì)，尾礦排料量實(shí)現(xiàn)在線顯示；④干擾床層相對(duì)穩(wěn)定，分選精度更高。

(4)工藝效果。TCS智能粗煤泥分選機(jī)已在選煤廠投入運(yùn)行，在分選斜溝煤礦選煤廠1.5～0.2 mm 粒級(jí)粗煤泥時(shí)，在入料灰分為30%～33%的情況下，精礦灰分在18%～20%之間，尾礦灰分在 65%以上[13]，分選效果較好。采用TCS智能粗煤泥分選機(jī)分選補(bǔ)連塔煤礦煤粗煤泥時(shí)，在有效分選粒級(jí)(1.5～0.2 mm)內(nèi)，尾礦灰分>50%，可能偏差≤0.03 g/cm3，且精礦產(chǎn)品的硫含量比入料少50%。

2 煤泥重介質(zhì)旋流器

2.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

煤泥重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)與三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段相似，主要包括圓柱段、圓錐段、入料管、底流管、溢流管等，結(jié)構(gòu)如圖4所示。煤泥重介質(zhì)旋流器的分選原理與常規(guī)有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器二段基本相同，通常在設(shè)備運(yùn)行時(shí)其利用大直徑重介質(zhì)旋流器對(duì)不同物料的分級(jí)和濃縮作用，使重介懸浮液密度提高；在洗選產(chǎn)品經(jīng)過(guò)精煤脫介篩和煤泥脫介篩時(shí)，合格介質(zhì)被收集到煤泥重介質(zhì)旋流器內(nèi)，作為分選煤泥的介質(zhì)[14]。

圖4 煤泥重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，煤泥重介質(zhì)旋流器表現(xiàn)出以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)優(yōu)點(diǎn)。①對(duì)入料的適應(yīng)性強(qiáng)，可以分選易選煤、中等可選煤、難選煤、極難選煤及高硫煤等；②分選密度調(diào)節(jié)范圍寬，在1.30～1.80 g/cm3之間均可調(diào)節(jié)；③分選精度高，平均可能偏差在0.07 g/cm3左右，數(shù)量效率在90%以上；④分選下限低，可以達(dá)到0.045 mm。

(2)缺點(diǎn)。①由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成原因，單臺(tái)設(shè)備處理能力較小，所需介質(zhì)粒度偏細(xì)，介質(zhì)系統(tǒng)復(fù)雜；②與大直徑重介質(zhì)旋流器配合使用時(shí)，分選效果受大直徑重介質(zhì)旋流器的影響較大，且在線調(diào)節(jié)較為困難；③分選下限不能達(dá)到0，不能完全替代浮選作業(yè)[15]。

2.3 工藝效果

煤泥重介質(zhì)旋流器研發(fā)的初衷是解決原煤不脫泥分選時(shí)，大直徑重介質(zhì)旋流器分選下限高，無(wú)法對(duì)煤泥進(jìn)行有效分選的問(wèn)題；解決粗煤泥的有效分選問(wèn)題，使洗選精煤灰分易于控制；對(duì)于有浮選系統(tǒng)的選煤廠，用于減輕浮選系統(tǒng)生產(chǎn)壓力，降低洗水濃度[1]。目前，煤泥重介質(zhì)旋流器在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，通常采用兩種布置方式，即在原煤不預(yù)先脫泥的情況下，與主選重介質(zhì)旋流器配合，不再設(shè)置單獨(dú)的介質(zhì)系統(tǒng)；在原煤預(yù)先脫泥的情況下，設(shè)計(jì)具備獨(dú)立介質(zhì)系統(tǒng)的重介分選系統(tǒng)。在原煤不脫泥和脫泥兩種情況下，煤泥重介質(zhì)旋流器的工藝效果見(jiàn)表2[5]。

由表2可知：無(wú)論原煤是預(yù)先脫泥還是不預(yù)先脫泥，煤泥重介質(zhì)旋流器均能取得較好的分選效果，甚至能夠取得數(shù)量效率為95.50%、可能偏差在0.07 g/cm3左右的良好分選效果。這與原煤特性、選煤工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求、重介懸浮液性質(zhì)等都有關(guān)系，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型，并結(jié)合有關(guān)要求調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量滿(mǎn)足要求。

表2 煤泥重介質(zhì)旋流器工藝效果Table 2 Separation performance of the H.M. cyclone %

3 螺旋分選機(jī)

3.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

螺旋分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，它是一種依靠液流特性，在重力和離心力作用下實(shí)現(xiàn)礦物分離與分選的設(shè)備[11]。入料進(jìn)入螺旋槽后，根據(jù)密度差異分層，輕顆粒浮于上層，重顆粒沉于下層；輕顆粒在斷面環(huán)流上層液流和離心力作用下向外緣運(yùn)動(dòng)，重顆粒在斷面環(huán)流下層液流和重力沿槽面向下的分力作用下向內(nèi)層移動(dòng)；由于液流具有連續(xù)性，上層物料不斷被甩向外緣，下層物料不斷向內(nèi)沿聚集，此時(shí)在螺旋槽的橫斷面處形成顆粒群，其按密度由高到低從螺旋槽的內(nèi)沿至外緣均勻分布；不同密度物料在各自的回轉(zhuǎn)半徑中運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)；通過(guò)排料端的集料槽，將不同產(chǎn)品分別收集，從而完成入料的分選[16-18]。

1—礦漿分配器；2—分配器支架；3—分選機(jī)機(jī)架；4—入料管；5—入料口；6—穩(wěn)定槽；7—變徑槽；8—中心柱；9—分選槽；10—排料槽；11—精礦排料管；12—中礦排料管；13—尾礦排料管；14—分選機(jī)下支架；15—精礦集料槽；16—中礦集料槽

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

螺旋分選機(jī)的實(shí)際分選密度通常在1.60 g/cm3以上，多用在動(dòng)力煤選煤廠和可選性好的煉焦煤選煤廠。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，其表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

(1)優(yōu)點(diǎn)。①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無(wú)需動(dòng)力，投資小，使用壽命較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本低；②占地面積小，可以通過(guò)三頭四轉(zhuǎn)螺旋提高設(shè)備處理能力；③無(wú)須風(fēng)、水、介質(zhì)等輔助材料，運(yùn)行成本比重介質(zhì)旋流器和浮選機(jī)都低。

(2)缺點(diǎn)。①對(duì)入料的適應(yīng)性較差，適用于易選煤分選或精煤產(chǎn)品灰分要求不高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)；②在原煤煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)不易調(diào)節(jié)；③設(shè)備的有效分選密度較高，不宜作為精選設(shè)備[1]。

3.3 工藝效果

螺旋分選機(jī)多用在我國(guó)動(dòng)力煤選煤廠，通常采用不完善度和數(shù)量效率評(píng)價(jià)其工藝效果。馬脊梁選煤廠、西易選煤廠、潘一選煤廠的螺旋分選機(jī)工藝效果見(jiàn)表3。

表3 螺旋分選機(jī)工藝效果

由表3可知：螺旋分選機(jī)的分選精度不高，不完善度在0.26～0.32之間，加之其分選密度較高，有效分選粒級(jí)在2～0.15 mm之間，故不宜作為分選低灰精煤的分選設(shè)備，而比較適合分選細(xì)粒動(dòng)力煤或排除粗煤泥中的高灰泥質(zhì)和硫鐵礦。

4 水介質(zhì)旋流器

4.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

水介質(zhì)旋流器又稱(chēng)自生介質(zhì)旋流器，其分選原理與煤泥重介質(zhì)旋流器相同，都是通過(guò)離心力作用實(shí)現(xiàn)物料的分選，但水介質(zhì)旋流器的分選介質(zhì)是入料中的細(xì)顆粒。水介質(zhì)旋流器由筒體、錐體、入料管、中心溢流管及底流管等組成，選煤中常見(jiàn)的屬于復(fù)錐型水介質(zhì)旋流器，即錐體由多組帶有不同錐角的部分組成。近些年應(yīng)用較為廣泛的三錐角水介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示[19-20]。

圖6 三錐角水介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 技術(shù)特點(diǎn)

水介質(zhì)旋流器適合分選易選煤，在我國(guó)主要作為高硫煤和氧化煤的分選設(shè)備，其具有以下技術(shù)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)便捷，建設(shè)周期短，投資??；工藝靈活，處理能力大，且無(wú)需額外介質(zhì)。但其分選精度低，分選下限高，溢流不經(jīng)脫泥難以達(dá)到要求。

4.3 工藝效果

通常通過(guò)可能偏差、不完善度評(píng)價(jià)水介質(zhì)旋流器的工藝效果，我國(guó)部分選煤廠的三錐角水介質(zhì)旋流器工藝效果見(jiàn)表4。

表4 三錐角水介質(zhì)旋流器工藝效果Table 4 Separator performance of the 3-cone water-only cyclone %

由表4可知：三錐角水介質(zhì)旋流器的分選精度較低，不完善度在0.22～0.29之間；但其具有投資少、見(jiàn)效快等特點(diǎn)，對(duì)于易選煤優(yōu)勢(shì)比較明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

粗煤泥是選煤廠的重要產(chǎn)物，其中含有一定數(shù)量的精煤，隨著煤炭資源的不斷減少，實(shí)現(xiàn)粗煤泥的有效分選和回收成為必須解決的問(wèn)題，這對(duì)節(jié)約煤炭資源有著重要意義。由于粗煤泥的粒度組成比較特殊，采用傳統(tǒng)的跳汰機(jī)、重介質(zhì)旋流器、浮選機(jī)等均不能對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效分選。目前，我國(guó)選煤廠應(yīng)用較多的粗煤泥分選設(shè)備有四種，分別是干擾床分選機(jī)、煤泥重介質(zhì)旋流器、水介質(zhì)旋流器、螺旋分選機(jī)，這些設(shè)備各有特點(diǎn)和適用性，在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)根據(jù)入料可選性、選煤工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求、投資費(fèi)用等綜合考慮。