粗精煤泥回收系統(tǒng)技改前后的生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)

王敏鴿，苑金朝，張旭磊，郭建偉，方 玥，楊 曌

(1.唐山國(guó)華科技國(guó)際工程有限公司，河北 唐山 063020;2.北京國(guó)華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

1 概 述

粗煤泥的粒度近于煤泥，通常其粒度在0.25 mm～0.5 mm以上且不宜采用浮選處理。粗精煤泥回收系統(tǒng)在煉焦煤選煤廠為必不可缺的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。對(duì)于采用重介質(zhì)旋流器為主選設(shè)備的選煤廠，粗精煤泥回收系統(tǒng)通常采用篩縫為0.5 mm的弧形篩進(jìn)行分級(jí)回收，因技術(shù)條件限制，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的此種篩縫尺寸的弧形篩面其篩條背寬為1.6 mm，篩面開孔率較小(僅為23.81%)，致使一些選煤廠遇到因其泄水能力不足而影響生產(chǎn)的困境。為解決此問題，某些設(shè)計(jì)單位采用水力旋流器預(yù)先對(duì)煤泥進(jìn)行分級(jí)濃縮，然后再由弧形篩處理旋流器的底流，即水力旋流器與弧形篩串聯(lián)使用的回收系統(tǒng)。

近年來(lái)，從國(guó)外引進(jìn)的細(xì)篩縫弧形篩面得以大力推廣使用。當(dāng)細(xì)篩縫弧形篩的篩縫為0.3 mm時(shí)，其篩條背寬為0.76 mm，篩面開孔率為28.30%，使得弧形篩的泄水能力大幅增加。且在弧形篩上配置氣動(dòng)擊打器，及時(shí)對(duì)堵塞篩縫的難篩粒進(jìn)行清理，保證了弧形篩的正常工作。

以下介紹臨渙選煤廠單段細(xì)篩縫(0.3 mm)弧形篩、水力旋流器與弧形篩(篩縫0.5 mm)串聯(lián)該2種粗精煤泥回收系統(tǒng)的生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)，并進(jìn)行分析比較。

淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠座落于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)，1987年主廠房破土動(dòng)工，1990年6月26日建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年入洗原煤能力300萬(wàn)t。2004年經(jīng)擴(kuò)能改造，東區(qū)年入洗原煤能力達(dá)450萬(wàn)t。作為安徽省“861”行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，總投資7.77億元，臨渙選煤廠800萬(wàn)t西區(qū)于2005年擴(kuò)建工程開工。到2009年，西區(qū)新擴(kuò)建的3條生產(chǎn)線全面投入生產(chǎn)，年入洗原煤量增加至1 250萬(wàn)t[1]。后期經(jīng)一系列擴(kuò)能改造，目前年入洗原煤能力已達(dá)1 600萬(wàn)t。臨渙西區(qū)采用不分級(jí)、不脫泥無(wú)壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝，粗精煤泥回收采用水力旋流器與弧形篩串聯(lián)的流程，即精煤磁選機(jī)尾礦用水力旋流器組進(jìn)行預(yù)先分級(jí)，其底流由篩縫為0.5 mm的弧形篩進(jìn)一步分級(jí)和初步脫水，篩上物(粗精煤泥)再經(jīng)煤泥離心機(jī)脫水后摻入最終精煤產(chǎn)品中，水力旋流器溢流和弧形篩篩下水一起進(jìn)入浮選作業(yè)，工藝流程如圖1所示。

圖1 臨渙選煤廠原設(shè)計(jì)的粗精煤泥回收系統(tǒng)流程

多年的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水力旋流器特有的分選現(xiàn)象致使其底流的各粒級(jí)灰分高于入料灰分，有悖于粗精煤泥回收的初衷。另外4臺(tái)并聯(lián)的旋流器組給料量不均勻，且不易被發(fā)現(xiàn)和調(diào)整;旋流器入料壓力較高，動(dòng)力消耗大。

由于三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器和煤泥重介旋流器的協(xié)同效應(yīng)，使得煤泥的分選下限可低至0.25 mm甚至更細(xì)，所以<0.25 mm的煤粒質(zhì)量已符合要求，不需要進(jìn)入浮選作業(yè)重復(fù)分選。鑒于以上情況，結(jié)合臨渙選煤廠技術(shù)改造的相關(guān)研究[2-6]，將其西區(qū)1號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)采納國(guó)華科技的技改方案，采用國(guó)外引進(jìn)的窄篩背、細(xì)篩縫(0.3 mm)并帶有擊打器的弧形篩來(lái)回收粗精煤泥。簡(jiǎn)化后的流程為精煤磁選機(jī)尾礦直接進(jìn)入弧形篩脫水分級(jí)，弧形篩篩上物再由離心機(jī)進(jìn)一步脫水回收，其篩下水進(jìn)入浮選系統(tǒng)，此工藝流程如圖2所示。技改前后粗精煤泥回收系統(tǒng)的設(shè)備規(guī)格型號(hào)和工作參數(shù)見表1。

2 入料粒度組成

粗精煤泥回收系統(tǒng)的入料為精煤磁選機(jī)尾礦，其粒度組成見表2。

圖2 技改后粗精煤泥回收系統(tǒng)流程圖

表1 粗精煤泥回收系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格型號(hào)和工作參數(shù)

表2 粗精煤泥回收系統(tǒng)入料粒度組成

粗精煤泥回收系統(tǒng)的功用如下:①盡可能脫除灰分高的細(xì)泥，回收質(zhì)量符合要求的粗精煤泥，將其脫水后摻入銷售精煤產(chǎn)品中[7];②嚴(yán)格控制浮選入料上限，避免低灰分粗煤泥混入而重復(fù)分選，造成資源損失。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，簡(jiǎn)析表2所列數(shù)據(jù):①臨渙選煤廠要求銷售精煤灰分≤11.00%。入料中>0.5 mm顆粒顯然已是合格的“精煤”。 >0.5 mm和0.5 mm～0.25 mm兩個(gè)粒級(jí)的加權(quán)平均灰分為11.38%，也可視為基本合格的精煤，其累計(jì)產(chǎn)率為32.08%，因此可將指定粒度Sd定為0.25 mm，凡大于0.25 mm的煤粒視為粗粒，應(yīng)予回收，避免損失在浮選尾煤之中。②隨著顆粒粒徑的減小，重力分選對(duì)其影響也隨之減小，所以灰分也隨之增高，尤其是<0.045 mm的細(xì)泥灰分劇增近于40%，該粒級(jí)產(chǎn)率也近40%，是入料中的主導(dǎo)粒級(jí)。凡小于指定粒度Sd的顆粒看為細(xì)粒，應(yīng)予脫除，尤其是<0.045 mm的細(xì)泥，盡量避免其污染粗精煤泥的質(zhì)量。

為了詳盡比較該2種系統(tǒng)的效果，在2018年12月14日對(duì)仍使用水力旋流器與弧形篩(篩縫0.5 mm)串聯(lián)的粗精煤泥回收工藝的2號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)(處理量690t/h)進(jìn)行測(cè)試;同年12月18日對(duì)已改為單段弧形篩(篩縫0.3 mm)粗精煤泥回收工藝的1號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)(處理量810 t/h)也進(jìn)行了測(cè)試。值得注意的是1號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)的處理量大于2號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)的處理量約17.39%。

3 水力旋流器的分選現(xiàn)象

水力旋流器入料及產(chǎn)物粒度組成見表3。從表3可知，在0.5 mm至0.045 mm 該4個(gè)篩分窄級(jí)別的范圍內(nèi)，4個(gè)粒級(jí)底流的灰分明顯高于入料的相應(yīng)粒級(jí)的灰分，而溢流的該4個(gè)粒級(jí)灰分卻顯著地低于入料的相應(yīng)粒級(jí)灰分。

水力旋流器的底流、溢流各粒級(jí)灰分增減示意如圖3所示。

表3 水力旋流器入料及產(chǎn)物粒度組成

圖3 水力旋流器的底流、溢流各粒級(jí)灰分增減示意圖

在旋流器的離心力場(chǎng)中，顆粒群受到的離心力F為:

(1)

式中，V為顆粒當(dāng)量體積;δ為顆粒密度，mg3/mL ;d為顆粒當(dāng)量直徑，mm;a為離心加速度，mm/s。

粒徑比即為各粒級(jí)上限與下限的比值，圖3中所示的4個(gè)粒級(jí)其粒徑比不大于2，故均屬窄級(jí)別。由式(1)可知，此時(shí)顆粒密度對(duì)離心力的影響顯現(xiàn)，相同當(dāng)量直徑顆粒密度大(即灰分高)的離心力大，趨向于底流，而密度小(即灰分低)的離心力小，匯集于溢流。此為水力旋流器的分選現(xiàn)象。

在粗精煤泥分級(jí)回收系統(tǒng)中，將所回收的粗精煤泥摻入最終精煤產(chǎn)品中，期望其灰分越低越好。而水力旋流器的分選現(xiàn)象與人們的初衷背道而馳，故從工藝流程制定的角度來(lái)考慮，水力旋流器不宜作為粗精煤泥回收系統(tǒng)的分級(jí)設(shè)備。

4 浮選入料粒度組成分析

該廠2號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)中，水力旋流器的溢流和精煤泥弧形篩篩下水合并后的細(xì)粒產(chǎn)物，作為浮選入料。技改后的1號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)的精煤泥弧形篩篩下水即為浮選入料。兩者粒度組成有較大區(qū)別,見表4。

由表4可看出:①1號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)的浮選入料中>0.5 mm粒級(jí)產(chǎn)率已由技改前的0.51%降至0.05%，由此表明浮選的入料粒度上限基本控制在0.5 mm以下。②0.5 mm～0.25 mm粒級(jí)屬于低灰分粗精煤泥的粒度范疇。1號(hào)系統(tǒng)中的單段弧形篩，憑借其0.30 mm的細(xì)篩縫將該粒級(jí)產(chǎn)率降至5.49%；與水力旋流器弧形篩串聯(lián)系統(tǒng)的該粒級(jí)產(chǎn)率14.05%相比較，其相對(duì)降幅達(dá)60.92%。③由表4數(shù)據(jù)所繪制的2條浮選入料特性曲線如圖4所示。由圖4可明顯看出單段弧形篩的浮選入料曲線居坐標(biāo)系下方，所呈現(xiàn)的凹形更為顯著，表明粒度組成變細(xì)。

表4 分級(jí)產(chǎn)物和計(jì)算入料的粒度組成

圖4 浮選入料粒度特性曲線

5 工藝指標(biāo)

粗精煤泥回收其實(shí)質(zhì)是根據(jù)灰分高低、按其粒徑實(shí)現(xiàn)分級(jí)的過程，其工藝效果采用可能偏差和分級(jí)效率該2項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)定[8]。

5.1 可能偏差

可能偏差用以評(píng)定分級(jí)工藝的分離精確度，依據(jù)分配率的大小而用繪圖法求得。分配率指產(chǎn)物中某一粒級(jí)數(shù)量與計(jì)算入料中此粒級(jí)數(shù)量的百分比值[7]。

將2號(hào)系統(tǒng)水力旋流器和弧形篩整合為整體，其與1號(hào)系統(tǒng)單段弧形篩的分配率見表5。從表5可知，由于篩縫間隙不同，>0.25 mm粒級(jí)的粗精煤泥在粗產(chǎn)物中回收情況也不同，單段弧形篩生產(chǎn)系統(tǒng)>0.5 mm和0.5 mm～0.25 mm該2個(gè)粒級(jí)合計(jì)的分配率為90.05%，而水力旋流器與弧形篩串聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng)的分配率僅為69.40%，相差20.65%。由于前者配置了氣動(dòng)擊打器，故兩者<0.25 mm的細(xì)顆粒在篩上物中混雜情況相差無(wú)幾，前者分配率為10.67%，后者分配率為10.05%。

表5 粗精煤泥回收工藝的分配率(以粗產(chǎn)物計(jì))

由表5數(shù)據(jù)繪制的分配曲線如圖5所示。

圖5 粗精煤泥回收工藝的分配曲線

(1)分配曲線的形狀可形象地反映煤粒按顆粒大小實(shí)現(xiàn)分級(jí)的精確程度。在理想條件下，分配曲線的中間段應(yīng)是1條通過分配粒度的垂直線。在實(shí)際情況下，分配曲線的中間段是1條斜直線，其越陡直，分級(jí)精確度越高。篩縫0.3 mm弧形篩的精確度比后者要好。

(2)可能偏差Epm是對(duì)分配曲線中間直線段垂直度的量化，Epm值越小則其越趨于垂直。單段弧形篩的Epm為0.069 mm，而水力旋流器與弧形篩串聯(lián)的Epm為0.169 mm。很明顯，單段弧形篩的分級(jí)精確度更高。

(3)分配粒度是指在分配曲線上分配率等于50%的分離粒度，此粒徑的顆粒進(jìn)入粗粒產(chǎn)物或細(xì)粒產(chǎn)物的概率均為50%。單段弧形篩的分配粒度S50=0.243 mm，是其篩縫間隙0.3 mm的0.81倍，此為配置氣動(dòng)擊打器可及時(shí)排除堵塞篩縫的顆粒及強(qiáng)化難篩顆粒的透篩能力的緣故。跟分配曲線有關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)見表6。

表6 跟分配曲線有關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)

5.2 分級(jí)效率

分級(jí)效率是將煤炭分級(jí)工藝的分離精度作進(jìn)一步具體化、定量化地評(píng)定。其計(jì)算式為:

Si=Ec+Ef-100%

(2)

式中，Si為分級(jí)效率，%;Ec為粗粒物正配效率，%;Ef為細(xì)粒物正配效率，%。

(1)粗粒物正配效率Ec。粗粒物正配效率為粗粒產(chǎn)物中粗粒物料與計(jì)算入料中粗粒物料的百分比值。在理想條件下，Ec=100%，其計(jì)算式為:

(3)

式中，∑γ0>Sd為粗粒產(chǎn)物中大于指定粒度的物料累計(jì)產(chǎn)率，%;∑γFT>Sd為計(jì)算入料中大于指定粒度的物料累計(jì)產(chǎn)率，%。

臨渙選煤廠粗精煤泥回收系統(tǒng)入料的指定粒度Sd為0.25 mm，根據(jù)表4所列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于單段弧形篩生產(chǎn)系統(tǒng):

由此表征在入料中>0.25 mm的煤粒有近90%正配到篩上粗粒產(chǎn)物中，只有約10%該粒級(jí)誤配到篩下細(xì)粒產(chǎn)物中。

對(duì)于水力旋流器與弧形篩串聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng):

由此意味著在入料中>0.25 mm煤粒不到70%正配到粗粒產(chǎn)物中，而30%以上誤配至細(xì)粒產(chǎn)物。

分析2個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)相差近20個(gè)百分點(diǎn)的最直接原因，可能是篩縫間隙變化的緣故。

(2)細(xì)粒物的正配效率Ef。細(xì)粒物正配效率為細(xì)粒產(chǎn)物中細(xì)粒物料與計(jì)算入料中細(xì)粒物的百分比值。在理想條件下Ef=100%,其計(jì)算式為:

(4)

式中,∑γu

對(duì)于單段弧形篩生產(chǎn)系統(tǒng):

100%=90.36%

此表征在入料中<0.25 mm的煤粒有90%以上正配到篩下細(xì)粒產(chǎn)物中，而只有不到10%的該粒級(jí)誤配到粗粒產(chǎn)物中。

對(duì)于水力旋流器與弧形篩串聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng):

100% =89.94%

此表征在入料中<0.25 mm的粒級(jí)近90%正配到篩下細(xì)粒產(chǎn)物中，而有10%以上的該粒級(jí)誤配到粗粒產(chǎn)物中。

篩縫變細(xì)至0.3 mm后，其細(xì)粒物的正配效率略好于后者，原因有以下幾點(diǎn):①該弧形篩的篩條背寬由原來(lái)的1.6 mm減小到0.76 mm，篩面的開孔率增加了4.49個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到28.30%;②在同樣長(zhǎng)度的篩面上，篩條根數(shù)增加50%以上，加大了煤漿在弧形篩上切割的次數(shù);③配置的氣動(dòng)式擊打器可及時(shí)清理被難篩粒堵塞的篩縫，有效地保持了篩分面積;④在單段弧形篩出料端用清水噴洗脫泥，也是有力的措施之一。

(3)分級(jí)效率。根據(jù)式(2),對(duì)于單段弧形篩生產(chǎn)系統(tǒng)，分級(jí)效率:Si=89.87+90.36-100=80.23(%)。對(duì)于水力旋流器和弧形篩串聯(lián)系統(tǒng)，分級(jí)效率:Si=69.70+89.94-100=59.64(%)。兩者分級(jí)效率相差20.59%，證明了采用帶有氣動(dòng)擊打器0.3 mm細(xì)篩縫的單段弧形篩在粗精煤泥回收生產(chǎn)系統(tǒng)中的工藝先進(jìn)性。對(duì)于細(xì)顆粒篩分，無(wú)論干法還是濕法，能達(dá)到80%的分級(jí)效率指標(biāo)均很不錯(cuò)。

6 經(jīng)濟(jì)效益

(1)節(jié)省浮選劑用量。對(duì)于2個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)質(zhì)量計(jì)算，經(jīng)煤泥離心機(jī)脫水后的粗精煤泥產(chǎn)率(占入料)，單段弧形篩的為37.12%，而水力旋流器與弧形篩串聯(lián)的為30.09%。前者的產(chǎn)率增加了7.03個(gè)百分點(diǎn)，且其灰分比后者低了0.46個(gè)百分點(diǎn)。相應(yīng)的是入浮煤泥量減少了7.03個(gè)百分點(diǎn)，即此數(shù)量可觀的低灰分粗精煤泥避免進(jìn)入浮選作業(yè)重復(fù)分選。而實(shí)際上>0.25 mm的粗煤泥因本身重量大，不可能全部黏附在氣泡上，必然有一部分損失到尾煤中。據(jù)估算，僅因入浮煤泥量的減少，全廠可節(jié)省浮選劑費(fèi)用近二十萬(wàn)元。

(2)節(jié)省電力消耗。對(duì)于水力旋流器，要求其工作壓力為0.2 MPa，經(jīng)測(cè)定入料泵電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)工作電流為270 A。對(duì)于弧形篩不需要此額外的工作壓力，經(jīng)測(cè)定入料泵電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)工作電流100 A。

按式(5)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率(P，kW):

(5)

式中，I為實(shí)測(cè)電流安培數(shù)，A;U為實(shí)測(cè)電壓伏特?cái)?shù)，V;cosφ為電動(dòng)機(jī)銘牌功率因數(shù)，取cosφ=0.85。

由式(5)可計(jì)算出功率分別為150.9 kW和55.9 kW，兩者相差95 kW。按年工作5 280 h，采用單段弧形篩生產(chǎn)系統(tǒng)取代水力旋流器與弧形篩串聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng)后，全廠全年可節(jié)電150萬(wàn)kWh，工業(yè)用電按0.60元/kWh計(jì)，可節(jié)省電費(fèi)90萬(wàn)元。

7 結(jié) 語(yǔ)

帶有氣動(dòng)擊打器的細(xì)篩縫弧形篩已在選煤廠推廣多年，臨渙選煤廠使用單段細(xì)篩縫弧形篩的1號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)和當(dāng)時(shí)仍使用水力旋流器—弧形篩串聯(lián)的2號(hào)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，在前者的處理量比后者大17.39%的條件下，將浮選入料粒度上限控制在0.5 mm以下，入浮煤泥量減少了7.03%，相對(duì)應(yīng)的離心脫水后的粗精煤泥產(chǎn)率增加了7.03%，而其灰分下降0.46個(gè)百分點(diǎn)。在工藝指標(biāo)上，前者的可能偏差值為0.069 mm，分級(jí)效率為80.23%，而后者可能偏差為0.169 mm，分級(jí)效率為59.64%，充分展示出細(xì)篩縫弧形篩的先進(jìn)性。

全廠3個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)均技改為單段弧形篩，由于入浮煤泥量減少，預(yù)計(jì)技改后全廠每年可節(jié)省浮選劑費(fèi)用近二十萬(wàn)元;簡(jiǎn)化工藝取消水力旋流器后，全廠每年可節(jié)約用電150萬(wàn)kWh。粗精煤泥回收系統(tǒng)的技改有效果，完全符合國(guó)家所倡導(dǎo)的節(jié)能降耗的大方向。