朱子祺，李文秀，李琛光，王大鵬

(1.神華神東煤炭公司洗選中心，陜西 榆林 719315；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 211116)

神東礦區(qū)入選原煤具有內(nèi)灰低、孔隙發(fā)達(dá)、雜質(zhì)含量低的獨特優(yōu)勢。近年來在保證清潔動力煤供給的基礎(chǔ)上，國家能源集團(tuán)一直在探索如何實現(xiàn)煤炭的高附加值利用[1]。前期研究基礎(chǔ)表明，神東礦區(qū)精煤制備的活性炭具有中孔孔容高、電容容量高的特點，具有良好的應(yīng)用前景，而利用多孔炭材料制備電容器電極材料是研究的熱點方向[2-4]，因此研究電容炭原料用超低灰煤制備技術(shù)意義重大。

超低灰煤生產(chǎn)技術(shù)一直是選煤工作者的研究重點[5]，形成了多種分選方法和技術(shù)，主要有化學(xué)法[6]、電選法[7]以及物理化學(xué)法等。目前重選法仍是較為經(jīng)濟(jì)的超低灰煤生產(chǎn)技術(shù)，太西選煤廠采用“跳汰粗選+重介質(zhì)旋流器精選”的方法，率先實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)粒徑在13～6mm、灰分Ad≤2.00%、Ad≤2.50%、Ad≤3.00%的超低灰無煙煤粒煤系列產(chǎn)品[8-10]。重介法可以得到較低的精煤灰分[11，12]，但電容炭用煤對Fe2O3含量要求嚴(yán)格[13]，采用重介質(zhì)分選方法時精煤產(chǎn)品不可避免的攜帶少量磁鐵礦粉，不利于用煤質(zhì)量的穩(wěn)定，而水介法以水為分選介質(zhì)，對產(chǎn)品不造成污染，目前細(xì)粒煤水介分選法主要有TBS和水介質(zhì)旋流器。由于TBS主要適用于易選煤且對物料粒度范圍要求較高，而水介旋流器的入料粒度范圍寬，且分選精度較高，因此被認(rèn)為是適宜于生產(chǎn)超低灰煤的有效技術(shù)[14，15]。

水介質(zhì)旋流器分選技術(shù)于20世紀(jì)60年代在我國開始應(yīng)用，主要用于脫除黃鐵礦和粗煤泥脫灰[16，17]，隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了多種型式的水介質(zhì)旋流器，分選精度不斷提高，實現(xiàn)了對粗煤泥的高效分選，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用[18，19]，利用水介質(zhì)旋流器進(jìn)行分選可以有效降低精煤灰分生產(chǎn)低灰分精煤，但在生產(chǎn)超低灰煤生產(chǎn)方面還未有系統(tǒng)的研究。鑒于此，本文以哈拉溝煤礦原煤為研究對象，探索水介質(zhì)旋流器分選生產(chǎn)超低灰煤的可行性。

1 水介質(zhì)旋流器試驗原料與系統(tǒng)

1.1 試驗原料

研究煤樣來自哈拉溝煤礦2-2煤層，將煤樣破碎至-6mm，取6～0.5mm部分作為試驗研究對象。根據(jù)前期研究電容炭原料用煤要求灰分Ad<2.50%、煤中Fe2O3含量低于0.30%。為確定神東礦區(qū)原煤性質(zhì)，分別對其原煤及浮煤進(jìn)行工業(yè)分析，見表1。

表1 原煤及浮煤工業(yè)分析結(jié)果 %

由表1可知，原煤及浮煤均為特低灰長焰煤。原煤中Fe2O3含量超過要求，且即使灰分降低至1.85%時，煤中Fe2O3含量仍然較高，如果采用重介分選，精煤帶介量按0.3kg/t精煤計算，則浮煤的Fe2O3含量為0.25%，可見重介分選會增加煤中Fe2O3含量，而水介分選則有效避免了這一問題，因此本文提出采用水介分選方法的思路。為了解原煤的可選性，對原煤+0.5mm進(jìn)行了大浮沉試驗，試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，原煤主導(dǎo)密度級為-1.30g/cm3，產(chǎn)率為60.98%，灰分為1.65%，當(dāng)精煤灰分要求為2.50%時，精煤產(chǎn)率為80.00%，對應(yīng)的分選密度為1.34g/cm3，此時鄰近密度物含量達(dá)到90.74%為極難選，可見要實現(xiàn)研究目標(biāo)必須采用分選精度高的水介方法。

表2 原煤密度組成表

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)以?150mm水介質(zhì)旋流器為核心，系統(tǒng)組成如圖1所示。試驗過程中將分選入料放置于攪拌桶2中，開啟入料泵4，經(jīng)分選后的精礦和尾礦返回至攪拌桶。待試驗穩(wěn)定后，分別采取入料、溢流、底流。試驗過程中，固定水介質(zhì)旋流器溢流管插入深度為70mm，溢流口直徑為20mm，采用單因素尋優(yōu)法考察底流口直徑、圓錐段錐角、分選壓力對于分選效果的影響。

1—水介質(zhì)旋流器；2—物料箱；3—壓力表；4—泵；5—回流管；6—閥門；a—入料采樣點；b—底流采樣點；c—溢流采樣點

2 分選效果影響因素分析

2.1 錐角對分選效果影響

錐角的大小是區(qū)別不同類型旋流器的主要特征，一般而言錐角越小越利于分級，因此分級旋流器的錐角一般都不大，且分級粒度越小，錐角越小。錐角越大越有利于形成穩(wěn)定的密度層，對分選有利。試驗過程中分別考察了錐角為90°、120°、150°、180°時的分選效果，固定其他條件為入料濃度100g/L、分選壓力0.07MPa、底流口直徑12mm，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 錐角對溢流產(chǎn)率和灰分的影響

隨著錐角不斷增大，溢流產(chǎn)率逐漸增大，溢流灰分先降低后升高。錐角120°時，溢流灰分最小。錐角90°時底流灰分明顯較低，原因可能是錐角偏小，分級作用影響明顯，精煤中低密度粗顆粒物料經(jīng)分選進(jìn)入底流致其灰分降低。這點可由入選原煤及溢流產(chǎn)品的粒度組成證明，見表3、表4。

表3 水介旋流器入選原煤篩分試驗結(jié)果

表4 水介旋流器不同錐角大小下分級結(jié)果

由表4可知，錐角為90°時，溢流產(chǎn)品中-0.5mm粒級產(chǎn)率最高，說明旋流器分選過程中存在比較明顯的分級作用。隨著錐角的增大，溢流中+0.5mm粒級的灰分升高，可以表明旋流器內(nèi)的分選密度隨著錐角的增大而增大。溢流產(chǎn)品中-0.5mm粒級的灰分隨著錐角的增大先降后升。對比入選原煤的篩分結(jié)果，錐角90°、150°、180°時，溢流-0.5mm粒級的灰分高于入選原煤中該粒級灰分，并且與溢流中+0.5mm粒級灰分差很大，表明這部分-0.5mm顆粒并不是因為分選作用進(jìn)入溢流管。錐角為90°時較顯著的分級作用會使得部分高密度細(xì)顆粒進(jìn)入溢流管，同時部分低密度粗顆粒也因此損失于底流中，分選效果變差。錐角為150°時，旋流器外旋流到達(dá)錐段上部時，筒體和錐體交界處的角度較小，床層容易產(chǎn)生錯位，松散程度增大，產(chǎn)生析離作用，但由于錐角較大，床層擾動強(qiáng)烈，使得分選層紊流度增加，顆粒無法按照密度準(zhǔn)確分層，高灰細(xì)粒因此獲得了更多機(jī)會穿過錯動的分選床層進(jìn)入上升流，使得溢流灰分升高。錐角為180°時，錐段為平面，造成顆粒到達(dá)錐段后直接到達(dá)了排料口，而無法直接進(jìn)入排料口的顆粒由于阻力增大速度急劇降低，使得部分物料不可避免地被壓在排料口上方，形成了一層煤餅，阻礙底流口排料，大部分礦漿由溢流管排出。

綜上，錐角為120°時，分級作用明顯削弱，分選效果最好。因此選擇錐角為120°作為后續(xù)試驗條件。

2.2 底流口直徑對分選效果影響

底流口直徑是水介質(zhì)旋流器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于水介旋流器的底流流量及固體含量都有重要影響，因此試驗過程中首先考察了底流口直徑對分選效果的影響規(guī)律。固定其他條件為入料濃度100g/L、圓錐段錐角120°、分選壓力0.07MPa，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 底流口直徑對溢流產(chǎn)率和灰分的影響

由圖3可知，隨著水介質(zhì)旋流器底流口直徑的不斷增大，溢流產(chǎn)率逐漸減小，溢流灰分呈上升趨勢。當(dāng)?shù)琢骺谥睆綖?2mm時，底流口直徑相對于最大入料粒度(6mm)較小，排料能力也相對較小，大量顆粒通過時，顆粒間間隙小，阻力大。更多的入料只能從溢流口排出，因此溢流產(chǎn)率增高，也就削弱了分選效果，使得溢流產(chǎn)品灰分升高。隨著底流口直徑的增大，排料阻力降低，底流產(chǎn)率增加，溢流產(chǎn)率降低，當(dāng)?shù)琢骺谥睆酱笥?6mm后出現(xiàn)了拐點，溢流產(chǎn)率大幅下降，而溢流灰分顯著升高。表明底流口直徑過大時尾礦呈大錐角傘狀排出，底流量大幅增加，溢流產(chǎn)率快速下降，而底流口中心吸入的空氣在向上流動時攜帶了高灰細(xì)粒從溢流排出，使得灰分增加。綜合試驗結(jié)果，底流口直徑為16mm，精煤灰分最低，且產(chǎn)率較高，因此確定底流口直徑為16mm開展后續(xù)試驗。

2.3 入料壓力對分選效果的影響

在錐角120°，底流口直徑16mm和固定入料濃度100g/L下考察壓力對分選效果的影響，并確定最優(yōu)的實驗條件，實驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 給料壓力對溢流產(chǎn)率及灰分的影響

圖5 給料壓力對溢流、底流產(chǎn)品灰分及底、溢流灰分差的影響

由圖4可知，當(dāng)給料壓力達(dá)到0.11MPa時，溢流產(chǎn)率和灰分均出現(xiàn)驟變，溢流產(chǎn)率大幅升高，溢流產(chǎn)品灰分大幅降低。根據(jù)圖5分析可知，當(dāng)給料壓力達(dá)到0.11MPa后，底流灰分明顯下降，底、溢流灰分差明顯減小。分析可知，低密度粗顆粒在底流中的損失造成了底流灰分下降，底、溢流灰分差減小。原因可能是給料壓力過大時，水介旋流器內(nèi)旋流強(qiáng)度過大，導(dǎo)致低密度粗顆粒進(jìn)入旋流外層，同時過強(qiáng)的旋流強(qiáng)度會使分選區(qū)礦漿的紊流程度增加，破壞了聯(lián)合作用力的平衡，顆粒不能按密度準(zhǔn)確分層，造成溢流產(chǎn)率大幅下降，底流灰分明顯降低，分選效果變差。因此，給料壓力在一定范圍內(nèi)對分選效果影響小，但超出一定值后，會使得分選效果變差。

2.4 穩(wěn)定試驗

通過條件探索試驗，得到水介旋流器分選超低灰煤的最優(yōu)條件為：錐段錐120°，底流口直徑16mm，給料壓力0.07MPa，在此條件下進(jìn)行了2h的穩(wěn)定性試驗，考察設(shè)備分選的穩(wěn)定性。試驗過程中每隔30min采一次樣，試驗結(jié)果見表5。

表5 連續(xù)性試驗各產(chǎn)品產(chǎn)率及灰分結(jié)果 %

由表5可知，各組樣品溢流灰分、底流灰分差別不大，表明試驗系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，結(jié)果代表性強(qiáng)可信度高。在優(yōu)化的條件下，獲得了精煤灰分2.42%、產(chǎn)率70.07%的良好指標(biāo)，數(shù)量效率達(dá)到了87.59%，分選效果良好。表明采用水介質(zhì)旋流器可以實現(xiàn)超低灰煤的有效分選。最終產(chǎn)品的性質(zhì)分析見表6。

表6 最終產(chǎn)品工業(yè)分析及發(fā)熱量測定結(jié)果

由表6可知，最終精煤鐵含量為0.24%，各項指標(biāo)達(dá)到了要求。最后對最終尾煤進(jìn)行了密度組成分析，繪制了分配曲線如圖6所示，計算得到不完善度為0.21，說明分選效果較好。

圖6 水介旋流器分配曲線

3 結(jié) 論

1)由于電容炭(煤基活性炭)用煤對灰分、鐵含量的要求較高，針對哈拉溝特低灰煤的原煤提出了利用水介質(zhì)旋流器分選制備超低灰煤的生產(chǎn)工藝。

2)錐段錐角、底流口直徑及給料壓力對分選效果起著重要影響。生產(chǎn)超低灰煤適宜的分選條件為：錐段錐角120°，底流口直徑16mm，給料壓力0.07MPa。對應(yīng)的分選指標(biāo)為精煤灰分2.42%、產(chǎn)率70.07%，精煤鐵含量為0.24%，達(dá)到了目標(biāo)要求。

3)水介質(zhì)分選超低灰煤的數(shù)量效率為87.59%，可能偏差為0.06，不完善度為0.21，分選效果較好。