红柳洗煤厂煤泥特性与产品结构研究

刘文统

(神华宁夏煤业集团有限责任公司 选配煤中心，宁夏 银川 750000)

红柳洗煤厂是一座设计能力为16 Mt/a的特大型动力煤洗煤厂，于2009 年 10 月建成投产。原煤采用全粒级入选，分选粒度下限为0.1 mm，洗选工艺为200～25 mm粒级块煤由浅槽重介质分选机分选、25～1.5 mm粒级末煤由两产品重介质旋流器主再选、1.5～0.1 mm粒级粗煤泥由螺旋分选机分选的联合工艺[1-2]。入选原煤为中高灰、低硫、中高挥发份、中低发热量、不粘结的不粘煤，主导产品包括200～25 mm粒级洗块煤，作为化工原料或民用燃料；<25 mm粒级混煤，作为电煤和锅炉喷吹煤。根据宁煤集团动力煤产品销售战略目标要求，对于“神宁一号”动力煤产品，省外销售产品的发热量要达到20.90 MJ/kg，省内销售产品的发热量要达到19.65 MJ/kg。

目前，煤炭行业产能过剩，煤炭市场竞争激烈，动力煤市场受到极大冲击。为了保证商品煤质量，红柳洗煤厂产生了大量煤泥；由于煤泥水分高(Mad为10.15%，Mt为33.02%)、灰分高(Ad在40%～48%之间)、发热量低(Qnet,ar在8.76～10.11 MJ/kg之间)，无法掺入商品煤销售，单独销售难度更大，这不但造成严重的资源浪费，而且污染厂区环境，也给企业经济效益的提升产生了不利影响。提质是解决煤泥销售困难的重要手段，也是提高选煤经济效益的有效途径，具有良好的经济效益和社会效益[3-5]。随着选煤技术的进步，动力煤选煤厂的煤泥提质技术在工艺和设备层面都有了较大发展。目前，主要的提质技术有3种[6-8]，分别为掺配提质技术、干燥提质技术、浮选提质技术，这三种技术都有自身的适用范围。掺配提质技术主要适用于发热量较高的优质煤泥，将其掺入末煤产品或电煤产品后，对产品质量影响小；干燥提质技术主要以降低煤泥水分为主，通过干燥达到提高煤泥发热量的目的，干燥后的煤泥能够单独销售或掺入商品煤销售；对于一些劣质煤泥，上述两种技术很难满足提质要求，此时浮选就成为细煤泥提质最常用、效果最好的方法。煤泥经过浮选提质后，产品灰分大幅下降而发热量有所提高，可使其从劣质煤泥产品转化为高品质的精煤产品。

1 生产现状

1.1 原煤煤质与分选工艺

红柳洗煤厂的原煤粒度组成及其质量指标(表1)说明：该厂原煤粒度组成偏细，原生煤泥产率较低(为8.64%)，<3 mm粒级粉煤产率较高(为36.26%)，>13 mm粒级块煤产率较低(为28.30%)。各粒级原煤的Qnet,ar均较低，其中<6 mm粒级末煤的Qnet,ar为16.05 MJ/kg，<13 mm粒级末煤的Qnet,ar为16.29 MJ/kg，<50 mm粒级原煤的Qnet,ar为15.66 MJ/kg，都不能满足“神宁一号” 动力煤省内外销售产品的Qnet,ar要求。

由于原煤中<6 mm粒级粉煤产率高达50.41%，Qnet,ar仅为16.05 MJ/kg，目前动力煤选煤厂广泛采用的块煤入选、末煤不入选工艺不适合该洗煤厂原煤性质，即使采用全粒级洗选煤泥减量化生产技术，仍不能满足商品煤的Qnet,ar要求。

表1 原煤粒度组成及其质量指标

目前该洗煤厂的原煤洗选原则流程如图1所示。入选原煤被破碎至<200 mm后，以25 mm粒度进行分级，200～25 mm粒级块煤采用浅槽重介质分选机分选，<25 mm粒级末煤经1.5 mm脱泥后，25～1.5 mm粒级采用有压两产品重介质旋流器主再选，1.5～0.1 mm 粒级细煤泥采用螺旋分选机分选；煤泥水采用三段浓缩 (即两段串联浓缩、一段净化浓缩)方式处理，一段、二段浓缩机的底流分别采用沉降过滤式离心机、快开压滤机脱水处理。

图1 红柳洗煤厂的原煤洗选原则流程

从该洗煤厂的产品结构(表2)可以看出，商品煤为块煤产品和末煤产品，二者的Qnet,ar均大于19.65 MJ/kg，满足产品质量要求；而煤泥产品的产率为18.45%，Qnet,ar为10.11 MJ/kg，销售难度很大。

表2 产品结构

1.2 存在问题与原因分析

原煤煤质和商品煤质量要求决定该洗煤厂必须采用全粒级入选方式，但大量煤泥的有效提质是目前急需解决的难题。煤泥质量差的主要原因有两个，一是缺少细煤泥分选环节，导致细煤泥产品灰分高、水分高、发热量低，不满足销售要求；二是一段浓缩机底流采用卧式沉降离心机脱水，回收的煤泥灰分高、发热量低，掺入电煤后致使商品煤质量降低。

从理论上来讲，一段浓缩机底流通过卧式沉降离心脱水机处理，能够回收其中部分粒度较粗(0.075 ～0.50 mm粒级)的煤泥，这部分煤泥可以掺入电煤销售，有助于提高电煤产量。但在生产实际中，浓缩机底流粒度较细，很难满足卧式沉降离心脱水机对入料粒度的要求，且煤泥灰分较高，发热量较低，掺入电煤后致使商品煤质量降低。此外，压滤煤泥灰分更高，发热量更低，掺入末煤产品后直接影响其销售；当前煤炭形式下，这部分煤泥只能被废弃。

提质技术是提高商品煤质量，提升企业经济效益，减少煤炭资源浪费的有效途径。研究分析认为，γ为18.45%的煤泥，Qnet,ar为10.11 MJ/kg，无论是与其它商品煤掺配还是干燥提质，均不能满足产品质量要求，故浮选成为煤泥提质的唯一途径。

2 试验结果与分析

煤泥试样为红柳洗煤厂的压滤机滤饼，根据国家标准，通过小筛分试验、小浮沉试验及小浮选试验，探求煤泥的粒度组成、密度组成和可浮性特征，进而评价煤泥浮选产品的质量和价值，为产品结构优化提供参考。

2.1 煤泥来源与组成分析

根据该洗煤厂入选原煤的生产大样筛分、浮沉试验结果，结合GB 50359—2005《煤炭洗选工程设计规范》[9]，确定的煤泥组成见表3。由表3可知：原生煤泥γ为8.64%，浮沉煤泥γ为5.94%，次生煤泥γ为5.46%，破碎煤泥γ为0.03%，合计γ为20.07%，Ad为39.82%；浮沉煤泥Ad高达51.85%，说明矸石存在严重泥化现象。

表3 煤泥来源与组成

2.2 煤泥小筛分试验

煤泥筛分试样质量为 100 g，Ad为40.67%，根据 GB/T 477—2008 《煤炭筛分试验方法》[10]规定，对其进行小筛分试验，所测得的粒度组成见表4。

由表4可知: 主导粒级为<0.045 mm粒级，γ为39.03%，Ad高达59.19%；该粒级灰分比全部煤泥的高约19个百分点，说明矸石泥化严重，这对浮选选择性产生不利影响。这部分细颗粒很容易附着在煤粒表面的孔隙或裂隙中，很难将微细煤粒与异质细泥分开，在浮选过程中，极易以机械夹带或者细泥罩盖的方式进入精煤，浮选精煤存在高灰细泥污染问题。0.075～0.50 mm粒级为浮选的最佳粒级，γ为55.08%，Ad为27.06%，产率高而灰分低，这有利于浮选的进行。

表4 煤泥粒度组成

2.3 煤泥小浮沉试验

按照GB/T 478—2008 《煤炭浮沉试验方法》[11]规定进行煤泥小浮沉试验，试验的密度精度为0.001 g/cm3，空气干燥基煤样质量为200 g，结果见表5。

由表5可知：主导密度级为>2.00 g/cm3密度级，γ为42.81%，Ad为74.38%，说明矸石严重泥化；<2.00 g/cm3密度级的γ为57.19%，Ad为11.95%，排出高灰细泥后可以得到灰分较低、产率较高的精煤。中间密度级1.50～1.70 g/cm3的γ为32.99%，Ad为9.51%，其为煤和矸石的联生体，产率较高而灰分较低，说明煤泥的可浮性较差。1.70～2.00 g/cm3密度级为高密度区间，γ为13.43%，Ad为21.88%，产率较低而灰分较高，说明矸石在煤中嵌布较多；如果要求浮选精煤Ad<12%，这部分高灰煤泥的灰分属于边界灰分，浮选难度较高，不利于浮选过程的进行。

表5 煤泥小浮沉试验结果

2.4 煤泥浮选试验

根据GB/T 4757—2013 《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》[12]规定，进行煤泥浮选试验。试验设备为XFD1.5L浮选机，转速为1 800 r/min，充气速率为0.25 m3/(m2·min)；起泡剂选用仲辛醇(密度为0.85 g/cm3)，捕收剂分别选用柴油和DH(密度为0.85 g/cm3)；搅拌时间为120 s，加捕收剂后搅拌60 s，加起泡剂后搅拌10 s，充气刮泡时间为180 s。试验结果见表6。

表6 煤泥浮选试验结果

注：药比为捕收剂与起泡剂的质量比。

由表6可知:

(1)当分别以柴油、仲辛醇作为捕收剂、起泡剂时，在药剂用量从3.00 kg/t降至1.00 kg/t、药比由9∶1减小到5∶1的过程中，浮选精煤γ增加14.55个百分点，Ad增加0.93个百分点，浮选尾煤Ad增加6.66个百分点，Ec增加19.97个百分点，ηωf提高13.75个百分点，这说明试验范围内9∶1的药比不合理，起泡剂用量偏小，而5∶1的药比较为合理。当药剂用量增加到1.50 kg/t时，浮选效果明显改善，浮选精煤γ提高到40.15%，浮选尾煤Ad达到55.45%，Ec为55.91%，ηωf达到39.88%。

(2)当分别以DH、仲辛醇作为捕收剂、起泡剂时，在药比为5∶1、药剂用量由1.50 kg/t增加到2.00 kg/t的条件下，浮选精煤γ增加9.41个百分点，Ad增加0.26个百分点，浮选尾煤Ad增加9.99个百分点，Ec增加12.92个百分点，ηωf提高8.89个百分点，这说明适当增大药剂用量可以显著改善浮选效果。当药剂用量为2.00 kg/t、药比为3∶1时，浮选精煤γ增加1.34个百分点，而其Ad升高0.65个百分点，ηωf下降0.26个百分点。这说明试验范围内的最佳药剂用量为2.00 kg/t、药比5∶1。

(3)在药比为5∶1、药剂用量为1.50 kg/t的条件下，与柴油作为捕收剂的浮选效果相比，DH的Ec高11.29个百分点，ηωf高8.51个百分点，浮选精煤γ高8.05个百分点而Ad低0.46个百分点，浮选尾煤Ad高6.09个百分点，这说明DH比柴油的浮选效果好，其适合作为红柳洗煤厂煤泥浮选的捕收剂。

当以仲辛醇作为起泡剂、DH作为捕收剂，在药比为5∶1、药剂用量为2.00 kg/t时，对于灰分为39.30%的煤泥，通过浮选可获得Ad为15.58%、γ为57.61%的浮选精煤，Ec达到80.12%。根据GB/T 30047—2013《煤粉(泥)可浮性评定方法》[13]评定，该煤泥的可浮性为易浮。

3 煤泥浮选后产品结构变化

3.1 煤炭发热量数学模型

为了确定该洗煤厂煤泥Qnet，ar与Ad的关系，假设浮选精煤的Qgr，d为因变量，Ad为自变量，根据表1数据，按照Qgr，d=aAd+b线性关系，建立数学模型。计算得到a=-0.333 3、b= 30.799，即线性回归方程为Qgr，d= -0.333 3Ad+ 30.797(单位为MJ/kg)，通过对回归方程的相关系数R分析，可得出|R| = 0.998 3。此时，Qgr，d与Ad的关系曲线如图2所示。

图2 Qgr,d-Ad的关系曲线

根据氢含量、水分数据将高位发热量转换为收到基低位发热量，其关系式为：

式中：Qnet,ar为收到基低位发热量，MJ/kg；Ad为干基灰分，%；Mt为全水分，%。

根据要求的产品发热量和实际水分计算其灰分，当产品水分为 25%时，单位Ad对应的Qnet,ar为0. 243 MJ/kg；当产品灰分为15% 时，单位Mt对应的Qnet,ar为 0.276 MJ/kg。

3.2 产品结构预测

根据煤炭发热量数学模型，计算出的煤泥浮选后的产品指标见表7。由表7可知：煤泥经过浮选后，浮选精煤水分比煤泥水分降低8.02个百分点；依据第5组的产品指标，精煤γ为57.61%、Qnet,ar达18.31 MJ/kg，比煤泥Qnet,ar高7.43 MJ/kg。

表7 煤泥浮选后的计算产品指标

按照入浮煤泥量占入选原煤量的18.45%、浮选精煤γ为57.61%计算，煤泥浮选后精煤γ可增加10.63个百分点(占全厂原煤)；其Qnet,ar为18.31 MJ/kg，掺入末煤后可获得Qnet,ar为20.55 MJ/kg的商品煤，能够满足省内销售产品对Qnet,ar的要求。煤泥浮选前后的产品结构变化情况见表8。

4 技术经济可行性分析

4.1 浮选原则流程的制定

浮选试验结果和产品结构分析表明，煤泥浮选后商品末精煤γ可提高10.63个百分点；对于浮选产生的γ为9.56%、Qnet,ar仅为3.60 MJ/kg的尾煤，可以直接废弃或作为综合利用的原料。本着充分利用现有煤泥水系统设施的原则，制定的浮选和脱水原则流程如图3所示。

表8 煤泥浮选前后的产品结构变化情况

图3 增加浮选系统前后的煤泥水处理原则流程

增加浮选系统后，浮选精煤和尾煤脱水尽可能利用现有设备，以节省投资和提高设备利用效率。浮选工艺流程为：煤泥分级旋流器溢流去浮选(一次浮选机)，浮选精矿由沉降过滤式离心脱水机脱水，回收其中粒度较粗(以>0.2 mm粒级为主)的精煤；离心液和滤液进行二次浮选，二次浮选精矿由压滤机脱水回收，浮选精煤全部掺入末精煤；浮选尾矿和压滤机滤液去浓缩机澄清，其溢流作为循环水，底流通过压滤回收其中尾煤，多台浓缩机并联使用。

4.2 经济效益分析

增加浮选系统后，由于煤泥总量没有发生改变，故原有煤泥脱水设备原则上可以满足浮选精煤和尾煤的脱水要求；将原煤泥水两段浓缩工艺改为一段(尾煤)浓缩工艺，原浓缩机处理能力完全满足需要，整个生产系统仅需增加浮选机及其配套设备。该洗煤厂的生产能力为16 Mt/a，工作制度为330 d/a、16 h/d，原煤入选量为3 030.30 t/h，入浮煤泥量占原煤入选量的18.45%，故入浮煤泥量为559.10 t/h。XJM-S90(5)浮选机的处理能力为315 t/h，矿浆处理量为3 150 m3/h，2台浮选机即可满足浮选生产需要。

浮选系统的运行成本主要由药剂成本、材料成本及动力成本组成，根据该选煤厂的工作制度，参考同类选煤厂的实际情况，计算出的浮选生产运行成本为：

(1)材料消耗与维护保养成本。根据实际经验数据，浮选系统设备材料消耗与维护保养成本为2 元/t；干煤泥的浮选药剂用量为2.00 kg/t，药剂价格为 8 000 元/t，即浮选药剂成本为16.00元/t。因此，每年的材料消耗和维护保养成本为 5 313.60万元。

(2)动力成本。浮选生产系统的实际电耗为1 352 kW·h/t，电价按 0.60 元/(kW·h) 计算，每年的电费为428.31万元。另外，浮选岗位司机共需要6人，平均酬薪为 6 500 元/月，故每年需要支出的总酬薪为46.80万元。

增加浮选系统后，每年的煤泥入浮量为295.20万t，浮选精煤产率为57.61%，将浮选精煤掺入末精煤后，其销售价格为270 元/t，而煤泥销售价格为 65 元/t，因此每年可增加销售收入45 917.47万元；去除各种成本后，每年的销售利润可增加20 940.76万元。

5 结论

(1)原煤全粒级入选方式适合红柳洗煤厂的原煤性质和产品质量要求，但产生了大量难于销售和利用的煤泥；由于其自身原因，很难掺入商品煤销售，造成严重的资源浪费，且污染厂区环境。

(2)以DH和仲辛醇作为浮选药剂，在药比为5∶1、药剂用量为2.00 kg/t时，对于Ad为39.30%的煤泥，通过浮选可获得Ad为15.58%、γ为57.61%的精煤，Ec达80.12%。

(3)通过浮选产品指标计算和产品结构预测，浮选精煤Qnet,ar达18.31 MJ/kg，比煤泥Qnet,ar高7.43 MJ/kg；浮选精煤可以直接掺入商品末煤销售，可使其γ提高10.63个百分点，商品煤产量增加1.70 Mt/a，每年的销售收入增加20 940.76万元。

(4)动力煤选煤厂的煤泥浮选，可以有效改善产品结构，充分利用煤炭资源，经济效益、社会效益、环境效益均显著。

[1] 曹君杰,张水燕,王 凯. 宁东选煤厂清水营分厂技术改造实践[J]. 煤炭加工与综合利用，2014(11) :33-35.

[2] 连永强.宁东洗煤厂红柳分厂动力煤全级入选工艺分析[J].选煤技术，2012(5) :73-75.

[3] 于尔铁.试论动力煤分选工艺的选择[J].选煤技术，1998 (1) :5-9.

[4] 建瑞革. 动力煤选煤厂的选煤工艺设计[J].煤炭工程，2012 (S1):33-35.

[5] 李 科,朱云峰,王章国,等.动力煤选煤厂分级重选产品结构优化[J].工矿自动化，2015, 41(6):35-39.

[6] 魏昌杰,段建中,张新志, 等.低阶动力煤浮选技术在燕家河选煤厂的应用[J].选煤技术，2015(5):66-69.

[7] 魏昌杰. 低阶烟煤煤泥浮选提质技术的研究与应用[J].中国煤炭，2015(10)：92.

[8] 桂夏辉,刘炯天,陶秀祥,等.难浮煤泥浮选速率试验研究[J].煤炭学报，2011,36(11):1895-1900.

[9] 中国煤炭建设协会.煤炭洗选工程设计规范：GB 50359—2005[S]. 北京：中国计划出版社，2005.

[10] 中国煤炭工业协会.煤炭筛分试验方法：GB/T 477—2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[11] 中国煤炭工业协会.煤炭浮沉试验方法：GB/T 478—2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[12] 中国煤炭工业协会. 煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法：GB/T 4757—2013[S]. 北京：中国标准出版社，2013.

[13] 中国煤炭工业协会. 煤粉(泥)可浮性评定方法：GB/T 30047—2013[S]. 北京：中国标准出版社，2013.