亭南选煤厂煤泥截粗回收工艺优化研究

韩 臻

(1.山东博选矿物资源技术开发有限公司，山东 济宁 272073；2.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 长武 713602)

重介选煤工艺产生的煤泥水是个很棘手的问题，浓度低、水量大，需要分选、分级、脱水等多个工艺环节综合解决，煤泥的回收处理成为选煤行业的热点问题。当前煤泥处理设备主要有水介旋流器、弧形筛、浮选设备、角锥池、叠层筛、浮选柱、压滤机、浓缩机等，每种设备都有其技术优势与不足，需根据煤泥特性及现场需求进行合理选择[1]。亭南选煤厂处理能力为5.0 Mt/a，属于大型矿井型重介选煤厂，生产工艺流程为原煤破碎到150 mm以下，150～25 mm浅槽重介分选，生产150～75 mm洗大块和75～25 mm的洗中块，<25 mm采用两产品重介质旋流器分选，粗煤泥采用TBS分选，细煤泥浓缩压滤，主导产品为优质动力煤。在原煤泥处理环节，该厂采用水介旋流器组(处理量为1 200 m3/h左右，截粗粒级为<0.25 mm，煤泥入料浓度在160 g/L左右)，仅对底流进行弧形筛截粗回收，而溢流直接(浓缩+压滤)形成煤泥产品，没有解决溢流跑粗问题。生产中，水介旋流器底流经弧形筛、离心机脱水，作为中煤产品回收；溢流先经过浓缩机浓缩，再由压滤机脱水形成煤泥产品(湿煤泥或细煤泥)。但实际生产中，水介旋流器溢流有“跑粗”现象，不仅影响浓缩池的工作效率，而且粗颗粒多是低灰优质煤，还造成资源浪费。在煤泥量增大时，该厂煤泥产量也会增大，约占原煤的10%以上，每小时就有上百吨煤泥产出，其中低灰粗颗粒产量就更明显，本应属于精煤产品，却随煤泥售出，影响经济效益。由于煤泥储装运销成本都比较高，加上国家环评政策越来越严，因此煤泥截粗是急需解决的课题。

1 煤质特性分析

根据GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》规定，亭南矿井原煤属于低灰、低硫、低磷、含油、中高挥发分、中等软化温度灰、高热值不黏煤，是一种优质动力煤。煤的视密度变化在1.25～1.43 g/cm3之间，平均值为1.36 g/cm3，真密度变化在1.14～1.50 g/cm3之间，平均值为1.47 g/cm3，煤层硬度普氏系数为1.95，属于中硬度煤。通过大筛分试验来分析亭南选煤厂煤质特性，结果见表1。

表1 亭南选煤厂原煤大筛分试验结果Table 1 Raw coal screening analysis %

由表1可以看出： >25 mm粒级产率为22.18%，灰分为33.61%，比原煤灰分高，说明矸石较硬，大块中存在大量的可见矸；原煤各粒级灰分随着粒度的减小，整体呈降低趋势，说明煤和矸石存在硬度差异，但<0.5 mm粒级灰分有所提升，说明矸石略有有泥化现象；<1.0 mm粒级含量占全样的21.53%，总煤泥量较大。

亭南选煤厂煤泥采用水介旋流器进行分选处理，水介旋流器底流和溢流筛分试验数据分别见表2和表3。

表2 亭南选煤厂水介旋流器底流筛分试验结果Table 2 Hydrocyclone underflow size analysis %

表3 亭南选煤厂水介旋流器溢流筛分试验结果Table 3 Hydrocyclone overflow size analysis %

由表2可以看出： 主导粒级为1～0.5 mm，产率为37.93%； >0.25 mm粒级粗煤泥占比较高，产率达到86.37%； 随着煤泥粒度的降低，煤泥灰分逐级递增，1 mm以上煤泥灰分为12.16%，<0.075 mm粒级细泥灰分达到74.18%；水介旋流器截粗粒度为0.25 mm，则>0.25 mm粒级粗煤泥灰分为14.17%，<0.25mm粒级细煤泥灰分为52.13%。

由表3可以看出：>0.25 mm粒级粗煤泥含量为22.89%，水介旋流器溢流跑粗明显；随着粒度逐渐变小，灰分逐渐增高。

试验还发现，水介旋流器溢流中>0.25 mm粒级物料含量较多，并且灰分较低，问题根源在于溢流量非常大、浓度非常低。水介旋流器底流口为140 mm(可选150 mm或130 mm)，溢流口为280 mm，入料泵额定流量为1 500 m3/h(结构设计目的是底流>0.25 mm粒级含量最高，占总煤泥量50%以上)。正常情况下在1 300 m3/h左右时，经验测算底流与溢流为1∶4的关系，溢流量为1 040 m3/h，低流量为260 m3/h。因此，可采取同底流工艺一样的截粗回收方式，达到降低细煤泥排放量的目的。

经过深入研究旋流器、弧形筛工作原理及功能特性，通过改变设备工况条件，挖掘设备潜能，发挥设备各自优势，形成一套搭配优良的煤泥截粗工艺，最终达到高精度高效率回收>0.25 mm粒级煤泥的目的。

2 水介旋流器组

2.1 水介旋流器分选原理

水介旋流器工作原理是通过增加离心力提高沉降效率，属于按密度分选设备。由于煤泥组分特性比较复杂，不仅粒度多样而成份也比较多样，不是单一的煤，其中泥岩较多。通常认为颗粒大的重量就大，而忽视物质成份。煤的特性是煤质与灰分成反向关系，而灰分与密度成正向关系。煤泥成分颗粒小，沉降速度慢，需增加离心沉降提高分选效率。煤泥水沿切线方向进入水介旋流器，形成内外双螺旋结构模型，粗重颗粒物质被抛向器壁并形成外螺旋流体自上而下，从底流口排出；细轻颗粒物质跟随内旋流体自下而上从溢流口排出，从而达到分离分级目的[2]。

利用离心分离技术分析水介旋流器的工作过程，假设颗粒可近似直径(d)的球形粒子作半径(r)匀速圆周运动，将速度下沉运动方向分解为切线速度(离心沉降速度V1)和径向速度(V2，下沉径向外运动不参与沉降分析)，粒子密度(ρ1)及流体密度(ρ2)达到运动平衡，受到惯性离心力、向心力、阻力三力必然平衡，由此可得出公式[3]：

式中：μ为流体介质黏度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2；ω为粒子角速度，rad/s；t为变化时间，s；x为位移变化量，m。

该公式表明，运动颗粒在做圆周运动时，离心速度与粒径平方、密度差成正比，与流体的黏度成反比。单独从粒度大小来看，大粒度颗粒应沿径向外向下呈密集性梯度分布。

2.2 产生溢流跑粗的根本原因

旋流器的锥体结构使其产生浓缩功能，由上到下浓度梯度逐级增大，底流口处最大。正常情况下，煤泥密度为1.05～1.10 g/cm3，浓缩后的密度超过1.20～1.30 g/cm3。从煤质特性得知，煤的密度为1.14～1.50 g/cm3，公式中的密度差会出现正、负值[3-4]，说明颗粒在运动过程中出现有换向现象，只要密度差正负反转，运动颗粒必然会调转运动方向，本来沿向下方向运动，突然反向上运动，这是水介旋流器溢流跑粗的根本原因。颗粒在流体中的运动速度不同，存在螺旋剪切湍流运动，且浓度越高这种运动越严重，使部分轻质粗颗粒更易于改变运动轨迹，浓度高是粗颗粒进入内螺旋流体中上浮的重要原因之一，一般应控制在16%以内[5]。

2.3 影响旋流器分选精度的因素

水介旋流器作为煤泥分选设备，从分选原理来看，对粒度分选没有可控条件，这是溢流跑粗的主因，除此之处还存有以下干扰因素：

(1)旋流器结构参数对旋流器分选效率起决定性作用，要严格设计并满足生产要求。

(2)定期检查设备磨损程度，特别是底流口最容易遭受磨损，对分选密度也比较敏感。

(3)入料压力、入料浓度、入料黏度及系统稳定性等对会分选精度及效率产生不同程度的影响。

上述干扰因素在生产过程中只能降低，却无法根治[6]。

3 弧形筛功能特点

3.1 弧形筛种类及工作原理

弧形筛按照给料方式分为两种：一种是无压力给料的自流式弧形筛；另一种是压力给料的压力弧形筛。筛条为梯形筛条，与物料运动方向垂直。筛条一般由不锈钢制作，也有使用尼龙制作，切边锋利，脱泥效果佳[7-8]。

当料浆以一定速度沿切线方向给至筛面上，在离心力、重力和摩擦力的作用下，使料浆紧贴着筛面运动，物料层由一根筛条流到另一根筛条，因筛条的边棱对物料层产生切割作用，所以便有一部分水和细粒被分离，在离心力作用下，经筛缝排出，成为筛下产品；未被切割的这部分物料层，在筛面上流过，成为筛上产品，筛条边棱锋利程度决定脱水分级效果[9]。每根筛条切下的流体厚度，一般为缝隙宽度的1/2～1/4，筛下产物中的最大颗粒约为筛缝的1/2。基于这个原因，亭南选煤厂煤泥分级粒度为0.25 mm，故选用筛缝尺寸为0.35 mm、曲率半径为2 m、弧角为45°自流式弧形筛，以满足离心机的入料要求[10]。

3.2 弧形筛特点

弧形筛具有筛分脱水的特点，最大的特点是泄水能力大。由于弧形筛结构简单，分级精度高，产品粒度均匀，单位面积处理量可达振动筛的10～50倍，而水介旋流器溢流量为1 000 m3/h，为此通过分析测算，需采取多级脱水浓缩才能回收其中粗颗粒[11]。

弧形筛工作条件比较容易达到要求，入料具备一定的速度，方向沿弧切线给入。为此设计了截粗装置专门用来安装弧形筛。弧形筛入料方式如图1所示。

图1 弧形筛入料方式

弧形筛箱体设计必须满足弧形筛的要求，该箱体采取密封设计，保证出料有一定压力，为下一级脱水提供足够的初始速度。由于来料管路至上而下为5 m高度，且有足够压力和初始速度沿入料口切入弧形筛。截粗装置主脱水箱内置两块垂直入料弧形筛，来自预脱水箱的溢流，并达到较好的泄水效果[5]。弧形筛入料箱示意图如图2所示。

图2 弧形筛入料箱示意图

3.3 弧形筛脱水能力测算

弧形筛采用曲率半径为2 000 mm，角度为45°的筛面，筛面宽度为1 500 mm，因此，弧形筛有效筛分面积为1.57×1.5=2.355 m2，三块弧形筛面积为3×2.355=7.065 m2。

弧形筛的处理能力按经验公式：

Q=160×F×u×K，

式中：Q为弧形筛的处理能力，t/h；F为弧形筛的有效筛网面积，7.065 m2；u为矿浆的给入速度，2.5 m/s；K为脱水系数，取0.4(K=0.3～0.4)[12-13]。

Q=160×7.065×2.5×0.4=1 130.4 t/h，煤泥密度为1.1 g/cm3，折算成体积量为1 027 m3/h左右，能满足水介旋流器溢流量的处理能力。弧形筛脱水效率一般在60%～80%范围内，由于处理量超出弧形筛筛面容量，取60%计算，三块弧形筛每小时可脱去616 m3煤泥。根据表3，水介旋流器溢流产物中>0.25 mm粒级的物料含量为22.89%，经过脱水浓缩，浓度提高到57%[14]。

4 煤泥截粗工艺流程

4.1 改造后细煤泥特性

煤泥水经过水介旋流器一级分选后，浓缩的底流经过两组弧形筛筛分脱水，再经煤泥离心机终级脱水形成低水分的中煤产品；溢流经过改造后的截粗装置(截流量70%)，充分发挥弧形筛的工作效力，解决了处理量大而浓度低的难题，经过弧形筛筛分脱水后，使筛上粗颗粒煤泥浓度得到提高，达到满足煤泥离心机的条件，经煤泥离心机脱水成为精煤产品。试验结果见表4。由表4可以看出：>0.25 mm粒级含量明显下降，筛上物含量仅为没有截流前的三分之一，截粗率达到三分之二，达到了预期效果。

表4 截粗后煤泥筛分试验结果Table 4 Coal slime size analysis after recovery of coarser sizes %

4.2 煤泥截粗工艺

经过理论分析，设计了煤泥截粗回收工艺，煤泥截粗工艺原理流程如图3所示。图3中虚线部分为改造环节，该工艺中水介旋流器组共分三组，通过调节达到满足处理量的要求；采用两并两串底流弧形筛组进行筛分脱水，解决底流夹细的问题；采取水平有压三并联弧形筛解决了溢流跑粗的问题。

图3 煤泥截粗工艺原则流程

5 结语

实践证明，水介旋流器与弧形筛搭配组合是煤泥截粗的有效路径，能最大程度地减少煤泥量的排放，提高粗煤泥回收量。在没有粗颗粒的影响下，浓缩池的工作效率得到了提高，絮凝剂的聚合效果得到了改善。弧形筛与水介旋流器都属于无运动部件设备，自制组装方便，特别是弧形筛组和旋流器组，应用灵活，适应性强，可根据需要改变组数，满足不同煤泥截粗工艺的需要。