煤矸石破碎制浆技术装备优化研究

何 闯

（江苏远方动力科技有限公司，江苏常州 213000）

0 引言

煤炭资源在生产过程中会产生大量的煤矸石，对生态环境造成了严重的污染。煤矸石的大量堆存，降低了土地的利用率，同时矸石淋溶水还会对周围土壤和地下水造成污染。煤矸石中含有一定量的可燃物，特定条件下容易发生自燃，排放如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害气体和烟尘，造成大气污染。秉承“从哪来，到哪去”的原则，将煤矸石破碎制浆充填离层区，保护地面建筑物、构筑物，同时解决了煤矸石污染问题，一举多得。

1 煤矸石性能

本文选取西部地区的母杜柴登煤矿、唐家会煤矿、曹家滩煤矿，对煤矸石成分、物理性能、含水率等性能进行研究。分析显示，煤矸石主要成分为石英60%～70%、高岭土8%～10%、钠长石9%～17%、其他5%。经检测分析，煤矸石硬度为3～5，属硬度较低物料；抗压强度为15～25 MPa，按照标准分类矿物抗压强度小于40 MPa，称为软物料，所以煤矸石属软物料；煤矸石属于脆性矿物，以应变形式储存应力的能力很小，因而很容易破裂。

2 破碎机理

2.1 常规矿石破碎方式

矿石破碎形式分别有挤压破碎、劈裂破碎、折断破碎、研磨破碎、冲击破碎等形式（图1）。

（1）挤压破碎：利用2 个工作面来实现对物料的破碎，物料在压力到达抗压强度极限时破碎，如颚式破碎机。

（2）劈裂破碎：工作面带有2 个尖棱，通过尖棱来挤压物料，当尖棱面工作时会楔入物料。当尖棱面产生的拉应力大于物料的抗拉强度极限时，矿石将会裂开并被破碎。如齿辊破碎机。

（3）折断破碎：物料被夹在工作面之间，物料会像简支梁或多支梁一样受到集中力的作用。折断破碎物料主要是受到弯曲应力从而折断。物料在和工作面接触的作用力为劈力。

（4）研磨破碎：物料块的位置在两个保持相对移动的破碎板之间，物料表面受到研磨作用会产生剪切变形，当剪切应力达到物料抗剪切强度极限时，物料就会被破碎。如球磨机、圆锥破碎机等。

（5）冲击破碎：物料受到足够大的瞬时冲击力而破碎。如立轴式破碎机、锤式破碎机等。

2.2 新型料床粉碎

矿石粉碎过程分为单颗粒粉碎和料床粉碎2 种。单颗粒粉碎主要指在破碎过程中产生的粉碎，而料床粉碎则是在粉磨中产生的粉碎。单颗粒粉碎是理想环境下外力直接对单颗粒产生作用力，形成破坏应力而粉碎。料床粉碎则不同，料床粉碎是指被粉碎的物料聚合在一起，形成颗粒料床，各个颗粒的位置被相邻的颗粒限制。外力不会直接施加在单颗粒上，而是会施加在颗粒层，应力传递靠的是颗粒本身，各个颗粒之间相互作用挤压、裂缝、断裂、剪切等而粉碎。单颗粒粉碎的功耗比较单一，能耗主要为粉碎能，料床粉碎除了粉碎能外，还存在料床压缩和流动的能量。因此破碎能耗一般小于粉磨能耗。然而实际在微细物料粉碎中单颗粒粉碎是不可能做到的。

3 煤矸石破碎制浆装备集成

3.1 煤矸石破碎制浆1.0 版

煤矸石破碎制浆1.0 版采用“以磨为主”的破碎工艺。采用1 台60-90 颚式破碎机最大进料粒度400 mm，处理能力60～120 t/h，功率75 kW，以及1 台1616 制砂机和1 台Φ3.5×13 m 球磨机。

3.1.1 颚式破碎机

该颚式破碎机简称颚破，技术成熟运转稳定（图2）。主要破碎方式有挤压破碎、劈裂破碎和折断破碎3 种。

图2 颚式破碎机结构

3.1.2 球磨机

球磨机的优点是在市场上已经大范围使用，产品质量稳定。缺点是设备功率大，能耗高，钢球和衬板磨损较快，耗材高。

煤矸石破碎制浆1.0版，整线共装有颚式破碎机、反击破碎机、球磨机。颚式破碎机75 kW、反击破碎机400 kW、球磨机2000 kW，破碎制浆装机总功率2475 kW。破碎1 t 煤矸石实际能耗20 kW·h，平均消耗1 kg 钢球。

3.2 煤矸石破碎制浆2.0 版

球磨机的能量利用率是破碎设备中最低的设备，所以减少球磨机工作量是节能的关键。煤矸石破碎制浆2.0 版采用“多破少磨”的破碎工艺降低能耗，采用1台750-1060 颚式破碎机最大进料粒度550 mm，处理能力150～500 t/h，装机功率110 kW；2 台300-1300细颚破最大进料粒度为250 mm，处理能力为16～105 t/h，装机功率为55 kW；2 台1600 立轴破碎机和1 台Φ3.6×6.0 m 球磨机。

3.2.1 煤矸石破碎制浆2.0 版产线

采用两条生产线（分别为1 号、2 号），其中一条为备用生产线。从前破碎生产线经缓冲料仓通过皮带输送机后直接供给MQS-3660 型球磨机，球磨机研磨出来的浆经过二级搅拌，供给注浆泵使用（图3）。

图3 煤矸石破碎制浆2.0 版布置

3.2.2 立轴式破碎机

立轴式破碎机简称为立轴破，主体部件有筒体、转子、机盖附件、底座等，最大进料粒度100 mm，处理能力60～110 t/h，装机功率160 kW。其破碎部分由锤击和反击两个部分组成。物料先从进料口进入破碎腔，锤头会对物料产生冲击、剪切、劈碎、折断，使得物料粒径初步降低。再经过反击破碎，反击板会对物料产生冲击、剪切。物料会因自撞破碎，通过锤击部分和反击部分的两次破碎之后，物料可以被控制在均衡粒径，由此来实现物料粉碎。

该设备由机械传动部分、反击破碎部分、锤击破碎部分组成。其中起到破碎作用的是锤击破碎部分和反击破碎部分，皮带传动部分传递破碎所需要的动力。采用立轴式上下安装，这样的安装方法可以利用物料的自重，减少物料运输过程所消耗的动力。通过反击破碎，最终可达到降低粒径的目的。

煤矸石破碎制浆2.0 版，颚式破碎机110 kW、细颚破55×2=110 kW、立轴破160×2=320 kW、球磨机1600 kW，破碎制浆装机总功率2140 kW。1 t 煤矸石实际能耗14 kW·h，钢球消耗0.4 kg。相较于1.0 版，由两级破碎增加到三级破碎，球磨机功率由2000 kW 降至1600 kW，每吨煤矸石能耗下降20%，钢球消耗下降60%。

3.3 煤矸石破碎制浆3.0 版

3.3.1 制粉线设计

在1.0 版中球磨机功率占比80%，2.0 版球磨机功率占比74%，功率降低了400 kW，每吨煤矸石破碎制浆能耗减少20%。减少球磨机做功是降低能耗和减少耗材的直接方式。

基于煤矸石物理化学性能，本着“以破代磨”的制粉原则，设计了煤矸石破碎制浆3.0 版（图4）。该制粉站包含煤矸石粗破、细破、辊压制粉及筛分设备等。制粉站参数见表1。

表1 煤矸石制粉注浆站参数

图4 煤矸石破碎注浆3.0 版系统设计

在矸石仓出矸口布置板式给料机，矸石经出料口落入板式给料机，再经板式给料机进入皮带机，皮带机上部设有除铁器，用于去除煤矸石中铁质杂物。由皮带机将煤矸石输送至齿辊破碎机。入料粒径小于300 mm，经齿辊破碎机粗破后，出料粒径小于50 mm。经输送机进入双辊破碎机进行细破，破碎后粒径小于15 mm。再经输送机进入高压制粉站。高压制粉站稳料仓和布料口作用下，矸石颗粒形成稳定料层进入双辊之间，双辊相向转动，煤矸石料层进入双辊挤压通道，随着通道截面越来越窄，颗粒间隙减小，进入料层挤压粉磨。在高压下矸石颗粒被挤压，矸石与矸石之间互相挤压，当压力超过矸石本身强度时矸石产生裂纹，随着裂纹扩展，矸石颗粒越来越小。

煤矸石经过制粉站高压辊是一次性通过，会有部分矸石颗粒在压力下未形成小于80 目的粉末，内部已产生较多微裂纹。最终达标粉末与未达标颗粒在高压下形成料饼从出料口落入皮带输送机。再经斗式提升机提升至选粉装置，挤压后的煤矸石料饼进入选粉机在重力作用下撞击在打散板上，料饼分散。选粉机内部在风机作用下将细颗粒煤矸石粉向上吹，进入高速旋转的鼠笼式分选器。小于80 目的颗粒进入离心式旋风筒，在离心作用下颗粒沉降，经重力阀落入皮带输送机，再由皮带输送机转运至制浆机进行制浆。

选粉机中粗颗粒在打散板撞击后向下落入选粉机粗料出料口。部分被风吹上去的较粗颗粒在分选板的撞击后落下也落至粗料出料口。粗煤矸石经皮带输送机返回煤矸石制粉站，与细破后的煤矸石一同进入煤矸石制粉站。再次制粉循环，直至达标后制浆。

煤矸石破碎制浆3.0 版，齿辊破碎机130 kW、双辊破碎机130 kW、制粉站630 kW、选粉机255 kW，破碎制粉装机总功率1145 kW，每吨煤矸石理论能耗10 kW·h。相较于1.0 版，节约钢球600 t，按照钢球每吨单价6000 元计算，每年可节约360 万元。相较于2.0版，节约钢球240 t，按照钢球每吨单价6000 元计算，每年可节约144 万元。

3.3.2 智能化控制设计

为保证煤矸石破碎制浆系统实现可视化、自动化、少人化。系统采用DCS 与PLC 分散控制，集中操作系统。采用DCS 与PLC 分散控制集中操作系统，对各种设备顺序控制，实现自动上下料、自动制粉、自动选粉工作，实现智能化控制，整条线仅需1 人操作。

4 结束语

煤矸石主要成分是石英、高岭土、长石等，属于低硬度、低强度矿石，其硬度为3～5 级、强度为15～25 MPa，更适合静压破碎制粉。粉磨是煤矸石破碎制浆能耗最高的环节，减少粉磨工作量是减少煤矸石破碎制浆能耗的关键，同时也是减少耗材的关键。本文提出的煤矸石破碎制浆设备3.0 版“以破代磨”是目前最适合煤矸石破碎制浆的工艺方案。