王 超，朱金波，申 輝

(1.安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 王莊煤礦，山西 長治 046000)

當(dāng)前，煤炭仍然是我國能源消費(fèi)的主體[1]，2017年原煤的總產(chǎn)量達(dá)到35.2億t[2]，但我國采煤、選煤和運(yùn)煤的高成本問題仍然未得到有效解決。 我國煤炭主要分布在西部、北部地區(qū)，這些地區(qū)干旱少水，由于干法選煤技術(shù)不用水，工藝簡單，免去了對水的需求且不需要濕法選煤中復(fù)雜的煤泥水處理工藝，可有效降低生產(chǎn)成本，減少污水排放，近年來得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[3]。隨著我國北煤南運(yùn)，西煤東運(yùn)的煤炭產(chǎn)運(yùn)銷格局的形成，使運(yùn)輸成本提高、運(yùn)力不足等問題凸顯，因此從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看，建設(shè)大型坑口電站，改輸煤為輸電是必然趨勢[4]。隨著采煤機(jī)械化程度的提高，原煤中細(xì)粒煤含量也不斷增加，<6 mm粒級含量甚至達(dá)到50%以上，且我國西部煤種多為低變質(zhì)程度的煙煤(長焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤)，最大特點(diǎn)是低灰、低硫，一般原煤灰分在15%以下，硫分<1%，煤質(zhì)優(yōu)良，質(zhì)量基本滿足要求，可作為優(yōu)質(zhì)動力煤直接供應(yīng)電廠[5]。因此，安徽理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種全粒級高效干法選煤系統(tǒng)，以期能夠?qū)?xì)粒煤進(jìn)行分級和分選，直接供應(yīng)電廠作為發(fā)電用煤。因?yàn)闇p少了細(xì)粒煤運(yùn)輸，將極大地緩解我國煤炭運(yùn)力緊張的問題[6]，同時較大顆粒經(jīng)過分選排矸后再進(jìn)行運(yùn)銷，也將大大節(jié)省運(yùn)力，從而提高煤炭的有效運(yùn)輸能力。

1 核心設(shè)備

該干法選煤系統(tǒng)的主要設(shè)備有：預(yù)先分級篩、破碎機(jī)、振動分級篩、螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)、干法分選機(jī)、空氣重介質(zhì)流化床、高壓風(fēng)機(jī)、除塵器、引風(fēng)機(jī)、循環(huán)流化床爐等。作為核心設(shè)備，如螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)、干法分選機(jī)、空氣重介質(zhì)流化床、循環(huán)流化床爐的選取對于系統(tǒng)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

1.1 螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)

螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)是安徽理工大學(xué)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—粗物料排放管；2—螺旋分選篩；3—風(fēng)閥；4—補(bǔ)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置；5—除塵口；6—分級倉；7—中心柱；8—通風(fēng)口；9—入料口；10—細(xì)物料排放管

圖1 螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram showing the structure of the spiral-type pneumatic fines extraction-sizing machine

螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)的工作原理為：物料在下降過程中受到自身重力、螺旋離心力和氣流輸送力的綜合作用，在篩面上得到強(qiáng)化分級，同時采用切線氣流噴射旋轉(zhuǎn)分級方式進(jìn)行二次強(qiáng)化分級，從根本上解決了傳統(tǒng)分級篩如博厚篩、馳張篩、等厚篩等篩分細(xì)粒煤時出現(xiàn)的篩孔堵塞問題，根據(jù)需求，可實(shí)現(xiàn)分級粒度從13～0 mm任意調(diào)控。干法分選設(shè)備的入料粒度要求通常為50～6 mm，才能保證分選效率，而發(fā)電用循環(huán)流化床鍋爐的粒度要求通常為<6 mm，兩者有很好的粒度契合點(diǎn)即6 mm粒度，故在本系統(tǒng)中螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)以6 mm為分級粒度，對煤炭進(jìn)行分離。

1.1.1 補(bǔ)風(fēng)控制技術(shù)

由螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)的工作原理可知，為使床層松散和避免物料堆積，在氣流通道底板設(shè)置有補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)。

補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)位于氣流通道底板下方，且在各個氣流通道的底板上都設(shè)有通風(fēng)口，結(jié)構(gòu)如圖2所示。通風(fēng)口出口設(shè)置有引流板，入口與補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)相連接，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—旋轉(zhuǎn)氣流；2—出口；3—補(bǔ)氣支管；4—入口；5—風(fēng)閥；6—?dú)饬魍ǖ?7—擋板

1—補(bǔ)氣支管；2—?dú)饬魍ǖ溃?—導(dǎo)流板；4—隔板

補(bǔ)風(fēng)氣流經(jīng)補(bǔ)風(fēng)管由氣流通道底板上的入口進(jìn)入，由于導(dǎo)流板的作用，從而形成與篩面旋轉(zhuǎn)方向一致的螺旋氣流，有利于物料的傳送與松散。

1.1.2 模型簡化

由于補(bǔ)風(fēng)流擾動在物料運(yùn)輸和松散方面起到關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用，因此針對補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合補(bǔ)風(fēng)原理，對補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)模型做如圖4所示簡化：m區(qū)設(shè)置為風(fēng)流通道，上層n區(qū)為物料通道，通道的寬度均為100 mm；設(shè)置兩個篩條區(qū)，篩條設(shè)置為弧形，出口上邊壁與物料通道邊壁平行，篩孔的寬度設(shè)置為20 mm；同樣在兩個篩條中間區(qū)域下方的分流通道底板上設(shè)置補(bǔ)風(fēng)管，出口上邊壁與風(fēng)流通道邊壁平行，出口1和進(jìn)口2寬度設(shè)為45 mm。通過Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行速度場和壓力場模擬。

1—補(bǔ)風(fēng)管入口；2—補(bǔ)風(fēng)管出口；3—篩條；4—篩條

通過對比篩條3處和在補(bǔ)風(fēng)裝置干擾下篩條4處的流場，驗(yàn)證風(fēng)流運(yùn)輸以及補(bǔ)風(fēng)干擾對加強(qiáng)運(yùn)輸?shù)目尚行浴?/p>

1.1.3 速度場對比分析

圖5為補(bǔ)風(fēng)模型速度矢量圖，圖6為篩條孔附近速度云圖。由圖5可知，物料通道內(nèi)C區(qū)的氣體流速(9.23～10.00 m/s)大于A區(qū)的氣體流速(6.85～7.64 m/s)，B區(qū)氣流通道通過篩條孔1對物料通道進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。由圖6的篩條孔1附近的速度云圖同樣可以看出，由于c區(qū)的風(fēng)流輸送作用，b區(qū)的速度要大于a處速度。這也驗(yàn)證了氣流通道內(nèi)氣流對物料的運(yùn)輸、松散的有效作用。

由圖5中篩條孔2附近速度矢量分布圖可知，由于E區(qū)補(bǔ)風(fēng)管補(bǔ)風(fēng)的作用，物料通道內(nèi)D區(qū)的氣體流速(10.32～10.48 m/s)大于C區(qū)的氣體流速(9.23～10.00 m/s)，速度得到提高。由圖6中篩條孔2附近的速度云圖同樣可以看出，由于d處的補(bǔ)風(fēng)作用，f區(qū)的速度要大于e處速度。由此可知，補(bǔ)風(fēng)管內(nèi)補(bǔ)風(fēng)氣流對氣流通道內(nèi)氣流進(jìn)行了補(bǔ)充增強(qiáng)，增強(qiáng)氣流作用于物料通道內(nèi)的物料，避免了物料堆積，利于物料輸送。

1—篩條孔1；2—篩條孔2

1.1.4 壓力場對比分析

補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的物料通道和氣流通道壓力云圖如圖7所示。由于下層的氣流通道和補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)中補(bǔ)風(fēng)管的補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化作用，上層的物料通道的壓力分布依次由A區(qū)→C區(qū)→D區(qū)逐步增強(qiáng)，且在物料通道豎直方向上壓力也逐漸增強(qiáng)，這將有利于物料螺旋下降過程中的分級。

圖6 篩條孔附近速度云圖

圖7 物料通道和氣流通道壓力分布云圖

通過上述模型的流場分析，可知補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化機(jī)構(gòu)存在的必要性以及螺旋氣流輸送物料和分選物料的可行性。

1.2 干法分選機(jī)

選用CFX型差動式風(fēng)力干法分選機(jī)，有效分選粒度在50～0 mm之間，分選效率可達(dá)86%，與其他同類設(shè)備相比，單位處理面積的處理量提高10%～30%，能耗減少50%～63%，且設(shè)備不用水，適合干旱少水的地方應(yīng)用[7-8]。

1.3 空氣重介質(zhì)流化床

空氣重介質(zhì)流化床有效分選粒度在50～6 mm之間，是將流態(tài)化技術(shù)用于選煤領(lǐng)域的一項(xiàng)新的高效干法分選技術(shù)，其特點(diǎn)是以氣、固兩相流作為分選介質(zhì)，分選精度高，生產(chǎn)過程無需水，無環(huán)境污染，投資和運(yùn)行成本低，投資相當(dāng)于同等規(guī)模濕法重介選煤廠的1/3，選煤成本為濕法重介選煤1/3～1/2[9-10]。

1.4 循環(huán)流化床爐

循環(huán)流化床爐燃煤的入料粒度在8～0 mm之間,它是一種高效低污染清潔燃燒設(shè)備,可用于火力發(fā)電廠的高效燃煤發(fā)電，近年來在中國的火力發(fā)電廠得到很好的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)分選過程

全粒級干法選煤系統(tǒng)原則流程如圖8所示。

首先，原煤經(jīng)過預(yù)先分級篩進(jìn)行篩分作業(yè)，目的是篩分出入料原煤中大塊物料以進(jìn)行選擇性破碎。預(yù)先分級篩的篩孔直徑為50 mm。篩上物進(jìn)入第一破碎機(jī)(雙齒輥破碎機(jī))進(jìn)行破碎，破碎后所得物料返回到預(yù)先分級篩進(jìn)行循環(huán)篩分；篩下物進(jìn)入振動分級篩進(jìn)行分級作業(yè)。因干法分選機(jī)分選物料的粒度有一定的下限，粒度過小則會嚴(yán)重影響干法分選機(jī)的分選效率，因此需對干法分選機(jī)的入料進(jìn)行分級，以提高干法分選機(jī)的分選效率。在現(xiàn)有條件下，振動分級篩的篩孔直徑為13 mm，篩分效率較高，且能夠滿足干選機(jī)的入料要求。

振動分級篩的篩下物進(jìn)入螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)進(jìn)行分級，螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)采用螺旋離心力和氣流輸送力的綜合作用進(jìn)行一次分級，同時采用切線氣流噴射旋轉(zhuǎn)分級方式進(jìn)行二次強(qiáng)化分級。本分級機(jī)要求入料粒度范圍較窄，一般為<13 mm粒級，但對其粒度范圍內(nèi)的物料可進(jìn)行任意分級粒度的截取，且分級效率高，此環(huán)節(jié)的分級粒度設(shè)定為6 mm。螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)分選出的粗顆粒物料(13～6 mm)與振動分級篩的篩上物(50～13 mm)混合進(jìn)入循環(huán)重介質(zhì)流化床。

螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)分選出的細(xì)顆粒物料如果滿足精煤產(chǎn)品所要求的灰分指標(biāo)，可直接作為循環(huán)流化床入料，進(jìn)入發(fā)電環(huán)節(jié)；細(xì)顆粒物料如果不滿足精煤產(chǎn)品所要求的灰分指標(biāo)，則進(jìn)入CFX型干法分選機(jī)進(jìn)行分選，分選后得到相應(yīng)粒度的精煤產(chǎn)品和矸石產(chǎn)品。精煤產(chǎn)品可作為循環(huán)流化床的入料，進(jìn)入發(fā)電環(huán)節(jié)；矸石產(chǎn)品則與空氣重介質(zhì)流化床的矸石產(chǎn)品混合作為最終的矸石產(chǎn)品，用于井巷回填，減少環(huán)境污染。

循環(huán)重介質(zhì)流化床在粒度范圍為50～6 mm時分選效率高。經(jīng)循環(huán)重介質(zhì)流化床分選后，精煤產(chǎn)品可作為產(chǎn)品出售，也可破碎后作為循環(huán)流化床爐的入料，進(jìn)入發(fā)電環(huán)節(jié)。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整。

本工藝中應(yīng)用高壓風(fēng)機(jī)通過獨(dú)立的供風(fēng)系統(tǒng)分別對CFX干法分選機(jī)、螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)和空氣重介質(zhì)流化床進(jìn)行供風(fēng)，保證各處分選、分級用風(fēng)的需要。利用引風(fēng)機(jī)通過各個獨(dú)立的排風(fēng)系統(tǒng)分別將CFX干法分選機(jī)、螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)和空氣重介質(zhì)流化床中的含有粉塵的氣流引出，進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行收集，除塵后的氣流排入大氣，避免了大氣污染。

圖8 全粒級干法選煤系統(tǒng)原則流程

3 結(jié)論

(1)本系統(tǒng)中的主要分級、分選設(shè)備均不用水，避免了傳統(tǒng)濕法分選工藝中復(fù)雜的煤泥水處理系統(tǒng)，簡化了工藝流程，降低了生產(chǎn)成本，適用于中國煤炭主要富集地——西部和北部的干旱缺水地區(qū)。

(2)系統(tǒng)中由螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)分選出的<6 mm的末煤灰分低(達(dá)15%)，故可免去對這部分煤炭的分選，間接提高了大粒度級煤炭的入選比例和精煤的運(yùn)輸能力。同時，坑口電廠的建設(shè)使得變輸煤為輸電，可節(jié)約運(yùn)力，緩解中國煤炭運(yùn)力不足的壓力。

(3)本系統(tǒng)中的螺旋風(fēng)篩脫粉分級機(jī)采用旋轉(zhuǎn)氣流分級以及補(bǔ)風(fēng)強(qiáng)化分級等技術(shù)，在提高分級效率的同時，從根本上解決了傳統(tǒng)分級設(shè)備的篩孔堵塞問題，實(shí)現(xiàn)了分級粒度在13～0 mm之間按需任意調(diào)控，滿足了全粒級干法的分級、分選要求，確保了坑口電廠用循環(huán)流化床爐的發(fā)電用煤需求，促進(jìn)了變輸煤為輸電戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的進(jìn)程。