李凌月，徐 波，蘇靖程，薛方明

(華電電力科學研究院有限公司北京分院，北京 100070)

中速磨產(chǎn)生的石子煤具有灰分高、發(fā)熱量低、溫度高、硬度大、含硫高等特點，難以進行有效處理；部分電廠采用特制的制粉系統(tǒng)來粉碎石子煤，然后和優(yōu)質(zhì)煤粉進行摻燒發(fā)電，不過特制的制粉系統(tǒng)需要高昂的投資及運行、管理費用，并且和優(yōu)質(zhì)煤粉進行摻燒，需相應(yīng)提高優(yōu)質(zhì)煤粉的質(zhì)量等級，因此這種選擇并不合適。另外，由于石子煤易與空氣發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，堆存時易自燃，造成環(huán)境污染，并帶來了一定的安全隱患。石子煤中仍含有一定的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，以較低的價格外售，不僅對資源造成浪費，更對企業(yè)的經(jīng)濟效益造成巨大損失。

目前，國內(nèi)外尚未見其他研究機構(gòu)或院所有針對石子煤分選的報道；更多的學者一直側(cè)重研究石子煤的排放及輸送方式[1-3]上，部分國內(nèi)外學者如Vuthaluru、Chatzilamprou、朱憲然等對磨煤機內(nèi)部流場特性進行了深入的模擬研究[4-7]。中國華電煤炭清潔利用技術(shù)研發(fā)中心首次提出了石子煤高效分離回收技術(shù)，設(shè)計了一套適合電廠實際的石子煤高效分離回收系統(tǒng)，對石子煤進行分選，排出其中的矸石，從而獲得符合電廠入爐煤指標的煤炭資源，并在內(nèi)蒙古華伊卓資熱電有限公司完成了工程示范；示范期間，開展了石子煤高效分離回收系統(tǒng)的性能試驗，并對試驗結(jié)果進行了討論和分析，以期為該技術(shù)在國內(nèi)外燃煤電廠的繼續(xù)推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)

石子煤高效分離回收系統(tǒng)包括噴水降溫系統(tǒng)、石子煤上料系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、礦物高效分離裝置、除塵系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)示意圖如圖1所示；噴水降溫系統(tǒng)包括石子煤接料斗及噴水裝置；上料系統(tǒng)包括受煤斗及給料機；篩分系統(tǒng)包括處理量為20t/h、篩孔為6mm的篩分設(shè)備，設(shè)備上方安置除塵罩；產(chǎn)品輸送系統(tǒng)包括原石子煤皮帶、末煤皮帶、上煤皮帶、矸石皮帶、中煤皮帶、中煤轉(zhuǎn)載皮帶、精煤皮帶各一條；控制系統(tǒng)包括PLC控制柜和運行監(jiān)控系統(tǒng)。

中速磨產(chǎn)生的石子煤首先經(jīng)過噴水降溫處理，避免石子煤溫度過高產(chǎn)生自燃并影響后續(xù)處理環(huán)節(jié)；降溫處理后的石子煤經(jīng)過6mm篩孔振動篩進行篩分，篩除影響分選效果的<6mm末煤；篩上物進入石子煤高效分離回收設(shè)備進行干法分選，分選環(huán)節(jié)增置中煤再選工藝，有效提高了分選精度，不同密度石子煤在分離床上進行階梯式旋轉(zhuǎn)運動，在每個階梯區(qū)間進行多次重復(fù)分離，最終實現(xiàn)高低密度物的高效分選；篩分及分選系統(tǒng)配有除塵裝置，減少粉塵污染，保護環(huán)境。選用可能性偏差Ep、不完善度作I、數(shù)量效率、精煤產(chǎn)率、精煤硫分、精煤灰分作為試驗分選效果的評價指標。

1-受煤料倉；2-原石子煤皮帶機；3-振動篩；4-末煤皮帶機；5-上煤皮帶機；6-石子煤高效分離回收裝置；7-除塵系統(tǒng)； 8-煤粉料斗；9-矸石皮帶；10-中煤皮帶 ；11-中煤轉(zhuǎn)載皮帶；12-精煤皮帶

2 石子煤高效分離回收技術(shù)理論依據(jù)

2.1 技術(shù)原理

燃煤電廠石子煤高效分離回收技術(shù)是一種專門針對燃煤電廠石子煤研發(fā)設(shè)計的高效分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對高密度礦物含量較多的難分離物料進行高效分離，不僅能對石子煤進行有效分選，還可用于煤炭干法分選等領(lǐng)域。

圖2 石子煤高效分離回收裝置示意圖

石子煤高效分離回收裝置示意圖見圖2，物料在分選床橫斷面上運動的示意圖見圖3。

圖3 物料在分選床橫斷面上運動的示意圖

入選石子煤給入具有一定縱向、橫向傾角的分選床，分選床在振動器的帶動下振動，使底層石子煤向背板方向運動，而床層表面的煤因受重力作用會沿床層表面下滑；在不斷給入的石子煤物料壓力以及振動作用下，使得底層物料形成螺旋運動向矸石端移動；這樣，低密度物料會沿床層表面不斷下滑，并通過排料擋板排出，高密度物料則運動至到矸石端排出。分選床的床面上會安有格條，從而對底層物料的運動起導向作用，有利于整個床層物料呈有規(guī)律的螺旋運動。

2.2 礦粒的受力分析

礦粒在分選床橫斷面上的受力情況見圖4，可以看出物料在自身重力 以及振動慣性力 、 顆粒物料所受的摩擦力 以及風力 的綜合作用下，沿振動方向角 進行有規(guī)律的循環(huán)運動[8]，最終實現(xiàn)石子煤中優(yōu)質(zhì)煤炭資源和煤矸石的高效分離。

其中，床層底部物料向x正方向的運動方程如下：

(1)

式中：m為顆粒物料的質(zhì)量； V為顆粒物料的速度；S為振動慣性力； G為顆粒物料的重力； F為顆粒物料所受的摩擦力；δ 為振動方向角，即床體振動方向與床體底平面的夾角； α為分選床面的橫向傾角； W為風力； f為顆粒物料的動摩擦系數(shù)； κ為分選機床體振動的角頻率； λ為分選機床體振動的振幅； o為分選床振動源的振動相位角； d為顆粒物料的當量直徑； ρs為顆粒物料的密度； ρ為氣體介質(zhì)(即空氣)的密度；j為阻力系數(shù)，它是雷諾數(shù)的函數(shù)； V風為風速。

床層上部物料向x反方向的運動方程如下：

(2)

式中： T為上部顆粒物料所受的床體背板的反推力， κ1為修正系數(shù)。

3 石子煤高效分離回收技術(shù)現(xiàn)場性能試驗

3.1 石子煤的煤質(zhì)特性分析

卓資電廠入爐煤熱值要求大于4000大卡，粒徑≤50mm,因此需要對石子煤樣的煤質(zhì)特性進行分析，考察該技術(shù)的可行性。

對磨煤機石子煤進行了篩分試驗(篩孔尺寸為6mm)，得到了篩上物(>6mm)及篩下物(<6mm)煤樣的產(chǎn)率，并對原石子煤、篩上物(>6mm)煤樣、篩下物(<6mm)煤樣的灰分、硫分、發(fā)熱量進行了測試，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 磨煤機石子煤篩分試驗

由表5可以看出，石子煤原樣灰分62.78%，硫分9.63%，低位發(fā)熱量1581 大卡，硫分及灰分極高，并且具有一定的發(fā)熱量；<6mm煤樣的產(chǎn)率為41.36%。

3.1.2 >6mm石子煤浮沉試驗

對卓資>6mm石子煤進行浮沉試驗，并對試驗后各密度級煤樣進行灰分測試，試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，石子煤樣隨著密度級的增加，灰分逐步增大；<2.0 g/cm3煤樣產(chǎn)率可達到29.82%，且灰分較低，為27.55%；而>2.0g/cm3煤樣的產(chǎn)率很大，為70.18%，且灰分高達78.59%，明顯高于<2.0 g/cm3煤樣，因此可以知道，將>2.0g/cm3矸石除去后，可大幅提高>6mm石子煤樣的發(fā)熱量，降低石子煤樣的灰分。

表2 磨煤機石子煤>6mm粒級浮沉試驗

表2(續(xù))

3.2 石子煤高效分離回收系統(tǒng)性能試驗分選效果研究

采用石子煤高效分離回收系統(tǒng)對卓資電廠石子煤進行了分選性能試驗，并對選后的精煤及矸石產(chǎn)品進行了產(chǎn)率計算及浮沉試驗，試驗結(jié)果見表3。

通過精煤浮沉組成、矸石浮沉組成、精煤產(chǎn)率和矸石產(chǎn)率計算了分配率，并繪制了分配曲線，見圖5，從而得到Ep值、分選密度和I值。

表3 石子煤分選性能試驗產(chǎn)品的密度分析

通過精煤浮沉組成、矸石浮沉組成、精煤產(chǎn)率和矸石產(chǎn)率計算了分配率，并繪制了分配曲線，見圖5，從而得到Ep值、分選密度和I值。

圖5 石子煤樣分配曲線

由圖5可得出：d75=2.048 g/cm3；d25=1.753 g/cm3；d50=1.990 g/cm3。

可求得：

圖6 石子煤樣>6mm粒級可選性曲線圖

根據(jù)石子煤樣>6mm粒級浮沉試驗結(jié)果，可繪制可選性曲線，如圖6所示。根據(jù)可選性曲線，可得出：精煤灰分為36.53%時的理論精煤產(chǎn)率(γp)為36.30%。

計算實際精煤產(chǎn)率(γt)為34.62%，可得出數(shù)量效率：

石子煤高效分離回收系統(tǒng)技術(shù)指標見表4，通過性能試驗結(jié)果可知，石子煤高效分離回收系統(tǒng)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，分選性能及效果良好，實現(xiàn)了電廠磨煤機石子煤的高效分離利用。

表4 石子煤高效分離回收系統(tǒng)技術(shù)指標

4 結(jié)論

(1)通過分析實驗室篩分、浮沉試驗結(jié)果可知，卓資電廠石子煤樣>6mm粒級可以按密度進行高效分選。

(2)首次提出燃煤電廠石子煤高效分離回收技術(shù)，對石子煤噴水降溫、篩分、分選工藝進行了優(yōu)化集成，并在卓資電廠進行示范應(yīng)用，并開展了石子煤高效分離回收系統(tǒng)性能試驗；試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，可對石子煤進行有效分選，Ep值達到0.148g/cm3，I值為0.074，精煤產(chǎn)率為16.19%，熱值為4067大卡，滿足電廠入爐煤質(zhì)要求，實現(xiàn)了電廠磨煤機石子煤的高效分離利用。

(3)石子煤高效分離回收系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了石子煤綜合利用難的問題，降低了石子煤堆放時存在的安全隱患，減少了環(huán)境污染，同時回收了優(yōu)質(zhì)煤炭資源，符合國家節(jié)能減排的大方向，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景和明顯的社會經(jīng)濟效益。