陳力攻，李延鋒，李小可，石玉山，朱昆陽

(1.中國平煤神馬集團(tuán) 平頂山朝川焦化有限公司，河南 平頂山 467523；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著井下開采深度的增加和大型綜采設(shè)備的使用，原煤中煤泥含量越來越高，細(xì)粒煤分選問題日益凸顯。特別對于原煤中-0.5 mm煤泥占比超過40%的煤種，粗煤泥分選采用傳統(tǒng)設(shè)備效果較差，易造成重介和浮選精煤“背灰”[1]。在細(xì)粒煤分選設(shè)備中，干擾床以其分選密度低、工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸受到青睞[2，3]。很多學(xué)者針對細(xì)粒煤的分選，提出了多種形式的干擾床分選設(shè)備。K.P.Galvin和L.Maharaj等人對TBS的設(shè)備結(jié)構(gòu)及分選機(jī)理進(jìn)行了研究[4-6]。國內(nèi)從2002年開始引進(jìn)干擾床技術(shù)并廣泛應(yīng)用于細(xì)粒煤分選，在西馬選煤廠、響水選煤廠都有應(yīng)用，分選出的精礦灰分為12.98%，Ep值為0.15[7]。隨后，劉文禮、呂一波、李延鋒等人通過對顆粒干擾沉降理論的進(jìn)一步研究，分別設(shè)計(jì)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干擾床分選機(jī)[8-12]，在國內(nèi)梁北選煤廠、張雙樓選煤廠、王家?guī)X選煤廠等多處選煤廠應(yīng)用，其分選精礦灰分為10.00%～13.00%，Ep值在0.10～0.24之間[13-15]。

綜合分析干擾床分選機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀，干擾床對粗煤泥分選具有一定效果，但分選精度普遍不高，精煤灰分很難達(dá)到10.50%以下。特別對于難選煤種，其分選精度明顯低于重介質(zhì)分選。因此，對粗煤泥分選設(shè)備進(jìn)行研究，提高干擾床分選精度，保證其在復(fù)雜入料條件下的適應(yīng)性，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 原煤性質(zhì)分析

中國平煤神馬集團(tuán)平頂山朝川焦化有限公司選煤廠(以下簡稱朝川焦化公司選煤廠)是一座入洗能力為3.0Mt/a的選煤廠。洗選工藝采用“預(yù)先脫泥無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器+煤泥浮選”的聯(lián)合分選工藝。原煤經(jīng)過0.5mm脫泥篩預(yù)先脫泥后，50～0.5mm粒級采用無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選。-0.5mm粒級經(jīng)過水力旋流器濃縮后，底流進(jìn)入三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，溢流進(jìn)入浮選機(jī)浮選。

但在處理煤泥含量比較大的原煤時(shí)，經(jīng)過濃縮脫水后的粗精煤灰分往往高達(dá)14.00%左右，嚴(yán)重影響精煤產(chǎn)品質(zhì)量。選煤廠對此類原煤進(jìn)行粒度分析，其小篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 原煤篩分試驗(yàn)報(bào)告表

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，原煤中-0.5mm的煤泥含量達(dá)到了49.60%，而且塊煤較少，煤泥中-0.15mm的極細(xì)顆粒占比最大。此類原煤易粉化，次生煤泥量大，需要對粗煤泥進(jìn)行單獨(dú)分選，降低粗精煤灰分[16，17]。

2 實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)干擾床分選試驗(yàn)

朝川焦化公司選煤廠對產(chǎn)品質(zhì)量的要求為：精煤灰分小于等于11.00%，尾礦灰分大于等于60.00%。根據(jù)目前選煤工藝技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，大多數(shù)選煤廠的粗煤泥分選采用一段式兩產(chǎn)品干擾床[18-21]。朝川焦化公司選煤廠在實(shí)驗(yàn)室利用傳統(tǒng)干擾床進(jìn)行粗煤泥分選試驗(yàn)，其分選試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 傳統(tǒng)干擾床分選試驗(yàn)報(bào)告表

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在利用傳統(tǒng)干擾床對朝川焦化公司的粗煤泥進(jìn)行分選的過程中，上升水流流量在30L/h時(shí)，溢流灰分最低，但此時(shí)底流灰分只有46.22%，尾礦跑煤嚴(yán)重，溢流產(chǎn)率也較低。上升水流流量在60L/h時(shí)，尾礦灰分達(dá)到了63.60%，但此時(shí)溢流灰分也達(dá)到了18.93%，不能滿足精煤灰分的要求。

為了進(jìn)一步觀察傳統(tǒng)干擾床的分選效果，選煤廠對溢流進(jìn)行了篩分試驗(yàn)。觀察在不同上升水流條件下，溢流灰分及粒度組成。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同上升水流干擾床溢流篩分試驗(yàn)報(bào)告表

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制在不同上升水流情況下，各個(gè)粒級在溢流產(chǎn)物中的百分含量產(chǎn)率變化曲線，如圖1所示。

圖1 不同上升水流干擾床溢流篩分試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，在上升水流加大的過程中，溢流中1～0.5mm粒級在溢流中的占比不斷增加，0.5～0.25mm粒級的占比先增大后減小，0.25～0.074mm和-0.074mm粒級的占比一直在降低。

通過傳統(tǒng)干擾床分選試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在上升水流較小時(shí)，粗顆粒占比少，細(xì)顆粒分選效果比較好；在上升水流增加至50m3/h時(shí)，0.25mm以下的細(xì)顆粒幾乎全部隨溢流而出，此時(shí)干擾床分選機(jī)對于細(xì)顆粒僅具有分級作用，不具有分選作用[22]；在上升水流繼續(xù)增加的過程中，更多的粗顆粒經(jīng)分選后隨溢流而出，粗顆粒占比增加，細(xì)顆粒占比相應(yīng)減少。因此，采用單一固定上升水流，無法實(shí)現(xiàn)“粗顆粒+細(xì)顆?！蓖瑫r(shí)分選[23]，尤其對于煤泥量比較大，細(xì)泥灰分比較高的煤種，需要采用更先進(jìn)有效的粗煤泥分選設(shè)備。

3 三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

3.1 三產(chǎn)品干擾分選的技術(shù)路線

技術(shù)人員經(jīng)過一系列原煤篩分試驗(yàn)和傳統(tǒng)干擾床分選試驗(yàn)后一致認(rèn)為，可以在傳統(tǒng)干擾床的基礎(chǔ)上，再增加一段分選流程，利用“粗選+精選”的方法，將一次分選后的溢流進(jìn)行第二次分選，形成三產(chǎn)品干擾床分選的技術(shù)路線。其工藝如圖2所示。

圖2 三產(chǎn)品干擾床分選工藝圖

3.2 三產(chǎn)品干擾床工業(yè)試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)及主要部件

將傳統(tǒng)干擾床的單筒分選改為“內(nèi)筒+外筒”的兩段式分選，同時(shí)增設(shè)頂水分配裝置，分別在內(nèi)筒和外筒中引入不同流量的上升水流，設(shè)計(jì)出了三產(chǎn)品干擾床工業(yè)試驗(yàn)機(jī)。其主要結(jié)構(gòu)和部件有：

3.2.1 “內(nèi)筒+外筒”的主要結(jié)構(gòu)

三產(chǎn)品干擾床分選試驗(yàn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。在分選的過程中，礦漿首先進(jìn)入內(nèi)筒進(jìn)行一次分選，重顆粒進(jìn)入底流成為尾礦，輕顆粒上升成為溢流。內(nèi)筒的溢流通過導(dǎo)流槽進(jìn)入外筒中部，在外筒上升水流的作用下進(jìn)行第二次分選。外筒的溢流作為最終精煤，底流作為中礦進(jìn)行二次回收。內(nèi)筒和外筒均設(shè)置密度探測器，并與執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)動，保證內(nèi)部床層穩(wěn)定。

圖3 三產(chǎn)品干擾床主要結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 頂水分配裝置

上升水流是干擾床分選機(jī)主要的分選動力，也是影響其分選效果的重要參數(shù)[24]。為了保證內(nèi)筒和外筒上升水流互不干擾，三產(chǎn)品干擾床設(shè)置了獨(dú)立的頂水分配系統(tǒng)，由供水系統(tǒng)和分配系統(tǒng)組成。其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。在頂水分配系統(tǒng)中，由變頻泵送來的頂水，通過管道進(jìn)入環(huán)繞在干擾床外圈的頂水分配帶，在頂水分配帶中通過上下各6個(gè)分配支管，分別通往內(nèi)筒和外筒的頂水室。在頂水室上方的噴射孔作用下形成穩(wěn)定的上升水流。內(nèi)筒和外筒上升水流的大小，主要通過安裝在分配支管上的閥門調(diào)整，保證達(dá)到最優(yōu)的分選效果。

圖4 頂水分配裝置主要結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 內(nèi)筒溢流給料裝置

干擾床的分選床層位于整個(gè)筒體中部，物料應(yīng)輸送至床層中段方可得到快速有效的分選[25]。在三產(chǎn)品干擾床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，內(nèi)筒的溢流需要進(jìn)入外筒進(jìn)行二次分選。因此，在設(shè)計(jì)中通過在內(nèi)筒的外壁增設(shè)0.6m的導(dǎo)流槽，構(gòu)成內(nèi)筒溢流給料裝置，保證內(nèi)筒溢流可以直接導(dǎo)入外筒中部進(jìn)行分選，避免內(nèi)筒溢流和外筒溢流形成交叉紊流，影響分選精度。其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)筒溢流給料裝置主要結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 密度探測聯(lián)動裝置

三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的密度探測聯(lián)動裝置，主要由內(nèi)筒密度探測器，外筒密度探測器、PLC控制器和電動執(zhí)行器組成。為避免環(huán)形外筒不同區(qū)域的密度差異，設(shè)計(jì)中特別增加了一個(gè)外筒密度探測器，在外筒的直徑兩端分別設(shè)置密度探測器，保證外筒整體床層穩(wěn)定。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將內(nèi)筒和外筒的分選密度轉(zhuǎn)換為電信號傳至PLC控制器，通過PLC控制器內(nèi)部設(shè)定好的程序指令，控制電動執(zhí)行器聯(lián)動內(nèi)筒和外筒的排料閥門開啟或者關(guān)閉，保證床層內(nèi)部密度與設(shè)定密度基本相同。其控制系統(tǒng)的邏輯如圖6所示。

圖6 三產(chǎn)品干擾床控制系統(tǒng)方框圖

4 三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)工業(yè)試驗(yàn)

4.1 生產(chǎn)運(yùn)行情況

朝川焦化公司原生產(chǎn)工藝中，對粗煤泥僅進(jìn)行簡單的水力分級，底流經(jīng)過脫泥后作為粗精煤產(chǎn)品，溢流和脫泥篩下水進(jìn)入浮選。由于未經(jīng)過分選，粗精煤篩上物灰分偏高，而篩下水的灰分偏低。經(jīng)過三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)在朝川焦化選煤廠進(jìn)行粗煤泥分選工業(yè)性運(yùn)行實(shí)踐后，生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 三產(chǎn)品干擾床運(yùn)行數(shù)據(jù)對比 %

由表4可知，通過在現(xiàn)有系統(tǒng)工藝中增設(shè)三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)，粗精煤回收率得以提高，灰分降低了約3%，穩(wěn)定在10.50%左右，經(jīng)過分選后的尾礦灰分達(dá)到了70.00%以上。同時(shí)減少了進(jìn)入浮選的煤泥量，提高了生產(chǎn)效率。根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果，三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)各項(xiàng)工藝參數(shù)合理(分選密度1.48g/cm3，上升水量50～80m3/h，入水口壓力50～70kPa)，運(yùn)行效果良好。

4.2 單機(jī)檢查

為了檢驗(yàn)三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的分選效果，2018年12月，選煤廠化驗(yàn)室對分選機(jī)進(jìn)行單機(jī)檢查。三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的入料、溢流、底流小浮沉試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5—7。

表5 干擾床分選機(jī)入料小浮沉試驗(yàn)報(bào)告表

通過表6和表7可以得到三產(chǎn)品干擾床的產(chǎn)品分配率情況見表8。三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的分配曲線如圖7所示。

表6 干擾床分選機(jī)溢流小浮沉試驗(yàn)報(bào)告表

表7 干擾床分選機(jī)底流小浮沉試驗(yàn)報(bào)告表

表8 三產(chǎn)品干擾床產(chǎn)品分配率計(jì)算表

圖7 三產(chǎn)品干擾床分配曲線

根據(jù)圖7分配曲線及計(jì)算結(jié)果，三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的Ep=0.085，I=0.137，η=91.37%。傳統(tǒng)干擾床分選機(jī)Ep值在0.11～0.14之間[27，28]，與之相比，三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)的分選精度更高。

5 結(jié) 論

1)在處理煤泥含量比較大的原煤時(shí)，采用“粗選+精選”技術(shù)路線的三產(chǎn)品干擾床，可以在一個(gè)分選設(shè)備中實(shí)現(xiàn)兩級分選，經(jīng)過分選后的粗精煤灰分降低3%左右，大大提高粗煤泥分選精度，同時(shí)有效避免了尾礦跑煤，提高了精煤回收率。

2)與其他粗煤泥分選設(shè)備相比，三產(chǎn)品干擾床分選機(jī)采用“內(nèi)筒+外筒”的兩段式的設(shè)備結(jié)構(gòu)，輔以頂水分配系統(tǒng)和密度探測聯(lián)動控制系統(tǒng)，可以在同一設(shè)備中實(shí)現(xiàn)“粗顆粒+細(xì)顆?！狈侄畏诌x，分選精度更高，設(shè)備更先進(jìn)。