周愛榮 何昊宇 劉登科 丁 林 楊仲卿

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司代池壩選煤廠，四川省廣元市，628209；2.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400044)

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，即使近年來占比有所下降，在可預(yù)見的將來煤炭仍是我國(guó)能源的主體[1-3]。但是由于原煤煤質(zhì)和煤炭市場(chǎng)及經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化，導(dǎo)致很多選煤廠的選煤設(shè)備和工藝難以適應(yīng)新的環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)。

選煤廠中較為普遍存在的問題是重介質(zhì)旋流器的分選精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和介耗問題，許多從業(yè)者針對(duì)此問題提出了各種解決方案。從旋流器結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)這2個(gè)角度提出了提高重介質(zhì)旋流器的分選精度及穩(wěn)定性的方案，有的通過調(diào)整旋流器入介口尺寸，減小旋流器的介質(zhì)循環(huán)量，并提高入料壓力，使得分選精度提升[4]；有的通過改造混料桶結(jié)構(gòu)和增加混料泵葉輪通道解決了有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題[5]；還有的通過介質(zhì)泵變頻調(diào)速、介質(zhì)泵出口閥門和旋流器入口閥門協(xié)同調(diào)節(jié)的方式，解決了煤泥重介系統(tǒng)工作的連續(xù)性問題[6]；或者改造三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的溢流管直徑、底流口直徑和椎體角度以解決重介洗選系統(tǒng)中中煤帶精煤、中煤夾矸高的問題[7,8]。而介耗問題主要是通過增加脫介能力來解決，如增加篩面開孔率，增設(shè)阻尼板[6]采用新型弧形篩、增加開孔率和改造回收工藝[8]等等。這一系列方案在實(shí)際工程中具有非常重要的參考價(jià)值，為四川廣旺能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司代池壩選煤廠(以下簡(jiǎn)稱“代池壩選煤廠”)的優(yōu)化改造提供了諸多思路。

代池壩選煤廠原設(shè)計(jì)采用淺槽排矸處理200～50 mm原煤，雙給介無壓三產(chǎn)品重介旋流器分選工藝處理50～0.3 mm原煤， -0.3 mm原煤采用浮選工藝，尾煤濃縮壓濾，全廠洗水實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，設(shè)計(jì)洗選能力為150萬t/a。在投入運(yùn)行后歷經(jīng)多次技術(shù)改造，解決了很多技術(shù)問題和設(shè)備問題。本文針對(duì)代池壩選煤廠重介分選系統(tǒng)目前所面臨的新問題進(jìn)行總結(jié)，分析問題產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的優(yōu)化改造措施，并對(duì)改造實(shí)施后產(chǎn)生的效益進(jìn)行分析。

1 存在的問題

1.1 重介質(zhì)旋流器預(yù)分選系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定

重介質(zhì)旋流器作為目前應(yīng)用最廣泛的煤炭分選設(shè)備，也是代池壩選煤廠最主要的分選設(shè)備。預(yù)分選裝置是重介質(zhì)旋流器的前處理設(shè)備，原煤和介質(zhì)液在錐形設(shè)備中進(jìn)行混合，完成原料濕潤(rùn)和預(yù)分選的任務(wù)。在生產(chǎn)過程中原煤經(jīng)過原煤預(yù)先分級(jí)篩篩分和破碎機(jī)破碎后進(jìn)入三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器預(yù)分選裝置后，即使按照設(shè)計(jì)量給料，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)物料堵塞的狀況，嚴(yán)重影響了旋流器的分選精度和重介洗選系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，高速旋轉(zhuǎn)的懸浮液對(duì)潤(rùn)濕桶磨損嚴(yán)重，也需要經(jīng)常更換。但因?yàn)闈?rùn)濕支管安裝位置高，拆除時(shí)操作空間狹小，所以需要對(duì)重介質(zhì)旋流器的預(yù)分選設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到預(yù)防堵塞、減少磨損以及增加重介洗選系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 高頻篩跑粗

現(xiàn)有的高頻篩分別用于中矸、精煤煤泥的脫水，在實(shí)際運(yùn)行中由于原設(shè)計(jì)使用的復(fù)合篩板兩側(cè)壓篩木材質(zhì)為硬木，和篩面結(jié)合不容易脹緊，篩上物料易通過篩框和篩板間縫隙進(jìn)入篩下水，造成跑粗，也大大增加了后續(xù)煤泥水處理設(shè)備的負(fù)荷。從而導(dǎo)致大粒度煤泥無法浮選出來，藥耗達(dá)到0.96 kg/t，浮選精煤產(chǎn)率只有7.6%左右。而且原設(shè)計(jì)使用的復(fù)合篩板極易堵塞，需要經(jīng)常更換網(wǎng)面，導(dǎo)致使用壽命短、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低。

1.3 帶式輸送機(jī)負(fù)荷監(jiān)控困難

重介質(zhì)旋流器的運(yùn)行穩(wěn)定性不僅僅與旋流器本身有關(guān)，還與選煤廠的運(yùn)行負(fù)荷有關(guān)。如果處理量變化過大，不利于提高分選精度，若負(fù)荷過大，便會(huì)造成堵塞降低旋流器的運(yùn)行穩(wěn)定性。帶式輸送機(jī)是以連續(xù)的方式摩擦驅(qū)動(dòng)來運(yùn)輸物料的機(jī)械設(shè)備，原煤沿輸送線從落料點(diǎn)工作面輸送到儲(chǔ)煤場(chǎng)或者各煤炭處理設(shè)備進(jìn)行下一步處理。代池壩選煤廠的原煤由5臺(tái)給料機(jī)同時(shí)向帶式輸送機(jī)給料，不可避免的存在煤倉堵塞情況，使帶式輸送機(jī)輸送煤量不穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)洗選設(shè)備運(yùn)行工況的不穩(wěn)定。由于現(xiàn)有皮帶秤的測(cè)速裝置安裝位置的遠(yuǎn)離皮帶秤計(jì)量托輥，導(dǎo)致皮帶秤的稱量準(zhǔn)確度不高，不僅不易直接計(jì)算入選量，也不方便對(duì)后續(xù)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，設(shè)備負(fù)荷監(jiān)控困難。

2 問題分析及改造優(yōu)化

2.1 預(yù)分選結(jié)構(gòu)堵塞及優(yōu)化

為了解決重介質(zhì)旋流器預(yù)分選結(jié)構(gòu)物料堵塞的問題，需要提高預(yù)分選裝置的處理能力，影響預(yù)分選系統(tǒng)處理能力的主要因素有原煤給料方式、潤(rùn)濕管管路設(shè)置和介質(zhì)液進(jìn)料方向。

2.1.1 原煤給料方式

物料通過給料設(shè)備進(jìn)入預(yù)分選結(jié)構(gòu)，在桶內(nèi)介質(zhì)液的帶動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)分選效應(yīng)。預(yù)分選效果與物料在潤(rùn)濕桶內(nèi)的落點(diǎn)有關(guān)。不同的入料方式將產(chǎn)生不同的預(yù)分選效果，與常見的旋流器一樣，預(yù)分選結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕桶內(nèi)有內(nèi)旋流區(qū)域和外旋流區(qū)域這2個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域。如果物料進(jìn)入到內(nèi)旋流區(qū)域，基本沒有分選效果；如果物料進(jìn)入外旋流區(qū)域會(huì)立即產(chǎn)生分選作用，并可減少入料口短路和湍流的影響。如果所有原煤都由潤(rùn)濕桶外旋流區(qū)域給料，則會(huì)大大提高預(yù)分選結(jié)構(gòu)的處理能力。因此，為了優(yōu)化入料方式，采用潤(rùn)濕桶前設(shè)置分料盤的措施，使物料充分分散，落點(diǎn)位于潤(rùn)濕桶內(nèi)的外旋流區(qū)域，促進(jìn)物料及時(shí)分選。

2.1.2 潤(rùn)濕管管路設(shè)置

代池壩選煤廠的雙給介無壓三產(chǎn)品重介旋流器設(shè)置了大合介和小合介2條管路，沿切線方向給入重介質(zhì)旋流器。預(yù)分選結(jié)構(gòu)的分選效果與介質(zhì)液的離心力大小密切相關(guān)，離心力Fc計(jì)算見式(1)：

(1)

式中：Fc——離心力，N；

m——顆粒質(zhì)量，kg；

Vt——介質(zhì)液的切向速度，m/s；

R——旋流器直徑，mm。

介質(zhì)液的切向速度Vt計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：K——修正系數(shù)，由入口流道的阻力損失決定；

g——重力加速度，m/s2；

H——給料壓力，MPa。

由式(1)和式(2)可知，入料壓力越大離心力越大，預(yù)分選效果也越好。改造前重介旋流器管路系統(tǒng)中設(shè)置的大合介泵流量Q1為1000 m3/h，揚(yáng)程為45 m；小合介泵流量Q2為400 m3/h，揚(yáng)程為55 m。原設(shè)計(jì)中預(yù)分選結(jié)構(gòu)的介質(zhì)液來自大合介泵管路，當(dāng)考慮管道沿程損失等不可逆損失后，預(yù)分選結(jié)構(gòu)內(nèi)的出口壓力往往不足0.2 MPa。這將導(dǎo)致介質(zhì)液的切向速度過低、介質(zhì)量少，潤(rùn)濕效果和預(yù)分選效果變差，進(jìn)而造成預(yù)分選結(jié)構(gòu)內(nèi)物料發(fā)生堵塞。因此，為了提高預(yù)分選結(jié)構(gòu)的介質(zhì)液出口壓力并同時(shí)節(jié)約改造成本，提出將預(yù)分選結(jié)構(gòu)介質(zhì)液接口改接至小合介泵管路系統(tǒng)的改造措施，并將潤(rùn)濕管加工成兩部分，通過法蘭連接，既方便維修，又克服了改造前整根潤(rùn)濕管堵塞后拆卸困難的問題。

2.1.3 介質(zhì)液進(jìn)料方向

預(yù)分選結(jié)構(gòu)的處理能力不僅和介質(zhì)液的切向速度有關(guān)，軸向速度也是影響重介質(zhì)旋流器處理能力的重要因素。介質(zhì)液軸向速度越大，煤質(zhì)混合液的通過能力越強(qiáng)，入料流量越大，重介質(zhì)旋流器的處理性能越好。在出口壓力不變的條件下，預(yù)分選結(jié)構(gòu)內(nèi)介質(zhì)液的切向速度和軸向速度的分配取決于介質(zhì)液的進(jìn)入角度。根據(jù)流體在圓形容器內(nèi)形成向下的外螺旋流的螺旋角θ表達(dá)式見式(3)：

(3)

式中：θ——螺旋角，(°)；

h——入口到底流口的垂直距離，m。

經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，選煤廠預(yù)分選入口到底流口的垂距h和給料壓力H分別為0.835 m和0.264 MPa，由式(3)可知螺旋角θ為5.1°。考慮到摩擦因素的影響，預(yù)分選結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的流體螺旋角實(shí)際值小于5.1°。在相同給料壓力下對(duì)0°和5°兩種入料角的切向速度分布如圖1所示。A-A截面處切向速度分布如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

圖2 A-A截面處切向速度分布圖

由圖1和圖2可以看出，在2種入料角度下，旋流器的切向速度沿器壁向中心逐漸增大，與半徑成反比，達(dá)到最大值后便迅速減??；而在相同徑向位置，特別是在主要分選區(qū)域，5°給料方式旋流器的切向速度比水平給料方式下的切向速度高，物料受到的離心力更大。因此，介質(zhì)液選擇5°進(jìn)入預(yù)分選結(jié)構(gòu)，將有利于增強(qiáng)其分選能力。

2.1.4 增加結(jié)構(gòu)的耐磨性

重介質(zhì)旋流器選煤工藝是利用重介質(zhì)懸浮液的高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)物料分選的，高濃度介質(zhì)液和高速旋轉(zhuǎn)是系統(tǒng)的必備條件，因此不可避免存在對(duì)設(shè)備和管道的磨損。為了增加預(yù)分選效果、減少堵塞，預(yù)分選結(jié)構(gòu)接入小介質(zhì)泵，這增大了入料的壓力同時(shí)也增加了磨損，所以需要增加預(yù)分選結(jié)構(gòu)的耐磨性能。經(jīng)過考察研究，最后決定采用耐磨陶瓷片粘貼于鋼結(jié)構(gòu)表面上作為保護(hù)層，以延長(zhǎng)預(yù)分選結(jié)構(gòu)的壽命。

由以上分析可知，為了提高預(yù)分選結(jié)構(gòu)的處理能力，可采取的主要措施包括：

(1)設(shè)置分料盤，優(yōu)化原煤入料方式，使物料充分分散，落點(diǎn)位于潤(rùn)濕桶內(nèi)的外旋流區(qū)域，促進(jìn)物料及時(shí)分選；

(2)潤(rùn)濕管接口設(shè)置在小合介泵管路系統(tǒng)，引介質(zhì)液進(jìn)入預(yù)分選結(jié)構(gòu)，優(yōu)化潤(rùn)濕管路系統(tǒng)；

(3)將環(huán)形潤(rùn)濕管加工為兩段，克服改造前潤(rùn)濕管堵塞拆卸困難的問題，便于檢查維修；

(4)介質(zhì)液改水平切線入料為5°傾角切線入料，優(yōu)化預(yù)分選結(jié)構(gòu)內(nèi)介質(zhì)液的進(jìn)入方式；

(5)改用耐磨陶瓷材料(剛玉)做面層，改善潤(rùn)濕桶內(nèi)表面的耐磨性能，延長(zhǎng)預(yù)分選結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2.2 高頻篩優(yōu)化

為了解決原高頻篩篩板和篩面結(jié)合不脹緊導(dǎo)致的高頻篩跑粗和使用壽命短的問題，優(yōu)先考慮采用焊接篩板。但是一般焊接篩板開孔率低，篩上物水分高，對(duì)細(xì)粒煤回收粒度不容易控制，處理量小，還可能會(huì)導(dǎo)致篩面跑水、產(chǎn)品灰分偏高等問題。為了改善焊接篩板的性能，采用進(jìn)口耐磨材料制成的小篩條，小篩條背寬為1.0～1.2 mm，開孔率可提升近1倍，而且使用壽命將大大增加，使焊接篩板替代昂貴的復(fù)合篩板成為可能。將篩板做成聚氨酯包邊的形式，側(cè)面的壓篩木由硬木改為聚氨酯材質(zhì)，楔子由硬木改為高分子聚乙烯材質(zhì)。這樣可以將側(cè)邊篩框以及篩板接觸處有效壓緊，進(jìn)而有效地解決現(xiàn)在存在的高頻篩跑粗問題。為了提高高頻篩的脫水能力，將篩機(jī)的出料端抬高，由原來水平(δ=0°)改為負(fù)角度(δ=-2°)出料，使物料在出料端形成爬坡效果。同時(shí)將固定篩板的平板式壓篩鋼板改為擋水式壓篩鋼板，避免物料通過弧形篩面后致使物料速度過快，有效地增加物料通過篩面的時(shí)間以保證對(duì)物料進(jìn)行充分脫水。高頻振動(dòng)篩的改造前和改造后的篩面結(jié)構(gòu)示意如圖3和圖4所示。

圖3 高頻振動(dòng)篩改造前的篩面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 高頻振動(dòng)篩改造后的篩面結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 皮帶秤的測(cè)速及運(yùn)輸方式優(yōu)化

為了對(duì)整個(gè)重介洗選系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控，首先需對(duì)入洗量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。皮帶秤的測(cè)速準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到皮帶秤的實(shí)際稱重精度，因此針對(duì)皮帶秤的測(cè)速裝置進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)改造。改造后的電子皮帶秤整體結(jié)構(gòu)與測(cè)速托輥的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電子皮帶秤整體結(jié)構(gòu)與測(cè)速托輥結(jié)構(gòu)

該裝置通過安裝在測(cè)速輥筒下的霍爾元件感應(yīng)裝在測(cè)速輥筒表面的磁鋼運(yùn)轉(zhuǎn)速率，并發(fā)出信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)速的目的。為了防止震動(dòng)影響測(cè)量精度，可設(shè)置多個(gè)固定架和限位板。測(cè)速裝置的優(yōu)化升級(jí)，使得原煤入洗量的測(cè)量更加精確。同時(shí)為了適應(yīng)頻繁的大負(fù)荷變動(dòng)，代池壩選煤廠擬采用永磁直驅(qū)電機(jī)(PMSM)傳動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜工況。相較于原來的“電機(jī)+液力耦合器+減速驅(qū)動(dòng)”的模式，永磁直驅(qū)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)零速度軟啟動(dòng)，使帶式輸送機(jī)重載軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過程可控；實(shí)現(xiàn)智能停車，可自主協(xié)調(diào)上下級(jí)皮帶停車的同步性。

3 效益分析

采取以上措施對(duì)重介質(zhì)旋流器預(yù)分選結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化改造后，避免了物料堵塞，物料處理能力加強(qiáng)。當(dāng)潤(rùn)濕管壓力為0.28 MP時(shí)，重介質(zhì)旋流器處理能力可達(dá)300 t/h以上。經(jīng)過對(duì)精煤的污染指標(biāo)和中煤損失指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)觀察期內(nèi)精煤污染率低于5%，平均污染率1.5%；中煤平均損失率為2%；矸石損失率低于0.5%。重介質(zhì)分選系統(tǒng)的操控性能更好，能很好地適應(yīng)物料波動(dòng)的影響，有效增強(qiáng)了選煤廠的重介洗選系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，平均每班設(shè)備運(yùn)行時(shí)間達(dá)到9.5 h。預(yù)分選結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后主要項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)資料對(duì)比見表1。

根據(jù)入洗原煤150萬t/a、精煤?jiǎn)蝺r(jià)1000元/t、用電單價(jià)0.77元/(kW·h)計(jì)算，重介質(zhì)旋流器預(yù)分選系統(tǒng)優(yōu)化改造后增加精煤收入約750萬元，節(jié)約電費(fèi)約184.8萬元，共增加年收益934.8萬元。而且，當(dāng)實(shí)施高頻篩結(jié)構(gòu)改造以后，杜絕了跑粗、跑水現(xiàn)象的發(fā)生，減輕了整體洗選系統(tǒng)的負(fù)荷，降低了壓濾機(jī)、浮選機(jī)、離心機(jī)等下游工序的工作壓力，減少配件更換，增加整機(jī)壽命，同時(shí)能提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高介質(zhì)回收率，降低產(chǎn)品灰分，藥耗降低至0.82 kg/t，提升了選煤的處理能力。以焊接篩板6個(gè)月壽命計(jì)，單臺(tái)曲面篩每年可節(jié)省更換復(fù)合網(wǎng)成本約10萬元，同時(shí)減少頻繁更換篩板所需的工時(shí)約3萬元。

表1 預(yù)分選結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后主要項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)資料對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)代池壩選煤廠重介洗選系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定問題，重點(diǎn)分析了預(yù)分選結(jié)構(gòu)堵塞原因，并提出設(shè)置分料盤、改變介質(zhì)液切入角等優(yōu)化改造措施；同時(shí)針對(duì)高頻篩跑粗和帶式輸送機(jī)負(fù)荷監(jiān)控不準(zhǔn)確等問題，提出相應(yīng)的設(shè)備優(yōu)化與改進(jìn)措施。改造實(shí)施后，有效提高重介分選系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，增加設(shè)備使用壽命，節(jié)約了煤炭洗選成本，提高了煤炭洗選經(jīng)濟(jì)效益。改造措施可為其他重介質(zhì)分選設(shè)備及煤炭洗選工藝的改進(jìn)提供參考。