郭建偉，葉樹強，李亞楠，趙佳偉，鐘良棋

(1.唐山國華科技國際工程有限公司，河北 唐山 063020；(2.北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

在我國傳統(tǒng)的選煤廠工程設(shè)計中，對于工藝效果最為關(guān)鍵的設(shè)備——重力選煤設(shè)備的分選指標的確定，一貫依據(jù)原料煤的密度組成，用分配曲線的分配率來計算，從而進行預測[1，2]。

隨著煤炭洗選行業(yè)向節(jié)能、高效和精細化方向發(fā)展，選煤廠工程設(shè)計尤其對產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量的確定也必然要求更加精確，以便為工藝參數(shù)和設(shè)備選型提供更可靠的依據(jù)。為順應這種發(fā)展趨勢，提高設(shè)計水平，北京國華科技集團公司(以下簡稱“國華科技”)突破原有慣例，建立了一座三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器中試試驗平臺，對煤樣進行仿真模擬試驗，以獲得分選指標，為設(shè)計工作提供精確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 試驗平臺簡介

試驗平臺的核心是1臺無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。其一段旋流器圓柱體內(nèi)徑為200 mm，二段圓柱—圓錐形旋流器的圓柱筒體內(nèi)徑為150 mm，輔助設(shè)施有容積為3.5 m3的合格介質(zhì)桶、配套泵(型號為80D—A30)以及電動機、變頻器、壓力表等(見圖1)。

圖1 試驗平臺示意

試驗過程：① 試驗前，根據(jù)密度和煤泥含量設(shè)定要求預先配制好合格介質(zhì)；② 利用變頻器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)不同工作壓力下的分選；③ 試驗中，由專人手工調(diào)整給料漏斗下端的閘板，控制入料量，并力求均勻；④ 分選出的精煤、中煤和矸石通過各自的管道自流到合格介質(zhì)桶上端，分別通過金屬絲編制的孔徑為0.5 mm的篩網(wǎng)全部采集，經(jīng)脫介、脫泥后進行浮沉試驗。

2 印度煤樣特性

試驗平臺分選的印度動力煤煤樣由國際知名的印度“塔塔鋼鐵”集團(Tata steel)提供。

2.1 粒度組成

印度煤樣全水分為4.60%，總灰分為38.08%。其中大于13 mm粒級產(chǎn)率僅為4.24%，13～6 mm粒級產(chǎn)率最高為31.63%，是主導粒級，6～3 mm粒級和3～0.5 mm粒級產(chǎn)率相差不大，篩分煤泥(小于0.5 mm粒級)產(chǎn)率為17.15%。

原生煤泥由2部分組成，一是篩分煤泥，即由煤樣大篩分試驗獲得，二是浮沉煤泥，即大篩分的各粒級煤樣在進行浮沉試驗之前用濕法脫泥獲得。該煤樣浮沉煤泥產(chǎn)率為1.67%，灰分為37.94%。由此可計算出原生煤泥產(chǎn)率為18.53%，灰分為34.12%，屬于中等煤泥量的原料煤。印度煤樣粒度組成見表1，根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制的粒度特性曲線見圖2。

表1 粒度組成

圖2 印度煤樣粒度特性曲線

從圖2可看到，該粒度特性曲線略呈凹狀，這是散狀物料以細粒為主的特征。據(jù)計算，其平均粒徑僅為5.6 mm。另外，從表1還看出，隨粒度遞減，灰分也呈遞減的趨勢，這表征煤質(zhì)較軟易碎。

2.2 密度組成及可選性

以此繪制的計算原料煤可選性曲線見圖3，其密度組成見表2。

1—浮物累計曲線；2—灰分特性曲線；3—沉物累計曲線； 4—密度±0.1含量曲線；5—密度曲線圖3 計算原料煤可選性曲線

印度原料煤的普遍特性是可選性差[3]，此煤樣也是如此。從表2可看出，小于1.30 kg/L密度級產(chǎn)率甚少，僅為3.48%，1.30～1.40 kg/L密度級產(chǎn)率也只有12.10%，小于1.50 kg/L密度級產(chǎn)率為36.09%，灰分高至16.30%。

表2 計算原料煤大于0.5 mm綜合粒級密度組成

當要求精煤灰分為17%時，查圖3可得理論精煤產(chǎn)率為38.50%，分選密度為1.512 kg/L，分選密度δ±0.1含量(扣除大于2.0 kg/L沉矸后)為47.33%，按我國的相關(guān)標準評定其可選性等級為極難選煤。大于1.80 kg/L密度級產(chǎn)率為29.03%，灰分為69.28%，按我國的煤質(zhì)來衡量屬中等含矸量原料煤。

浮物累計和沉物累計曲線近似于斜直線，沒有我國煤種常見的曲率明顯變化的特征，這表征隨密度級增減，其灰分也是較為均勻的增減，不存在一個經(jīng)濟合理的拐點。

3 工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

采用多因素逐項測試的方法，在試驗平臺上對工作參數(shù)(旋流器工作壓力、懸浮液密度)及結(jié)構(gòu)參數(shù)(第二段旋流器底流口直徑)進行了優(yōu)化試驗。工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化試驗結(jié)果見表3。

表3 工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗數(shù)據(jù)

對比試驗結(jié)果表明，工作壓力和懸浮液密度的改變對精煤產(chǎn)率和分選精度有較大的影響。第二段旋流器選用較小的底流口直徑時，會提高分選密度，但影響矸石排出，從而污染中煤。若要同時選出灰分在16%～17%的精煤和灰分低于40%的中煤，必須適當提高工作壓力和分選密度，選擇較大的二段旋流器底流口直徑。

在產(chǎn)品指標要求下，6號試驗結(jié)果最優(yōu)，故按此工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，參照GB/T 15715《煤用重選設(shè)備工藝性能評定方法》進行試驗測定。本文就此簡介試驗指標。

4 工藝指標

原料煤、重選產(chǎn)物密度組成見表4。

從表4可看出，精煤中不存在大于1.80 kg/L密度級的矸石，矸石中僅含有微量的1.60～1.80 kg/L密度級的煤炭，中煤以1.50～1.80 kg/L密度級為主導，可初步判斷分選的精確度良好。

表4 原料煤、重選產(chǎn)物的密度組成

定量判定重介質(zhì)旋流器的工藝指標有數(shù)量效率、可能偏差和錯配量，它們從不同側(cè)面來評定重選設(shè)備的精確度。

4.1 數(shù)量效率

4.1.1 精煤數(shù)量效率

精煤數(shù)量效率是表征第一段旋流器分選效果優(yōu)劣最為直觀的指標，其含義為：實際精煤產(chǎn)率與相同精煤灰分的理論精煤產(chǎn)率的百分比值。

對于6號試驗，測得其精煤灰分為16.20%，實際精煤產(chǎn)率為34.24%，由圖3計算原料煤可選性曲線查得，相同精煤灰分的理論精煤產(chǎn)率為34.80%，則得精煤數(shù)量效率為98.39%。數(shù)量效率與原料煤可選性有直接關(guān)系，研究人員對3GHMC1500/1100型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在多座選煤廠工業(yè)性測驗指標進行過數(shù)理統(tǒng)計分析，得出數(shù)量效率與δ±0.1含量相關(guān)的回歸方程[4]為：

ηe=100-0.11(δ±0.1)

(1)

由圖3可查得，按此條件下，δ±0.1含量為42.78%，則ηe=95.29%，而印度煤樣分選的精煤數(shù)量效率優(yōu)于此計算值。這佐證了試驗平臺的分選指標是極良好的。

4.1.2 中煤數(shù)量效率

中煤數(shù)量效率是表征第二段旋流器分選效果優(yōu)劣的直觀指標，其含義是實際中煤產(chǎn)率與相同中煤灰分的理論中煤產(chǎn)率的百分比值。第二段重介質(zhì)旋流器入料的密度組成見表5，以此繪制的中煤產(chǎn)率與灰分關(guān)系曲線見圖4。

表5 第二段重介質(zhì)旋流器入料的密度組成

實際中煤灰分為38.25%，產(chǎn)率為41.64%。由圖4查得，在相同灰分條件下，理論中煤產(chǎn)率為42.50%，則得中煤數(shù)量效率為97.98%。

圖4 中煤產(chǎn)率與灰分關(guān)系曲線

4.2 可能偏差

一、二段旋流器的分配率見表6，以此繪制的分配曲線見圖5，分配曲線參數(shù)見表7。

表6 分配率

表7 分配曲線參數(shù)

圖5 分配曲線

理想狀態(tài)下分配曲線是1條垂直于橫坐標的垂線，因此從曲線的形態(tài)上看，曲線越趨近于垂線，就表征分選的精確度越高?？赡芷钍窃u定分配曲線垂直程度的量化指標，可能偏差越小，就表示其垂直程度越高，可能偏差值的計算式為：

式中：δ75——分配率為75%所對應的密度，kg/L；

δ25——分配率25%所對應的密度，kg/L。

由表7可以看出，旋流器的可能偏差值很低，尤其是一段旋流器僅為0.026 kg/L；二段旋流器的分配密度高達1.864 kg/L。由此，再次佐證三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器具備以單一低密度分選出高密度純矸石的性能。

4.3 錯配量

無壓給料三產(chǎn)品旋流器的錯配物數(shù)量計算見表8，繪制錯配物曲線見圖6、圖7。

表8 錯配物數(shù)量計算

圖6 一段錯配物曲線

圖7 二段錯配物曲線

通過圖6、圖7可查得：三產(chǎn)品旋流器的一段等誤密度1.491 kg/L、錯配物總量為5.45%；二段等誤密度1.868 kg/L、錯配物含量4.14%。

5 數(shù)據(jù)可靠性

原料煤和分選產(chǎn)物嚴格按照GB/T 478《煤炭浮沉試驗》的規(guī)定進行試驗，依照GB/T 15715《煤用重選設(shè)備工藝性能評定方法》繪制分配曲線的要求，至少要配制7個密度級的重液來做浮沉試驗。為了獲取有足夠的坐標點，使得繪制的分配曲線更為精確，試驗中配制了12個密度級重液進行浮沉試驗。原料煤和計算原料煤各密度級產(chǎn)率的均方差計算見表9。

表9 均方差計算

均方差σ計算式為：

式中：N——浮沉試驗產(chǎn)物數(shù)；M——分選產(chǎn)物數(shù)；Δ——各密度產(chǎn)物的離差，計算得σ=0.88。

煤炭本身是非均質(zhì)的散狀物料，又加之試驗過程存在不可避免的隨機誤差，重介主選設(shè)備的均方差臨界值為1.40。試驗平臺分選印度煤樣的均方差遠小于臨界值，證明了數(shù)據(jù)可靠、可信、有效。試驗平臺分選印度煤樣的工藝綜合評定結(jié)果見表10。

表10 分選印度煤樣的工藝綜合評定結(jié)果

6 結(jié) 語

本文所介紹的實驗室三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器試驗平臺與工業(yè)上使用的同類設(shè)備相比較，可謂袖珍版了，但它仿真模擬性良好。在分選印度極難選煤樣時，取得了優(yōu)異的分選效果，一、二段可能偏差分別為0.026 kg/L和0.039 kg/L，一、二段數(shù)量效率分別為98.39%和97.98%，一、二段總錯配物量分別為5.45%和4.14%。比照GB/T 35054—2018《選煤用重介質(zhì)旋流器工藝性能試驗方法及判定規(guī)則》，該試驗平臺指標均是先進的。該試驗的均方差為0.88，遠小于臨界值1.40，試驗所得數(shù)據(jù)有效、可信。

試驗平臺的使用，突破了我國傳統(tǒng)的選煤廠工程設(shè)計中用分配率來預測主選設(shè)備的分選指標的做法，可提供更為精確的數(shù)據(jù)。該試驗平臺可對不同特征的煤樣進行優(yōu)化分選工藝，以獲得最佳工藝指標，將工程設(shè)計提高到新的水平。

該試驗平臺除成功進行了印度煤樣試驗外，還對淮北礦業(yè)集團祁南選煤廠的動力煤進行試驗，更為創(chuàng)新的是以高于2.50 kg/L的密度對新疆寶明[5]和遼寧北票的油頁巖進行了分選試驗。