劉洵文，方治民

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

1 引 言

煤矸石是煤炭在開采和洗選加工過程中排放的固體廢物，主要包括煤礦井下掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的掘進(jìn)矸石、采掘過程中從頂板、底板及夾層中開采出的矸石以及原煤在洗選加工過程中選出的矸石。煤矸石的主要成分是Al2O3和SiO2，另外還含有少量的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3以及一些微量稀有元素[1]。選煤廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石如果不加以利用，不僅會(huì)污染水質(zhì)，自燃后會(huì)生成有害氣體污染空氣。大量堆積的煤矸石侵占了越來越多礦區(qū)居民的生活用地，構(gòu)成了對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的雙重破壞[2]。我國煤矸石發(fā)電最早始于20世紀(jì)70年代，煤矸石用來發(fā)電不僅可解決煤矸石占用土地、污染環(huán)境的問題，最大限度凸顯煤矸石的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。將煤矸石用于發(fā)電，不僅可有效解決煤矸石資源長(zhǎng)期大量堆存的問題，同時(shí)還有助于保護(hù)環(huán)境。目前，以劣質(zhì)煤炭資源、煤矸石為主的流化床燃燒發(fā)電供熱技術(shù)發(fā)展十分迅速[3]。煤制油選煤廠是國能神東洗選中心下設(shè)的一座礦井型選煤廠，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。2008年8月建成投產(chǎn)，處理原煤能力6.0 Mt/a，負(fù)責(zé)國家“十五”計(jì)劃重點(diǎn)工程神華煤直接液化項(xiàng)目燃料煤的洗選加工任務(wù)。洗選工藝為重介旋流器全末煤入洗，主要分選設(shè)備為有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，分選粒度為1.5～30 mm，分選出精煤和矸石。精煤作液化用煤，矸石用于發(fā)電。產(chǎn)品利用率達(dá)到100%，洗水實(shí)現(xiàn)了一級(jí)閉路循環(huán)。該廠生產(chǎn)的煤矸石主要是碳質(zhì)、泥質(zhì)和砂質(zhì)頁巖的混合物，含炭量20%～30%，具有低發(fā)熱值、粒度較大、硬度整體偏高等特點(diǎn)[4]。鄂爾多斯煤制油分公司是國家能源集團(tuán)化工有限公司全資子公司，隸屬于國家能源集團(tuán)，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，公司采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的神華煤直接液化工藝，以煤炭為原料，通過化學(xué)加工過程生產(chǎn)石油，石化產(chǎn)品，是目前世界上居領(lǐng)先地位的現(xiàn)代化大型煤炭直接液化工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)。該公司下屬熱電中心位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)馬家塔村煤直接液化項(xiàng)目廠區(qū)西南角，廠址地形特征為風(fēng)積沙丘地貌，原始地形為北高南低，西高東低，現(xiàn)場(chǎng)地大部分己整平，地面整平標(biāo)高為1 176.40～1 171.10 m。目前，鄂爾多斯煤制油分公司熱電中心已經(jīng)運(yùn)行兩年有余，但熱電中心來料洗后矸石粒度超限對(duì)熱電中心的正常生產(chǎn)造成較大影響，急需對(duì)來料系統(tǒng)中的矸石破碎系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 煤矸石粒度超限分析

2.1 煤矸石粒度超限原因

鄂爾多斯煤制油分公司熱電中心所用原煤，一部分通過自卸車進(jìn)廠后，經(jīng)環(huán)錘式破碎機(jī)(進(jìn)料粒度≤300 mm，出料粒度≤30 mm)破碎，通過帶式輸送機(jī)輸送至直徑22 m的萬噸熱電廠原煤倉中；另一部分是來自選煤廠的煤矸石(粒度≤30 mm)。來自自卸車的原煤和來自選煤廠的煤矸石在熱電廠原煤倉中混合后通過葉輪給料機(jī)、膠帶輸送機(jī)至細(xì)碎車間細(xì)煤篩篩分后進(jìn)入錘式破碎機(jī)破碎待用，細(xì)碎錘式破碎機(jī)進(jìn)料粒度≤30 mm，出料粒度≤10 mm。表1示出在熱電中心膠帶輸送機(jī)采樣篩分試驗(yàn)后得到的煤矸石粒度組成。

表1 入爐煤矸石粒度組成表

從表1可以看出，煤制油選煤廠所產(chǎn)煤矸石粒度超限率較大，最大達(dá)到150 mm，且硬度較高，進(jìn)入熱電中心細(xì)碎系統(tǒng)后嚴(yán)重影響細(xì)碎錘式破碎機(jī)的效率。篩分破碎系統(tǒng)對(duì)入洗原煤先進(jìn)行三級(jí)破碎，破碎機(jī)均為雙齒輥式破碎機(jī)。一級(jí)破碎粒度到150 mm，二級(jí)粒度到75 mm，三級(jí)破碎粒度到30 mm，根據(jù)工藝要求，選煤廠提供的矸石粒度應(yīng)為0～30 mm。但由于原煤全部入洗，洗后矸石由選煤廠通過帶式輸送機(jī)運(yùn)至熱電中心原煤倉。破碎后煤矸石的形狀主要以扁平狀為主，長(zhǎng)度方向超限嚴(yán)重，選煤廠為減少末煤入洗量和次生煤泥量對(duì)煤矸石產(chǎn)品粒度控制較差。造成提供給電廠的矸石粒度超限，導(dǎo)致入爐矸石粒度超標(biāo)。

2.2 煤矸石粒度超限對(duì)熱電中心的影響

發(fā)電用煤矸石的主要要求是含炭量較高，一般為煤巷掘進(jìn)矸石和洗矸石，通過簡(jiǎn)易洗選，利用跳汰或旋流器等設(shè)備可回收低熱值煤，供作電廠鍋爐燃料[5]。煤矸石發(fā)電通常采用混燒的方式，主要有煤矸石和煤泥漿混燒、煤矸石和煤泥餅混燒，煤泥加入可以采用機(jī)械方式輸送、擠壓泵與管道混合輸送及泵送方式，鍋爐采用流化床和循環(huán)流化床。產(chǎn)生的熱量既可以發(fā)電，也可以用作采暖供熱[6]。

對(duì)入爐煤矸石不同粒級(jí)的灰分和發(fā)熱量測(cè)試結(jié)果見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，大粒度級(jí)的煤矸石灰分含量也較高，發(fā)熱量較低。熱電廠在生產(chǎn)運(yùn)行過程中由于煤矸石灰分較高會(huì)導(dǎo)致鍋爐不斷積灰，鍋爐的受熱面積灰厚度會(huì)嚴(yán)重影響到鍋爐的熱效率。同時(shí)在熱電廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中大塊煤矸石由于沒有充分燃燒導(dǎo)致部分細(xì)煤屑被上升的煙氣流攜帶而離開鍋爐中的沸騰層，同時(shí)一些較大的煤粒尚未燃燒就被上升的氣泡所夾帶，在沸騰層界面因氣泡破裂飛濺而彈離沸騰層。這種生產(chǎn)現(xiàn)狀也嚴(yán)重影響了鍋爐的熱效率，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)鍋爐的使用壽命也會(huì)有一定程度的影響。

表2 入爐煤矸石質(zhì)量分析結(jié)果

熱電中心煤矸石粒度超限會(huì)導(dǎo)致細(xì)碎車間破碎效果較差。該細(xì)碎車間采用錘式破碎機(jī)，入料矸石硬度較大會(huì)導(dǎo)致破碎機(jī)磨損嚴(yán)重，增加了后期設(shè)備維修費(fèi)用。錘式破碎機(jī)工作效果差會(huì)造成細(xì)碎后的煤矸石無法滿足入爐煤粒度和灰分要求，導(dǎo)致鍋爐燃燒不穩(wěn)定，造成整體煤耗偏高，增加了不必要的原材料消耗。進(jìn)入鍋爐的煤矸石粒徑比例超標(biāo)會(huì)使得流化風(fēng)量加大，造成電機(jī)電耗加大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。流化風(fēng)量加大也會(huì)造成鍋爐內(nèi)部磨損加大，甚至放渣管堵塞等一系列問題，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行周期急劇縮短，從而嚴(yán)重影響了鍋爐的正常、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。通過分析實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)超限粒度級(jí)煤矸石占比超過5%時(shí)，超限粒度級(jí)煤矸石占比每增加1%會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加約0.34%[7]。

3 破碎系統(tǒng)工藝改造方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件和輸送工藝，需要在選煤廠洗后矸石運(yùn)輸過程中增加破碎系統(tǒng)，以控制產(chǎn)品矸石的粒度。 通過對(duì)選煤廠篩分破碎系統(tǒng)的實(shí)地考察，可以在以下4個(gè)位置點(diǎn)新增破碎系統(tǒng)：

(1)選煤廠主廠房矸石刮板機(jī)；

(2)選煤廠矸石事故應(yīng)急倉；

(3)選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶輸送機(jī)；

(4)矸石配倉刮板輸送機(jī)。

3.1 選煤廠主廠房南側(cè)新建破碎站

在選煤廠主廠房南側(cè)新建一個(gè)破碎站，利用破碎機(jī)將矸石粒度破碎到0～10 mm后采用帶式輸送機(jī)返回其原有系統(tǒng)，平面布置見圖1。對(duì)洗選中心主廠房?jī)?nèi)矸石刮板機(jī)機(jī)頭進(jìn)行延長(zhǎng)改造，增加轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)將矸石運(yùn)至新建的破碎機(jī)內(nèi)，破碎后的矸石由帶式輸送機(jī)運(yùn)回主廠房3層。

由于目前矸石粒度為0～150 mm，新增帶式輸送機(jī)傾角不宜大于14°，為避免超限，破碎機(jī)選用環(huán)錘式，新建破碎站為封閉式鋼結(jié)構(gòu)廠房。本方案需要對(duì)主廠房?jī)?nèi)矸石刮板機(jī)進(jìn)行延長(zhǎng)改造，對(duì)選煤廠既有生產(chǎn)系統(tǒng)造成停產(chǎn)影響。

圖1 新建破碎站平面布置示意

該方案的優(yōu)點(diǎn)是工程投資較為節(jié)省，土建施工量小，建設(shè)期較短。缺點(diǎn)是新建的破碎站會(huì)占用選煤廠區(qū)并且需要調(diào)整場(chǎng)內(nèi)道路，改造矸石刮板機(jī)及主廠房對(duì)選煤廠生產(chǎn)造成短期影響，影響周期約1個(gè)月。

3.2 選煤廠矸石事故應(yīng)急倉改造

煤制油選煤廠矸石事故應(yīng)急倉為矸石系統(tǒng)應(yīng)急時(shí)使用，一般不作為正常生產(chǎn)工藝流程部分。矸石應(yīng)急倉卸料為犁式卸料器，下口為裝車平板閘門，均不能作為正常生產(chǎn)設(shè)備使用。

如果要利用并改造矸石事故應(yīng)急倉達(dá)到破碎目的，主要有以下兩種方案：一是利用既有選煤中心內(nèi)矸石事故煤倉改裝汽車后，運(yùn)至熱電中心外來煤系統(tǒng)進(jìn)行破碎。但由于矸石用量較大，此方案運(yùn)營費(fèi)用較高，犁式卸料器僅能臨時(shí)應(yīng)急使用(需要對(duì)犁式卸料器進(jìn)行改造)，所以此方案從運(yùn)行成本上不可行；二是改造既有矸石事故煤倉下接帶式輸送機(jī)，并新增破碎間，接至熱電中心的原煤倉上，此方案外接帶式輸送機(jī)難度較大，并且工程投資較高，需要占用大量選煤廠區(qū)，故此方案不可行。

3.3 選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶機(jī)改造

煤制油選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶機(jī)作為洗后矸石進(jìn)入電廠前的主要運(yùn)輸設(shè)備，膠帶機(jī)的頭部、中部及尾部均能夠作為增加破碎系統(tǒng)的可靠位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，入倉矸石膠帶機(jī)為全程高架棧橋，平均高度約為50 m，基本水平，由北向南平行于3個(gè)原煤倉方向。而原煤倉倉下回煤帶式輸送機(jī)位于入倉帶式輸送機(jī)正下方，利用2臺(tái)帶式輸送機(jī)棧橋交點(diǎn)位置設(shè)置中部卸料及破碎系統(tǒng)。

本方案設(shè)計(jì)主要思路是在交點(diǎn)位置入倉帶式輸送機(jī)設(shè)置卸料裝置(犁式卸料器或固定式卸料車)，卸料后將矸石通過溜槽喂給進(jìn)環(huán)錘破碎機(jī)，將矸石破碎至粒度0～10 mm后落入矸石倉內(nèi)，矸石倉為利用既有高度形成的工藝緩沖倉，矸石倉下設(shè)4臺(tái)振動(dòng)給料機(jī)，兩兩對(duì)應(yīng)既有的2臺(tái)回煤帶式輸送機(jī)將矸石運(yùn)輸至熱電中心細(xì)碎車間。

圖2 方案3工藝流程示意

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于僅需改造入倉矸石帶式輸送機(jī)，在其中部增加卸料裝置，對(duì)帶式輸送機(jī)功率等無任何影響。如采用犁式卸料器方式，基本對(duì)矸石系統(tǒng)生產(chǎn)無任何影響。如采用固定式卸料車卸料方式，需要將既有帶式輸送機(jī)輸送帶斷開后，增加輸送帶重新硫化輸送帶，此期間需要利用停產(chǎn)檢修時(shí)間，窗口期大致為7～10 d。破碎系統(tǒng)選用環(huán)錘破碎機(jī)，破碎機(jī)位于較高位置，采用緩沖床以減少其震動(dòng)荷載。倉下為原回煤帶式輸送機(jī)走廊，其柱距跨度為8.9 m，為不影響電廠正常生產(chǎn)，增減破碎矸石倉跨于既有回煤帶式輸送機(jī)走廊上。利用上倉帶式輸送機(jī)棧橋高架高度，產(chǎn)生新建矸石倉，矸石倉有效容量3 500 t，約為電廠3.5 d的矸石用量，可以作為永久矸石儲(chǔ)存?zhèn)}使用，并且具有緩沖的功能。

3.4 矸石配倉刮板輸送機(jī)改造

通過實(shí)地考察，利用矸石配倉刮板輸送機(jī)進(jìn)行破碎系統(tǒng)改造需延長(zhǎng)并轉(zhuǎn)載至新建帶式輸送機(jī)，同時(shí)需要新建矸石破碎倉，還需要建設(shè)距離較長(zhǎng)的返回帶式輸送機(jī)，并建設(shè)轉(zhuǎn)載站轉(zhuǎn)載至倉下帶式輸送機(jī)。相比方案3，工藝系統(tǒng)更冗雜、施工周期長(zhǎng)、項(xiàng)目投資較多、占地面積大，且均為新建項(xiàng)目，施工難度較高，土建施工對(duì)選煤廠和熱電中心的生產(chǎn)影響周期較長(zhǎng)，故不對(duì)其進(jìn)行闡述。

4 改造方案確定分析

綜合比較，選煤廠至熱電中心入倉矸石膠帶機(jī)改造方案是最可行的方案。通過改造上倉矸石帶式輸送機(jī)，中途卸載后新建矸石破碎倉，實(shí)現(xiàn)矸石破碎功能。該方案占地小，完全可以在熱電中心廠區(qū)內(nèi)施工完成。矸石倉儲(chǔ)量能夠滿足熱電中心3.5 d的儲(chǔ)量要求，無需轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)就能返回至細(xì)碎帶式輸送機(jī)。

熱電中心每年年檢時(shí)，三爐兩機(jī)維護(hù)時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)，停產(chǎn)時(shí)間一般為10～15 d。在此期間，選煤廠還會(huì)將原煤及矸石提供給電廠，儲(chǔ)存在原煤倉內(nèi)，由于新建破碎矸石倉容量?jī)H能維持3 d左右，所以方案3還不能滿足電廠年檢時(shí)用煤的要求。依據(jù)以上原因，還需要將破碎后的矸石運(yùn)至原萬噸矸石倉內(nèi)，才能滿足此要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，破碎后的矸石位于新建矸石倉的最下層，由于新建矸石倉與原煤倉距離較近，需要接近垂直提升設(shè)備才能將矸石運(yùn)輸至原矸石倉內(nèi)。目前國內(nèi)常見的垂直提升設(shè)備主要有波紋檔邊帶式輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)以及壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)。波紋擋邊帶式輸送機(jī)主要由波狀擋邊輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)滾筒、改向滾筒、壓帶輪(輥)、托輥、防偏輥、清掃裝置、拉緊裝置、機(jī)架、導(dǎo)料槽、卸料溜槽、電氣及安全保護(hù)裝置等部件組成[8]。目前波紋擋邊帶式輸送機(jī)在煤炭領(lǐng)域使用較少，主要原因是煤炭運(yùn)輸過程中與輸送機(jī)帶面接觸磨損較多，而波狀擋邊橡膠帶比普通平面橡膠帶使用壽命短，后期使用過程中維護(hù)量較大。同時(shí)該輸送機(jī)的尾部水平段向上拐彎處、導(dǎo)料槽與膠帶的波狀擋邊之間、頭部清掃器下方容易少量灑煤，使用過程中會(huì)增加崗位工人的工作量。斗式提升機(jī)也存在設(shè)備故障率高，維護(hù)量大，難清理等缺點(diǎn)，所以一般選用管狀帶式輸送機(jī)或壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)。

根據(jù)工藝布置，由新建矸石破碎倉下至原矸石倉上，帶式輸送機(jī)提升角度達(dá)到75°，目前國內(nèi)外的工程實(shí)踐管狀帶式輸送機(jī)及壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)均能滿足此提升角度。由于此帶式輸送機(jī)角度較大，長(zhǎng)度較短，管狀帶式輸送機(jī)需要展開至成型段長(zhǎng)度，所以布置難度較大。壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)技術(shù)較為成熟，但由于工程項(xiàng)目的限制性未得到較廣泛的應(yīng)用，但此類型帶式輸送機(jī)能夠有效垂直提升散裝物料，配置與普通帶式輸送機(jī)無區(qū)別，成本與普通帶式輸送機(jī)相當(dāng)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況最終采用壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)。

壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)主要由卸載部、傳動(dòng)部、驅(qū)動(dòng)部、制動(dòng)器、逆止器、張緊裝置、機(jī)身、深槽托輥裝置以及機(jī)尾裝置等部分組成，主要是針對(duì)露天煤礦端幫大傾角提升而研發(fā)的帶式輸送機(jī)產(chǎn)品[9]。這種帶式輸送機(jī)不僅保留了帶式輸送機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且能夠達(dá)到傾角90°提升散裝物料[10]。該類輸送機(jī)由于適用的場(chǎng)合較為特殊，主要適合于利用大傾角提升來節(jié)約運(yùn)輸成本的場(chǎng)合，所以長(zhǎng)期以來實(shí)際應(yīng)用不廣泛。但是在國內(nèi)港口行業(yè)的卸船機(jī)采用過氣墊夾帶式或雙帶式壓帶帶式輸送機(jī)[11]。本項(xiàng)目由于場(chǎng)地及空間限制，采用壓帶式大傾角帶式輸送機(jī)較為合適，能夠在有限的空間內(nèi)完成近90°的大傾角提升作業(yè)，而且采用與原設(shè)備相類似的帶式輸送機(jī)設(shè)備利于操作及維護(hù)[12]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將粒度為150 mm的矸石破碎至30 mm以下，可選的破碎機(jī)為雙齒輥破碎機(jī)及環(huán)錘破碎機(jī)，能力為400 t/h。目前國產(chǎn)設(shè)備均能滿足正常使用，但是1∶5的破碎比非常接近雙齒輥破碎機(jī)1∶6破碎比的極限值，相比而言環(huán)錘破碎機(jī)的破碎比更大，破碎效果會(huì)更好，同時(shí)環(huán)錘式破碎機(jī)的過粉碎效果較好，有利于下一步細(xì)碎環(huán)節(jié)的進(jìn)行[13]。

綜合考慮，為了保證系統(tǒng)的可靠性，改造過程中將采用2臺(tái)環(huán)錘破碎機(jī)對(duì)煤矸石進(jìn)行破碎[14]。

5 結(jié) 語

煤矸石中含有一定量的中、低熱值可燃體，具有一定的發(fā)熱量，所以煤矸石發(fā)電是煤矸石綜合利用中最有效、效益最高的途徑[15]。目前我國在煤矸石資源化利用研究取得了很大的進(jìn)展，但是其綜合利用率仍不高，利用潛力巨大[16]。在礦區(qū)建設(shè)矸石電廠可以一定程度上減輕當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴竞偷叵滤廴荆€可以減少對(duì)土地的占用，又能回收部分有價(jià)值的資源[17]。如何高效率利用煤矸石進(jìn)行發(fā)電一直是煤矸石電廠的一大難題，建議礦區(qū)應(yīng)堅(jiān)持“因地制宜，積極利用”的指導(dǎo)思想，加強(qiáng)對(duì)各個(gè)煤礦出產(chǎn)煤矸石的成分、結(jié)構(gòu)、特性等基礎(chǔ)研究，合理開發(fā)利用煤矸石資源，積極提高煤矸石綜合利用的效率和科技含量[18-19]。