湯義春，丁光耀，徐國鵬，徐英芳，郭建偉，魏松陽

(北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

1 前 言

隨著我國煉焦煤資源的減少，煤炭質(zhì)量不斷下降，含矸量高于50%的原煤已較常見，高達70%的亦不罕見[1-3]。為滿足大型、特大型選煤生產(chǎn)系統(tǒng)急需超大處理能力、超強排矸能力以及高效節(jié)能重介質(zhì)旋流器的要求，北京國華科技集團在3GHMC(3HMC)系列無壓(有壓)給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的經(jīng)驗基礎上，2014年成功研發(fā)出超大處理能力和排矸能力的S-3GHMC系列超級重介質(zhì)旋流器[4-6]。

2 S-3GHMC型超級旋流器的結(jié)構(gòu)與工作原理

S-3GHMC型超級旋流器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 S-3GHMC型超級旋流器結(jié)構(gòu)示意

S-3GHMC型超級旋流器基本遵循3GHMC型系列無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)形式，由第一段圓筒形和第二段圓筒圓錐形旋流器串聯(lián)組成。其工作過程是重懸浮液以設定的工作壓力沿切線方向進入第一段旋流器，原料煤則從另一端沿軸線以無壓自重方式給入，在離心力作用下，密度大于重懸浮液密度的物料向旋流器器壁方向移動，在外螺旋流的軸向速度作用下沿切向進入第二段圓筒圓錐形旋流器，而密度小于重懸浮液密度的物料則趨向空氣柱，并隨著中心內(nèi)螺旋由溢流管排出；經(jīng)過離心力場濃縮的密度較高、粒度較粗的重介質(zhì)隨同第一段的中、高密度物料一起進入第二段旋流器，分選過程基本與第一段類似，最后，高密度物料從底流口排出，而中密度物料則從第二段溢流口排出，從而完成分選過程[7-10]。

3 超級無壓給料重介質(zhì)旋流器技術(shù)特點

為了大幅度提高重介質(zhì)旋流器的處理能力，超級無壓給料重介質(zhì)旋流器具有以下技術(shù)特點：

(1)減小旋流器內(nèi)的阻力，確保入料、排料通暢及原料煤中不同密度物料以更準確和快捷的路線分別進入旋流器內(nèi)的高、低密度區(qū)；

(2)在確保高精度分選的前提下，根據(jù)原料煤可選性等級和精煤質(zhì)量要求適當提高入料的固液比；

(3)通過對無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，大幅度調(diào)整一、二段旋流器直徑比和二段旋流器錐比；

(4)取消二段旋流器分選密度在線調(diào)節(jié)裝置；

(5)依據(jù)入料量、排矸量和入料最大粒度，加大入料口、排矸口的面積，特別是一、二段旋流器連接口尺寸，以減小入料、出料的阻力損失，基本杜絕了過大塊堵塞旋流器的事故。

4 超級旋流器在仲恒選煤廠的應用效果

貴州盤縣仲恒選煤廠設計處理能力1.5 Mt/a，原使用3GHMC1200/850型不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器入選50～0 mm粒級原料煤，2016年底實施技術(shù)改造，采用S-3GHMC440/260超級旋流器取代3GHMC1200/850型三產(chǎn)品重介旋流器。隨后并對S-3GHMC440/260型進行了單機工藝技術(shù)指標測試。

4.1 粒度特征

原料煤粒度組成見表1，粒度特性曲線如圖2所示。

表1 原料煤粒度組成

圖2 大于0.50 mm粒級原料煤粒度特性曲線

由表1、圖2可知：

(1)原料煤灰分高達52.39%，屬高灰分煤；

(2)大于25 mm粒級為主導粒級，產(chǎn)率為31.20%，且含有大量矸石，灰分高達78.20%；

(3)粒度特性曲線呈凹形，總體上來看，原料煤仍然偏細。

4.2 可選性

計算原料煤密度組成見表2，可選性曲線如圖3所示。

圖3 大于0.50 mm綜合粒級計算原料煤可選性曲線

由表2、圖3可知：

(1)大于1.90 kg/L密度級產(chǎn)率近60%，灰分高至85.64%，說明煤層圍巖和夾矸碳化程度輕，含矸量特大，屬劣質(zhì)煤。

(2)浮物曲線基本是由2條斜率不同的斜直線所組成的曲線，曲線的弧形段在1.40～1.45 kg/L之間，這也是確定精煤數(shù)質(zhì)量的合理區(qū)間。

(3)精煤產(chǎn)率低，當重選精煤灰分9.33%時，理論精煤產(chǎn)率僅為27.80%，此時理論分選密度為1.43 kg/L，δ±0.1含量(扣矸)32.97%，屬難選等級。

5 工藝指標

參照《選煤用重介質(zhì)旋流器工藝性能試驗方法及判定規(guī)則》(GB/T 35054—2018，下同)，對仲恒選煤廠超級重介質(zhì)旋流器單機測試的工藝指標進行如下簡要分析。

表2 大于0.50 mm綜合粒級計算原料煤密度組成

5.1 原料煤及選后產(chǎn)物密度組成

原料煤及選后產(chǎn)物密度組成見表3。從表3可看出：

(1)從高含矸、灰分為56.98%的劣質(zhì)煤中分選出了產(chǎn)率為26.67%、灰分為9.33%的優(yōu)質(zhì)煉焦精煤，而且精煤中不混雜任何大于1.55 kg/L密度級的高灰分物質(zhì)，表征精煤質(zhì)量良好；

(2)中煤里混雜大于1.80 kg/L密度級矸石量微乎其微，中煤灰分僅為32.92%，發(fā)熱量良好；

(3)矸石中不混雜大于1.60 kg/L密度級的煤炭，灰分高達83.29%，實屬純矸石。

5.2 數(shù)量效率

精煤數(shù)量效率是最為直觀反映一段旋流器分選精度的工藝指標。其定義是灰分相同條件下，實際精煤產(chǎn)率與理論精煤產(chǎn)率的百分比值；中煤數(shù)量效率是最為直觀反映二段旋流器分選精度的工藝指標。其定義是灰分相同條件下，實際中煤產(chǎn)率與理論中煤產(chǎn)率的百分比值[11]。

表3 原料煤及選后產(chǎn)物密度組成

由圖3可查得，理論精煤產(chǎn)率為27.80%，則精煤數(shù)量效率η1c=95.94%。

由表3可計算出二段旋流器入料的密度組成(見表4)，據(jù)表4可繪制二段入料的中煤產(chǎn)率與灰分關(guān)系曲線(見圖4)。

由圖4查得：當中煤灰分為32.92%時，理論中煤產(chǎn)率為10.86%，實際中煤產(chǎn)率為9.92%，則二段旋流器中煤數(shù)量效率為91.35%；二段入料灰分高達76.48%，在很多選煤廠視為可廢棄的矸石，該廠從其中分選出了13.53%(占二段入料)的灰分為32.92%的優(yōu)質(zhì)中煤；表現(xiàn)了二段旋流器高效分選的性能。

表4 二段旋流器入料的密度組成

圖4 二段入料中煤產(chǎn)率與灰分關(guān)系曲線

5.3 可能偏差

產(chǎn)物中某一密度級的數(shù)量與原料煤中該密度級數(shù)量的百分比值稱為分配率。超級旋流器的一、二段分配率見表5。

表5 超級旋流器的分配率

分配曲線是不同密度級在某一產(chǎn)物中的分配率的圖示，是表示分選效果的特征曲線，超級旋流器的分配曲線見圖5。從該圖可直觀看出這2條曲線的中段是趨向于垂直的線段。在理想條件下，分配曲線是通過分配密度的垂直于橫坐標的直線，在單機測試中獲得的分配曲線越趨向于垂線，則表征分選精度越高[12]，其量化指標為可能偏差。

圖5 分配曲線

可能偏差是表示分選精度的指標，其計算方法是分配曲線上相應分配率為75%和25%的密度值之差的一半。分配密度是分配曲線上相當于分配率50%的密度。由圖5查得，重介質(zhì)旋流器一段實際分選密度為1.41 kg/L，二段分選密度為1.708 kg/L，一段可能偏差Epm1=0.022 kg/L，二段可能偏差Epm2=0.034 kg/L。這2個可能偏差值是極小的。

5.4 選后產(chǎn)物的浮沉指標

《選煤用重介質(zhì)旋流器工藝性能試驗方法及判定規(guī)則》中要求按照《煤炭浮沉試驗方法》(GB/T 478最新版本)對重介質(zhì)旋流器分選的精煤、中煤、矸石進行浮沉試驗的4項指標作了規(guī)定，也作為判定分選精度的指標。各指標定義如下：

中煤帶矸石量(%)：中煤產(chǎn)物在密度為1.80 kg/L重液中沉物產(chǎn)率；

精煤帶矸石量(%)：精煤產(chǎn)物在密度為1.80 kg/L重液中沉物產(chǎn)率；

矸石帶煤量(%)：矸石產(chǎn)物在密度為1.80 kg/L重液中浮物產(chǎn)率；

中煤帶精煤量(%)：中煤產(chǎn)物在密度為分選密度的重液中浮物產(chǎn)率[13]。

根據(jù)表3可知：中煤帶矸石量為4.68%，精煤帶矸石量為0；矸石帶煤量為0.79%，中煤帶精煤量為4.35%，均是先進的指標。

S-3GHMC440/260型超級無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器工藝性能評定報告見表6。

表6所列指標表明：S-3GHMC型超級旋流器對仲恒選煤廠難選煤分選效果良好，對于大于0.5 mm綜合粒級原料煤，該旋流器一、二段的可能偏差值分別為0.022 kg/L、0.034 kg/L；精煤數(shù)量效率為95.94%，中煤數(shù)量效率91.35%；高于《選煤用重介質(zhì)旋流器工藝性能試驗方法及判定規(guī)則》的界定；精煤帶矸等4項指標也均小于判定規(guī)則，精煤帶矸、矸石帶煤小于1.0%、中煤帶精不大于5.0%；表明分選精度高。

表6 重介質(zhì)旋流器工藝性能評定報告表

6 數(shù)據(jù)可靠性

為保證可能偏差值的可靠性，《煤用重選設備工藝性能評定方法》(GB/T 15715—2014)在煤樣進浮沉試驗時，明確要求配置7個以上密度級的重液。本次重介質(zhì)旋流器單機檢測的試驗中配置了10個密度級，提高了數(shù)據(jù)的精度。

在本次單機檢查試驗的全過程中，嚴格遵守相關(guān)操作的要求，盡量減少試驗誤差。對于選煤廠重介分選，試驗均方差σ應小于臨界值1.40。本試驗的均方差計算表見表7[14]。

表7 均方差計算表

均方差計算公式如下：

其中，N為浮沉試驗產(chǎn)物數(shù)；M：分選產(chǎn)物數(shù)；Δ為各密度級的離差。

計算可得σ=0.46，小于臨界值1.40，說明數(shù)據(jù)準確、可靠、可信、有效。

7 技術(shù)經(jīng)濟指標

7.1 處理能力

重介質(zhì)旋流器的處理能力主要取決于一段旋流器直徑D，且與D的2.2次方成正比，即：

T=kD2.2

式中：T為處理能力，t/h；D為一段旋流器直徑，m。

因此國內(nèi)外習慣用k值來表征重介質(zhì)旋流器處理能力特征。經(jīng)檢索，國內(nèi)外知名品牌三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的k值列于表8。

表8顯示S-3GHMC型超級旋流器的k值為408，是國內(nèi)外知名品牌三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器平均k值200的2.04倍，是我國著名品牌3GHMC型的1.81倍，表明S-3GHMC型具有超大處理能力特征。

仲恒選煤廠原先使用的是3GHMC1200/850型重介質(zhì)旋流器，其一段旋流器內(nèi)徑為1 200 mm，二段旋流器圓柱筒內(nèi)徑為850 mm，實際處理能力為284 t/h，而取代它的S-3GHMC440/260型超級旋流器一段旋流器內(nèi)徑為1 000 mm，二段旋流器圓柱筒內(nèi)徑為820 mm，設備體積減小了，而實際處理量為408 t/h，提高了43.7%。

表8 國內(nèi)外知名品牌三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的系數(shù)k值

超級旋流器的入料及各產(chǎn)品的過流斷面，經(jīng)優(yōu)化均已增大，保證了處理量的提高，尤其是一段旋流器與二段旋流器連接管更為通暢，提高了排矸能力，可從根本上杜絕過大塊物料的堵塞事故。

7.2 噸煤電耗

重介質(zhì)旋流器的噸煤電耗是指單位時間內(nèi)合格介質(zhì)泵正常工作的用電量(kW·h)與入選原料煤量(t)的比值。

經(jīng)實測，技改后仲恒選煤廠S-3GHMC440/260型旋流器噸煤電耗0.93 kW·h，技改前3GHMC1200/850型旋流器噸煤電耗為1.09 kW·h，噸煤電耗降低0.16 kW·h，節(jié)能17.2%。

8 結(jié) 語

仲恒選煤廠成功應用S-3GHMC型超級旋流器后，其生產(chǎn)指標優(yōu)異，處理能力得到大幅度提升，根本上杜絕了旋流器堵塞事故的發(fā)生，生產(chǎn)時間得以延長，系統(tǒng)的可靠性大大提高；增大了入料粒度上限；在原煤入選量提高的同時，精煤產(chǎn)率得到了提高，節(jié)約了資源；降低了噸煤電耗，節(jié)約了噸煤加工成本，符合國家“節(jié)能降耗”優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的大政方針。S-3GHMC型超級旋流器的成功應用，在給仲恒選煤廠帶來巨大經(jīng)濟社會效益的同時，也對整個選煤行業(yè)起到了示范作用。