韓 臻

(1.山東博選礦物資源技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272073；2.陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 長(zhǎng)武 713602)

重介選煤工藝產(chǎn)生的煤泥水是個(gè)很棘手的問(wèn)題，濃度低、水量大，需要分選、分級(jí)、脫水等多個(gè)工藝環(huán)節(jié)綜合解決，煤泥的回收處理成為選煤行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前煤泥處理設(shè)備主要有水介旋流器、弧形篩、浮選設(shè)備、角錐池、疊層篩、浮選柱、壓濾機(jī)、濃縮機(jī)等，每種設(shè)備都有其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與不足，需根據(jù)煤泥特性及現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行合理選擇[1]。亭南選煤廠處理能力為5.0 Mt/a，屬于大型礦井型重介選煤廠，生產(chǎn)工藝流程為原煤破碎到150 mm以下，150～25 mm淺槽重介分選，生產(chǎn)150～75 mm洗大塊和75～25 mm的洗中塊，<25 mm采用兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，粗煤泥采用TBS分選，細(xì)煤泥濃縮壓濾，主導(dǎo)產(chǎn)品為優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。在原煤泥處理環(huán)節(jié)，該廠采用水介旋流器組(處理量為1 200 m3/h左右，截粗粒級(jí)為<0.25 mm，煤泥入料濃度在160 g/L左右)，僅對(duì)底流進(jìn)行弧形篩截粗回收，而溢流直接(濃縮+壓濾)形成煤泥產(chǎn)品，沒(méi)有解決溢流跑粗問(wèn)題。生產(chǎn)中，水介旋流器底流經(jīng)弧形篩、離心機(jī)脫水，作為中煤產(chǎn)品回收；溢流先經(jīng)過(guò)濃縮機(jī)濃縮，再由壓濾機(jī)脫水形成煤泥產(chǎn)品(濕煤泥或細(xì)煤泥)。但實(shí)際生產(chǎn)中，水介旋流器溢流有“跑粗”現(xiàn)象，不僅影響濃縮池的工作效率，而且粗顆粒多是低灰優(yōu)質(zhì)煤，還造成資源浪費(fèi)。在煤泥量增大時(shí)，該廠煤泥產(chǎn)量也會(huì)增大，約占原煤的10%以上，每小時(shí)就有上百噸煤泥產(chǎn)出，其中低灰粗顆粒產(chǎn)量就更明顯，本應(yīng)屬于精煤產(chǎn)品，卻隨煤泥售出，影響經(jīng)濟(jì)效益。由于煤泥儲(chǔ)裝運(yùn)銷成本都比較高，加上國(guó)家環(huán)評(píng)政策越來(lái)越嚴(yán)，因此煤泥截粗是急需解決的課題。

1 煤質(zhì)特性分析

根據(jù)GB/T 5751—2009《中國(guó)煤炭分類》規(guī)定，亭南礦井原煤屬于低灰、低硫、低磷、含油、中高揮發(fā)分、中等軟化溫度灰、高熱值不黏煤，是一種優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。煤的視密度變化在1.25～1.43 g/cm3之間，平均值為1.36 g/cm3，真密度變化在1.14～1.50 g/cm3之間，平均值為1.47 g/cm3，煤層硬度普氏系數(shù)為1.95，屬于中硬度煤。通過(guò)大篩分試驗(yàn)來(lái)分析亭南選煤廠煤質(zhì)特性，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 亭南選煤廠原煤大篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Raw coal screening analysis %

由表1可以看出： >25 mm粒級(jí)產(chǎn)率為22.18%，灰分為33.61%，比原煤灰分高，說(shuō)明矸石較硬，大塊中存在大量的可見(jiàn)矸；原煤各粒級(jí)灰分隨著粒度的減小，整體呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明煤和矸石存在硬度差異，但<0.5 mm粒級(jí)灰分有所提升，說(shuō)明矸石略有有泥化現(xiàn)象；<1.0 mm粒級(jí)含量占全樣的21.53%，總煤泥量較大。

亭南選煤廠煤泥采用水介旋流器進(jìn)行分選處理，水介旋流器底流和溢流篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 亭南選煤廠水介旋流器底流篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Hydrocyclone underflow size analysis %

表3 亭南選煤廠水介旋流器溢流篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Hydrocyclone overflow size analysis %

由表2可以看出： 主導(dǎo)粒級(jí)為1～0.5 mm，產(chǎn)率為37.93%； >0.25 mm粒級(jí)粗煤泥占比較高，產(chǎn)率達(dá)到86.37%； 隨著煤泥粒度的降低，煤泥灰分逐級(jí)遞增，1 mm以上煤泥灰分為12.16%，<0.075 mm粒級(jí)細(xì)泥灰分達(dá)到74.18%；水介旋流器截粗粒度為0.25 mm，則>0.25 mm粒級(jí)粗煤泥灰分為14.17%，<0.25mm粒級(jí)細(xì)煤泥灰分為52.13%。

由表3可以看出：>0.25 mm粒級(jí)粗煤泥含量為22.89%，水介旋流器溢流跑粗明顯；隨著粒度逐漸變小，灰分逐漸增高。

試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，水介旋流器溢流中>0.25 mm粒級(jí)物料含量較多，并且灰分較低，問(wèn)題根源在于溢流量非常大、濃度非常低。水介旋流器底流口為140 mm(可選150 mm或130 mm)，溢流口為280 mm，入料泵額定流量為1 500 m3/h(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的是底流>0.25 mm粒級(jí)含量最高，占總煤泥量50%以上)。正常情況下在1 300 m3/h左右時(shí)，經(jīng)驗(yàn)測(cè)算底流與溢流為1∶4的關(guān)系，溢流量為1 040 m3/h，低流量為260 m3/h。因此，可采取同底流工藝一樣的截粗回收方式，達(dá)到降低細(xì)煤泥排放量的目的。

經(jīng)過(guò)深入研究旋流器、弧形篩工作原理及功能特性，通過(guò)改變?cè)O(shè)備工況條件，挖掘設(shè)備潛能，發(fā)揮設(shè)備各自優(yōu)勢(shì)，形成一套搭配優(yōu)良的煤泥截粗工藝，最終達(dá)到高精度高效率回收>0.25 mm粒級(jí)煤泥的目的。

2 水介旋流器組

2.1 水介旋流器分選原理

水介旋流器工作原理是通過(guò)增加離心力提高沉降效率，屬于按密度分選設(shè)備。由于煤泥組分特性比較復(fù)雜，不僅粒度多樣而成份也比較多樣，不是單一的煤，其中泥巖較多。通常認(rèn)為顆粒大的重量就大，而忽視物質(zhì)成份。煤的特性是煤質(zhì)與灰分成反向關(guān)系，而灰分與密度成正向關(guān)系。煤泥成分顆粒小，沉降速度慢，需增加離心沉降提高分選效率。煤泥水沿切線方向進(jìn)入水介旋流器，形成內(nèi)外雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，粗重顆粒物質(zhì)被拋向器壁并形成外螺旋流體自上而下，從底流口排出；細(xì)輕顆粒物質(zhì)跟隨內(nèi)旋流體自下而上從溢流口排出，從而達(dá)到分離分級(jí)目的[2]。

利用離心分離技術(shù)分析水介旋流器的工作過(guò)程，假設(shè)顆?？山浦睆?d)的球形粒子作半徑(r)勻速圓周運(yùn)動(dòng)，將速度下沉運(yùn)動(dòng)方向分解為切線速度(離心沉降速度V1)和徑向速度(V2，下沉徑向外運(yùn)動(dòng)不參與沉降分析)，粒子密度(ρ1)及流體密度(ρ2)達(dá)到運(yùn)動(dòng)平衡，受到慣性離心力、向心力、阻力三力必然平衡，由此可得出公式[3]：

式中：μ為流體介質(zhì)黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2；ω為粒子角速度，rad/s；t為變化時(shí)間，s；x為位移變化量，m。

該公式表明，運(yùn)動(dòng)顆粒在做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，離心速度與粒徑平方、密度差成正比，與流體的黏度成反比。單獨(dú)從粒度大小來(lái)看，大粒度顆粒應(yīng)沿徑向外向下呈密集性梯度分布。

2.2 產(chǎn)生溢流跑粗的根本原因

旋流器的錐體結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生濃縮功能，由上到下濃度梯度逐級(jí)增大，底流口處最大。正常情況下，煤泥密度為1.05～1.10 g/cm3，濃縮后的密度超過(guò)1.20～1.30 g/cm3。從煤質(zhì)特性得知，煤的密度為1.14～1.50 g/cm3，公式中的密度差會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)值[3-4]，說(shuō)明顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)有換向現(xiàn)象，只要密度差正負(fù)反轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)顆粒必然會(huì)調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向，本來(lái)沿向下方向運(yùn)動(dòng)，突然反向上運(yùn)動(dòng)，這是水介旋流器溢流跑粗的根本原因。顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)速度不同，存在螺旋剪切湍流運(yùn)動(dòng)，且濃度越高這種運(yùn)動(dòng)越嚴(yán)重，使部分輕質(zhì)粗顆粒更易于改變運(yùn)動(dòng)軌跡，濃度高是粗顆粒進(jìn)入內(nèi)螺旋流體中上浮的重要原因之一，一般應(yīng)控制在16%以內(nèi)[5]。

2.3 影響旋流器分選精度的因素

水介旋流器作為煤泥分選設(shè)備，從分選原理來(lái)看，對(duì)粒度分選沒(méi)有可控條件，這是溢流跑粗的主因，除此之處還存有以下干擾因素：

(1)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器分選效率起決定性作用，要嚴(yán)格設(shè)計(jì)并滿足生產(chǎn)要求。

(2)定期檢查設(shè)備磨損程度，特別是底流口最容易遭受磨損，對(duì)分選密度也比較敏感。

(3)入料壓力、入料濃度、入料黏度及系統(tǒng)穩(wěn)定性等對(duì)會(huì)分選精度及效率產(chǎn)生不同程度的影響。

上述干擾因素在生產(chǎn)過(guò)程中只能降低，卻無(wú)法根治[6]。

3 弧形篩功能特點(diǎn)

3.1 弧形篩種類及工作原理

弧形篩按照給料方式分為兩種：一種是無(wú)壓力給料的自流式弧形篩；另一種是壓力給料的壓力弧形篩。篩條為梯形篩條，與物料運(yùn)動(dòng)方向垂直。篩條一般由不銹鋼制作，也有使用尼龍制作，切邊鋒利，脫泥效果佳[7-8]。

當(dāng)料漿以一定速度沿切線方向給至篩面上，在離心力、重力和摩擦力的作用下，使料漿緊貼著篩面運(yùn)動(dòng)，物料層由一根篩條流到另一根篩條，因篩條的邊棱對(duì)物料層產(chǎn)生切割作用，所以便有一部分水和細(xì)粒被分離，在離心力作用下，經(jīng)篩縫排出，成為篩下產(chǎn)品；未被切割的這部分物料層，在篩面上流過(guò)，成為篩上產(chǎn)品，篩條邊棱鋒利程度決定脫水分級(jí)效果[9]。每根篩條切下的流體厚度，一般為縫隙寬度的1/2～1/4，篩下產(chǎn)物中的最大顆粒約為篩縫的1/2?；谶@個(gè)原因，亭南選煤廠煤泥分級(jí)粒度為0.25 mm，故選用篩縫尺寸為0.35 mm、曲率半徑為2 m、弧角為45°自流式弧形篩，以滿足離心機(jī)的入料要求[10]。

3.2 弧形篩特點(diǎn)

弧形篩具有篩分脫水的特點(diǎn)，最大的特點(diǎn)是泄水能力大。由于弧形篩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分級(jí)精度高，產(chǎn)品粒度均勻，單位面積處理量可達(dá)振動(dòng)篩的10～50倍，而水介旋流器溢流量為1 000 m3/h，為此通過(guò)分析測(cè)算，需采取多級(jí)脫水濃縮才能回收其中粗顆粒[11]。

弧形篩工作條件比較容易達(dá)到要求，入料具備一定的速度，方向沿弧切線給入。為此設(shè)計(jì)了截粗裝置專門(mén)用來(lái)安裝弧形篩。弧形篩入料方式如圖1所示。

圖1 弧形篩入料方式

弧形篩箱體設(shè)計(jì)必須滿足弧形篩的要求，該箱體采取密封設(shè)計(jì)，保證出料有一定壓力，為下一級(jí)脫水提供足夠的初始速度。由于來(lái)料管路至上而下為5 m高度，且有足夠壓力和初始速度沿入料口切入弧形篩。截粗裝置主脫水箱內(nèi)置兩塊垂直入料弧形篩，來(lái)自預(yù)脫水箱的溢流，并達(dá)到較好的泄水效果[5]?；⌒魏Y入料箱示意圖如圖2所示。

圖2 弧形篩入料箱示意圖

3.3 弧形篩脫水能力測(cè)算

弧形篩采用曲率半徑為2 000 mm，角度為45°的篩面，篩面寬度為1 500 mm，因此，弧形篩有效篩分面積為1.57×1.5=2.355 m2，三塊弧形篩面積為3×2.355=7.065 m2。

弧形篩的處理能力按經(jīng)驗(yàn)公式：

Q=160×F×u×K，

式中：Q為弧形篩的處理能力，t/h；F為弧形篩的有效篩網(wǎng)面積，7.065 m2；u為礦漿的給入速度，2.5 m/s；K為脫水系數(shù)，取0.4(K=0.3～0.4)[12-13]。

Q=160×7.065×2.5×0.4=1 130.4 t/h，煤泥密度為1.1 g/cm3，折算成體積量為1 027 m3/h左右，能滿足水介旋流器溢流量的處理能力?；⌒魏Y脫水效率一般在60%～80%范圍內(nèi)，由于處理量超出弧形篩篩面容量，取60%計(jì)算，三塊弧形篩每小時(shí)可脫去616 m3煤泥。根據(jù)表3，水介旋流器溢流產(chǎn)物中>0.25 mm粒級(jí)的物料含量為22.89%，經(jīng)過(guò)脫水濃縮，濃度提高到57%[14]。

4 煤泥截粗工藝流程

4.1 改造后細(xì)煤泥特性

煤泥水經(jīng)過(guò)水介旋流器一級(jí)分選后，濃縮的底流經(jīng)過(guò)兩組弧形篩篩分脫水，再經(jīng)煤泥離心機(jī)終級(jí)脫水形成低水分的中煤產(chǎn)品；溢流經(jīng)過(guò)改造后的截粗裝置(截流量70%)，充分發(fā)揮弧形篩的工作效力，解決了處理量大而濃度低的難題，經(jīng)過(guò)弧形篩篩分脫水后，使篩上粗顆粒煤泥濃度得到提高，達(dá)到滿足煤泥離心機(jī)的條件，經(jīng)煤泥離心機(jī)脫水成為精煤產(chǎn)品。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出：>0.25 mm粒級(jí)含量明顯下降，篩上物含量?jī)H為沒(méi)有截流前的三分之一，截粗率達(dá)到三分之二，達(dá)到了預(yù)期效果。

表4 截粗后煤泥篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Coal slime size analysis after recovery of coarser sizes %

4.2 煤泥截粗工藝

經(jīng)過(guò)理論分析，設(shè)計(jì)了煤泥截粗回收工藝，煤泥截粗工藝原理流程如圖3所示。圖3中虛線部分為改造環(huán)節(jié)，該工藝中水介旋流器組共分三組，通過(guò)調(diào)節(jié)達(dá)到滿足處理量的要求；采用兩并兩串底流弧形篩組進(jìn)行篩分脫水，解決底流夾細(xì)的問(wèn)題；采取水平有壓三并聯(lián)弧形篩解決了溢流跑粗的問(wèn)題。

圖3 煤泥截粗工藝原則流程

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，水介旋流器與弧形篩搭配組合是煤泥截粗的有效路徑，能最大程度地減少煤泥量的排放，提高粗煤泥回收量。在沒(méi)有粗顆粒的影響下，濃縮池的工作效率得到了提高，絮凝劑的聚合效果得到了改善?；⌒魏Y與水介旋流器都屬于無(wú)運(yùn)動(dòng)部件設(shè)備，自制組裝方便，特別是弧形篩組和旋流器組，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)需要改變組數(shù)，滿足不同煤泥截粗工藝的需要。