張玉磊, 吳大為, 耿 浩, 王鑫才

(北京國華科技集團有限公司, 北京 101300)

1 前 言

北京國華科技集團有限公司在其研發(fā)的具有中國獨立自主產(chǎn)權(quán)的3GDMC 系列無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的基礎(chǔ)上, 優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和工作參數(shù), 于近年推廣了S-3GHMC 系列超級旋流器,該類選煤設(shè)備是綠色節(jié)能技術(shù)的充分體現(xiàn), 在保證工藝效果指標的前提下, 不但使同直徑旋流器的處理能力幾乎翻了一番, 而且具有超強的排矸能力, 杜絕了過大物料堵塞過流通道的事故, 噸煤電耗也顯著降低, 現(xiàn)已在國內(nèi)100 余座選煤廠推廣使用, 形成了368.1 Mt/a 的生產(chǎn)能力。

鑒于GB/T 15715 《煤用重選設(shè)備工藝性能評定方法》 中一項重要指標—數(shù)量效率的不嚴密性, 筆者嘗試用質(zhì)量效率來取代它的探討(見《煤炭加工與綜合利用》 2022 年第5 期“對于質(zhì)量效率這一重力分選工藝指標的探討”)。 本文引用了老石旦、 臨渙、 呂家坨、 仲恒四座選煤廠的超級旋流器的工業(yè)性試驗數(shù)據(jù), 用質(zhì)量效率指標來評定它們的工藝效果。 首先要指出的是為了確保工業(yè)性試驗數(shù)據(jù)準確無誤, 試驗者們不但嚴格遵守相關(guān)的國家標準, 還將浮沉試驗產(chǎn)物的密度級由常規(guī)的7 個增至12 個左右, 驗算均方差均小于規(guī)定值, 即小于1.4 kg/L, 這表明本文所引用的數(shù)據(jù)可靠有效。

這四座選煤廠的超級旋流器規(guī)格及工藝指標見表1。 從表1 數(shù)據(jù)可以概括以下幾點:

表1 超級旋流器規(guī)格及工作指標

(1) 入選原料煤。 原料煤灰分最低為42.00%, 最高在58%以上, 皆為高灰原煤。 入料中＞0.5 mm 粒級中＞1.80 kg/L 密度級含量少則為40.47%, 多則為63.37%, 均屬高含矸煤。原料煤可選性有中等可選、 較難選和極難選, 所以這四座選煤廠的情況具有代表性。

(2)選后產(chǎn)品。 呂家坨選煤廠原料煤為焦煤,屬稀缺煤種。 為合理利用資源, 精煤灰分要求14%以下, 其余三座選煤廠精煤灰分在9%～10%水平。 除呂家坨選煤廠的中煤灰分略高于40%外, 其余三座選煤廠中煤灰分都低于36.50%,不但低密度級損失量少, 而且高密度矸石污染量也不多, 所以是名副其實的, 發(fā)熱量較高的動力用煤。 這四座選煤廠的矸石灰分最低為79.57%,最高者為86.03%, 帶煤量極少, 甚至可忽略不計, 這表征分選設(shè)備杜絕了任何資源損失。

(3)工藝效果。 除老石旦選煤廠原料煤屬極難選等級, 數(shù)量效率近于94%外, 其余三座選煤廠的數(shù)量效率均高于98.50%, 這意味著中煤中低密度物料損失是極少的。 可能偏差是重介質(zhì)分選設(shè)備工藝性能的主要表征, 對于第一段旋流器波動范圍在0.020 ～0.033 kg/L 之間, 平均值為0.025 kg/L; 對于第二段旋流器波動范圍0.027～0.034 kg/L 之間, 平均值為0.032 kg/L, 都是很好的指標。 臨渙、 老石旦兩廠入料上限是常規(guī)的50 mm、 仲恒選煤廠為130 mm、 呂家坨選煤廠高達200 mm, 都能獲得很好的工藝效果。

2 質(zhì)量效率的計算及簡要分析

質(zhì)量效率的出發(fā)點是將計算原料煤及重選產(chǎn)物均劃分為小于分界灰分和大于分界灰分兩部分, 按國際公認的漢考克分離效率的理念, 計算出兩者的正配率和錯配率, 從而獲取質(zhì)量效率這一工藝指標, 本文先以老石旦選煤廠工業(yè)性試驗為案例作一簡介。

2.1 第一段重介質(zhì)旋流器

根據(jù)該廠計算入料(大于0.5 mm 粒級)的12個密度級的組成, 繪制出可選性曲線中的灰分特性β 曲線和基元灰分特性λ 曲線(見圖1)。

圖1 一段旋流器計算入料的β 曲線和λ 曲線

當輕產(chǎn)物(精煤)灰分AL=AC=10.34%時,從圖1 查得理論輕產(chǎn)物(精煤)產(chǎn)率r′c=21.10%,分界灰分AL,λ=17.00%, 此灰分乃是一段旋流器輕產(chǎn)物中最高的基元灰分, 也是該旋流器重產(chǎn)物中最低的基元灰分。 計算入料中小于分界灰分的產(chǎn)率rf＜λ就是理論輕產(chǎn)物(精煤)產(chǎn)率, 即rf＜λ= r′c=21.10%, 計算入料中大于分界灰分的產(chǎn)率rf＞λ=100%-21.10%=78.90%。

根據(jù)一段旋流器輕產(chǎn)物(精煤)的密度組成繪制了它的基元灰分λ 特性曲線(見圖2), 已求得分界灰分AL,λ=17.00%, 則可在該曲線上讀取輕產(chǎn)物中小于分界灰分的物料產(chǎn)率(占本樣)rf＜λ=97.10%。

該廠超級旋流器的工業(yè)性試驗報告中已計算出精煤產(chǎn)率rc=19.75%, 中煤產(chǎn)率rm=28.92% ,矸石產(chǎn)率rr=51.32%, 鑒于一段旋流器的輕產(chǎn)物(精煤)產(chǎn)率rL=rc=19.75%, 則按入料計算的輕產(chǎn)物(精煤)中小于分界灰分物料的產(chǎn)率rL＞λ=一段旋流器的重產(chǎn)物中小 于 分 界 灰 分 物 料 的 產(chǎn) 率rH＜λ= rf＜λ-rL＜λ=21.10%-19.18%=1.92%; 輕產(chǎn)物中大于分界灰分的物料產(chǎn)率γL＞入=γL-γL＜入=19.75%-19.18%=0.57%; 重產(chǎn)物中大于分界灰分的物料產(chǎn)率γH＞入=γm+γr-γH＜入=28.93%+51.32%-1.92%=78.33%, 以上數(shù)據(jù)匯總在表2。

表2 一段旋流器的輕、 重產(chǎn)物中小于或大于分界灰分產(chǎn)率

漢考克分離效率實質(zhì)是評定A、 B 兩種不同性質(zhì)物料的分離效果。 對于A 物料而言, 其分離效率ηQ1=E1(A 物料的正配率)-E2(B 物料的錯配率); 對于B 物料來說, 其分離效率ηQ2=E3(B物料的正配率)-E4(A 物料的錯配率)。 漢考克分離效率的科學性、 嚴密性在于ηQ1=ηQ2。

從輕產(chǎn)物的角度來評定, 應(yīng)該是回收的小于分界灰分的物料越多越好(即A 正配率越大越好), 混雜的大于分界灰分的物料越少越好(即B錯配率越小越好)。 對于第一段重介質(zhì)旋流器,就精煤而言, 它的正配率E1就是精煤中小于分界灰分的物料占入料中該物料的百分比值, 即E1它的錯配率E2就是精煤中大于分界灰分的物料占入料中該物料的百分比值, 即×100%=0.72%, 質(zhì)量效率η=E1-E2=90.90%-0.72%=90.18%。

從重產(chǎn)物的角度來衡量, 應(yīng)該是排除的大于分界灰分的物料越多越好(即B 正配率越大越好), 損失掉的小于分界灰分的物料越少越好(即A 錯配率越小越好)。 對于第一段重介質(zhì)旋流器,就重產(chǎn)物(中煤+矸石)而言, 它的正配率E3就是大于分界灰分的物料占入料中該物料的百分比值, 即它的錯配率E4就是重產(chǎn)物中小于分界灰分的物料占入料中該物料的百分比值, 即質(zhì)量效率ηQ=E3-E4=99.28%-9.10%=90.18%。

老石旦選煤廠的原料煤中: 分選密度±0.1密度物含量高達48.21%, 屬于極難選等級, 其質(zhì)量效率ηQ大于90%, 表征了超級重介質(zhì)旋流器具有良好的工藝效果。 在此, 可以再做進一步分析:

入料小于分界灰分的物料分為二部分, 一部分是它在輕產(chǎn)物中的正配率E1, 另一部分是其在重產(chǎn)物中的錯配率, 即E1+E3=100%。 對于老石旦選煤廠為90.90%+9.10%=100%。

入料中大于分界灰分的物料也可分為兩部分: 一部分是它在重產(chǎn)物中的錯配率E2, 另一部分是其在重產(chǎn)物中的正配率。 即E2+E4=100%。對于該選煤廠為99.28%+0.72%=100%。 由此可以看出, 大于分界灰分的物料比小于分界灰分的物料分選得更好。 它有99.28%被分離到重產(chǎn)物中, 僅有0.72%混雜于輕產(chǎn)物中, 而小于分界灰分的物料回收到輕產(chǎn)物中為90.90%, 損失到重產(chǎn)物中的有9.10%。

2.2 二段重介質(zhì)旋流器

根據(jù)老石旦選煤廠第二段重介質(zhì)旋流器計算入料(中煤+矸石)的密度組成, 繪制出它的灰分特性β 曲線和基元灰分特性λ 曲線(見圖3), 根據(jù)該旋流器的輕產(chǎn)物(中煤)的密度組成, 繪制出λ 曲線(見圖4)。

圖3 第二段旋流器計算入料的β 曲線和λ 曲線

圖4 第二段旋流器輕產(chǎn)物(中煤)λ 曲線

參照第一段重介質(zhì)旋流器的方法和步驟, 將計算數(shù)據(jù)匯總于表3。

表3 二段旋流器的輕、 重產(chǎn)物中小于或大于分界灰分產(chǎn)率

由表3 可得到輕產(chǎn)物的正配率E1=95.36%,錯配率E2= 1.81%, 重產(chǎn)物的正配率E3=98.19%, 錯配率E4= 4.64%, 質(zhì)量效率ηQ=93.55%。

鑒于E3＞E1, 同樣也反映出在第二段旋流器中大于分界灰分的物料分選的效果要好于小于分界灰分的物料。

3 質(zhì)量效率的數(shù)理統(tǒng)計分析

3.1 質(zhì)量效率與入料可選性的關(guān)系

用同樣的計算方法和步驟計算出仲恒、 臨渙和呂家坨選煤廠的超級重介質(zhì)旋流器第一段的質(zhì)量效率ηQ(見表4)。

從表4 可明顯看出隨入料可選性的改善, 即±0.1 含量的減少, 質(zhì)量效率ηQ呈增高的趨勢,它們之間存在負相關(guān)的關(guān)系。 筆者采用數(shù)理統(tǒng)計學的方法, 推導出了可靠性為99.50%的±0.1 含量與質(zhì)量效率ηQ的回歸方程。

表4 超級重介質(zhì)旋流器第一段的質(zhì)量效率

該回歸方程表明, 當入料的可選性變差時,±0.1 含量每增加10 個百分點, 質(zhì)量效率ηQ就相應(yīng)減少2.62 個百分點, 或者說當入料的可選性變好時, ±0.1 含量每減少10 個百分點時, 質(zhì)量效率ηQ就相應(yīng)增加2.62 個百分點。 超級旋流器第二段的質(zhì)量效率ηQ列于表5。

表5 超級旋流器第二段的質(zhì)量效率

從表5 也同樣看出, 隨二段入料可選性的改善, 即±0.1 含量的減少, 質(zhì)量效率有增高的趨勢,所推導出的可靠性為99%的相關(guān)回歸方程如下:

此方程表征, 當入料可選性變差時, ±0.1含量每增加10 個百分點, 質(zhì)量效率ηQ就相應(yīng)減少4.72 個百分點, 或者說±0.1 含量每減少10 個百分點, ηQ值就增大4.72 個百分點。

超級旋流器的質(zhì)量效率與可選性關(guān)系的回歸方程線見圖5。 從圖5 中可直觀看出第二段回歸方程線的斜率要比第一段的大得多, 這說明第二段入料的可選性變動對質(zhì)量效率的影響要更大些。 這可能跟第二段旋流器的工作壓力較小有關(guān)。

圖5 質(zhì)量效率與可選性的回歸方程線

3.2 重產(chǎn)物正配率與輕產(chǎn)物正配率的差值與可選性的關(guān)系

應(yīng)用質(zhì)量效率這項指標可以全方位地評定重力選煤設(shè)備的工藝效果, 它不但可以判定輕產(chǎn)物的分選效果, 也可以判定重產(chǎn)物的分選效果。

本文已就老石旦選煤廠超級旋流器第一和第二段的重產(chǎn)物正配率E3都好于輕產(chǎn)物正配率E1作了介紹。 實際上, 其余三個選煤廠均是這種情況(見表4、 表5)。 也就是說大于分界灰分的物料分選指標要比小于分界灰分的物料更好一些。

此種現(xiàn)象是因為灰分高的物料密度較高, 在重介質(zhì)旋流器中離心力較大, 從而就有較快的分選速度。

設(shè)ΔE=E3-E1, 將表4、 表5 中的數(shù)據(jù)歸納于表6。 從表6 可以清晰的看到, ΔE 的大小與入料的±0.1 含量有關(guān), 為此分別推導出二個回歸方程。

表6 ΔE 與可選性的關(guān)系

對于第一段旋流器, 可靠性為95%的回歸方程如下:

該回歸方程表現(xiàn)為入料的可選性與ΔE 呈相關(guān)關(guān)系。 即當可選性變差時, ±0.1 含量每增加10 個百分點, ΔE 值就增加2.44 個百分點。

對于第二段旋流器, 可靠性近95%的回歸方程如下:

該回歸方程表現(xiàn)為入料的可選性與ΔE 也呈相關(guān)關(guān)系。 即當可選性變差時, ±0.1 含量每增加10 個百分點, ΔE 值就增加5.10 個百分點。

將以上二個回歸方程線繪制于圖6, 從圖中更直觀看出第二段的斜率大, 表明二段旋流器入料可選性的波動對ΔE 值更為敏感。 這可能也是第二段旋流器的工作壓力較低的緣故。

圖6 重產(chǎn)物正配率與輕產(chǎn)物正配率的差值與可選性回歸線方程

4 結(jié) 語

基于浮沉試驗所繪制出的β 曲線和λ 曲線,將原料煤及重選產(chǎn)物劃分為小于分界灰分和大于分界灰分的二個部分, 按照漢考克分選效率的理念, 推導出了質(zhì)量效率這項指標。

筆者引用老石旦等4 個選煤廠的已列入《綠色礦山技術(shù)裝備》 的S-3GHMC 系列超級旋流器的工業(yè)性試驗報告, 對它們的工藝效果用質(zhì)量效率這一指標進行探討分析。

對用數(shù)理統(tǒng)計學建立的回歸方程進行簡要分析中, 揭示了二個現(xiàn)象:

(1)超級旋流器的第一段、 第二段的質(zhì)量效率都以各自入料的±0.1 含量呈負相關(guān)關(guān)系, 尤其是第二段旋流器質(zhì)量效率對入料可選性變動更為敏感些。

(2)質(zhì)量效率的優(yōu)點之一, 可以從輕產(chǎn)物和重產(chǎn)物二個方向全方位評定工藝效果。 四個選煤廠的數(shù)據(jù)顯示, 一、 二段旋流器重產(chǎn)物的正配率E3均好于輕產(chǎn)物的正配率E1。

兩者的差值ΔE 與入料的±0.1 含量呈負相關(guān)關(guān)系, 且第二段旋流器ΔE 值對可選性的波動,也更為敏感。