粗煤泥回收技术研究

第 1 页 共 34 页绪 论随着机械化采煤程度的提高和地质条件的变化，所开采的煤炭日趋“贫、细、杂”化，从而使需要分选和分级的细粒物料越来越多。就煤炭而言，据不完全统计，3-0.5mm 部分物料的含量一般都在 20-45左右，如汾西矿小于3mm 的粉煤产率高达 47.9。细粒物料含量的大幅度增加使细粒的分选、回收和利用逐步受到重视。从脱硫的角度来看，随着开采深度的增加，高硫煤的比例将逐年增加，分布面也将不断扩大，煤炭脱硫降灰技术的关键是经济有效地实现细粒煤的高精度分选。众所周知，粒度越细，黄铁矿和煤粒的解离程度越大，脱硫越容易，重视和提高这部分细粒煤的分选效果是降低总精煤硫分和减少燃煤污染的重要途径之一。当今社会的发展对矿物加工提出了更加严格的要求，要求各种物料最好全粒级高精度分选。目前大多数选矿作业都采用重选和浮选相配合的工艺流程，它们分选的粒度界限基本是在 0.5mm，俄罗斯为 1mm。对重选来说，宽粒级分选一般是随着粒度的减小，分选效率急剧下降，故无论对现有跳汰机还是对旋流器（尤其是大直径旋流器）来说，0.5mm 附近及以下的物料分选效率很差。就浮选来说，由于气泡粘附力有限，其粒度上限不能太大，一般公认的有效浮选粒度上限为 0.5mm，浮选的分选效率随着粒度的增大而下降。因此，重选和浮选的有效分选粒度界限附近物料的分选效果最差。据统计，直径在 1m 以上的重介旋流器的有限分选粒度下限大多数大于 1.5mm，即使在 1mm 以下，细粒级物料的分选效果也是比较差的。而跳汰机最适意的分选粒度下限为 1-3mm。因而在与有效浮选粒度之间存在一部分物料（主要是 1.5-0.5mm）无法进行有效的分选。我国原来由于资金短缺，煤炭入洗比例小，要求精煤灰分比较高且不严格等原因，对粗煤泥处理的重视程度不够，一般将其直接回收掺入精煤，随着对精煤灰分要求的不断提高和精煤灰分控制的更加严格，使得大部分粗煤泥不能直接掺入精煤，只能掺入中煤。造成大量精煤损失。现有的螺旋分选机和煤泥重介旋流器等其它设备都不太有效，急需开发结构简单、分选效果好、操作容易、造价低、维修量小的分选设备。目前我国的工艺流程基本上是两段（粗粒用重选，细粒用浮选）或两段半（粗粒用重选，粗煤泥只回收，细粒用浮选）选煤模式，而国外大多数采用三段（即增加粗煤泥分选）选煤模式。而我国细粒煤和难选高硫煤多，从脱硫降灰和提高全粒级分选精度和精煤产率角度考虑，采用三段选煤工艺更加合理。这种三段选煤工艺的先进性需要通过性能优越的分选设备来体现。目前，大直径重介旋流器具有处理量大，入料粒度范围宽，分选效果好，对煤种和可选性适应性强的特点而作为粗粒煤分选的理想设备。旋流微泡浮选柱对细粒煤和超细粒煤具有选择性好和分选精度高的特点做为细粒煤分选设备的最佳选择。第 2 页 共 34 页该工艺中新增加的粗煤泥分选是我国选煤的薄弱环节，需要加强研究。1 煤炭资源现状及选煤概况1.1 我国煤炭资源现状煤炭是我国最主要的一次性能源，是我国可持续发展战略实施的资源保障，对经济建设和社会发展具有重要的作用。（1）我国煤炭资源的总量根据国土资源部煤炭资源预测与评价结果分析，截至 2003 年底，累计探明资源量 1.066 万亿吨，保有资源量约 1 万亿吨，排在俄罗斯和美国之后，居世界第三位。（2）我国煤炭资源的主要特点我国的煤炭资源储量丰富，但人均占有量低；煤炭品种丰富，优质焦煤较为稀缺；煤炭资源，北多南少，分布极不平衡。（3）我国煤炭资源的种类按变质程度分，有褐煤、低变质烟煤（长焰煤、不粘煤、弱粘煤） 、中变质烟煤（气煤、肥煤、焦煤、瘦煤） 、贫煤和无烟煤；按煤种分，分为烟煤和无烟煤两大类。其中烟煤分为炼焦烟煤（贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、气煤、1/3焦煤、气肥煤）和一般烟煤（贫煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2 中粘煤） 。（4）我国煤炭资源用途煤是重要能源，也是冶金、化学工业的重要原料。主要用于燃烧、炼焦、气化、低温干馏、加氢液化等。1.1.1 煤炭资源利用方面存在的问题长期以来，在煤炭资源立法、执法以及管理体制方面存在许多不合理之处，使煤炭资源没有得到合理开发利用。（1）煤炭资源利用方面存在的问题不合理开采造成资源耗费率高，损失浪费严重煤炭资源属于不可再生资源，一旦采完，在短时间内不能再生，这种不可再生性决定了对煤炭资源保护和战略储存的重要意义。然而煤炭开采中采富弃贫、采主弃副的现象普遍存在，小煤窑的私挖滥采屡禁不止，给煤炭资源造成极大的浪费。不合理开发利用带来严重的生态环境负面影响尽管我国在环境保护法 、 矿产资源法等法律中都对矿山环境保护作出了明确规定，但就目前情况看，煤矿开采造成的生态破坏和环境污染仍十分第 3 页 共 34 页严重，一是井工开采造成地表塌陷，露天开采挖损土地；二是造成水资源的流失与污染；三是污染大气环境。同时，我国煤炭利用产生的污染也十分严重，我国 85%的煤炭直接用于燃烧，致使我国成为典型的煤烟型污染，煤炭燃烧排放大量的 SO2，已造成我国 30%的国土面积受酸雨的影响。（2）煤炭资源开发利用中存在问题的原因分析我国在煤炭资源开发利用中出现的上述问题，原因是多方面的，概括起来有观念、政策、法律、技术等几个方面的原因。 观念原因煤炭资源是一种不可再生的资源。由于我国的煤炭储量丰富，使人们对我国煤炭资源产生“取之不尽，用之不完”的错觉。 政策影响过去我们在对待经济发展问题上，片面强调地方利益和经济指标的增长，只注重眼前利益，不顾长远利益，形成了煤炭工业粗放经营的经济增长模式。 法律原因我国在煤炭资源保护与合理开发利用方面的法制宣传不够，执法力度不够，法律制度还不很健全和完善，主要表现在煤炭立法不完善、煤炭资源保护的执法力度不够，煤炭资源保护法制宣传不够等几个方面。 技术原因煤炭资源的调查规划和勘查工作有待加强，煤矿生产的机械化、集约化程度低，煤炭深加工和综合利用水平低，洁净煤技术还有待推广。（3）我国煤炭资源合理开发利用对策针对我国煤炭资源在开发利用中出现的问题及原因，提出相应的对策： 完善煤炭立法严格实行煤炭行业的市场准入制度，继续完善有关生态环境保护的规定，和现行的资源有偿使用制度，完善现行的资源税和矿产资源补偿费规定，建立煤炭资源战略储备制度。 加强煤炭执法实行保证金制度，关闭年生产能力在法定吨位以下的小煤矿，对于不符合法律规定、不符合国家政策的小煤矿要坚决关闭。加强执法队伍建设，立一支精干高效、廉洁执法、熟悉法律的监察队伍，严格执法，加强监督，杜绝执法中的腐败行为。加大环境资源的保护宣传力度将环境资源保护的宣传和法制教育相结合，通过报纸、电台、电视、网络等媒体大力宣传，强化可持续发展的宣传教育，进一步树立节约资源、保护环境的意识，提高全民的认识和公众参与的积极性。第 4 页 共 34 页1.2 选煤概况选煤是洁净煤技术的基础，也是煤炭深加工（制水煤浆、焦化、气化、液化）和洁净、高效利用的前提。选煤可以除去原煤中的大部分矿物杂质，提高煤炭质量，并把它分成不同等级，为用户合理利用创造条件。1.2.1 选煤的发展选煤在我国起步较晚。建国时只有 10 个选煤厂，年入洗原煤能力只有几百万吨。新中国成立后，选煤发展加快，大致分为 3 个阶段。第一阶段为起步阶段（1949-1980 年） ，也称为“洗煤保钢”阶段。第二阶段为成长阶段（1981-2000 年） ，也称为“洗煤节能”阶段。第三阶段为快速发展阶段。从 2001 年起，我国煤炭生产和消费快速增加预计到 2020 年，我国选煤工艺、设备和选煤效率等选煤技术水平均将接近或超过世界发达国家，使我国从世界选煤大国迈进世界选煤强国之列。1.2.2 常用的选煤工艺（1）重力选煤法：依据煤和矸石的密度差别，实现煤与矸石分离的选煤方法。它分为：干选法和湿选法两大类。（2）浮游选煤法：依据煤和矸石表面物理化学性质的差别，分选粒度小于 0.5mm 煤的选煤方法。（3）跳汰选煤：在垂直脉动的介质中，按颗粒密度差别进行选煤的过程。跳汰选煤所用的介质为水或者空气，个别也用重悬浮液。（4）重介质选煤：密度大于 1g/cm 的介质中，按颗粒密度的的大小差异进行选煤，叫做重介质选煤或重介选煤。选煤所用的重介质有重液和重选浮液两类。重介选煤的主要优点是分选效率高与其它选煤方法；入选力度范围宽，分选机入料粒为 1000-6mm，漩流器为 80-0.15mm 生产控制易于自动化。重介选煤的缺点是生产工艺复杂，生产费用高，设备磨损快，维修量大。 2 粗煤泥分选概况及回收的重要性2.1 粗煤泥的概况在国外一些比较老的选煤厂洗选工艺中，经常采用 0.5mm 分级脱泥工艺。这种工艺导致脱泥、脱介难度大，介耗高，脱介筛筛面积大，能耗高；分流量增大，磁选负荷量大，磁选机台数多；悬浮液密度不稳定，重介系统稳定性差、第 5 页 共 34 页分选精度低；需严格控制 0.5mm 筛孔磨损，否则浮选跑粗，因此筛板更换频繁；0.50mm 全部作为最终煤泥，煤泥水系统规模极其庞大，运行费用高，制约生产。针对 0.5mm 分级所存在的弊端，改进采用 2.0mm 分级脱泥工艺。很好地解决了脱泥、脱水跑水等问题，生产稳定，介耗降低；+1.0mm 粒级重介主再洗分选，平均粒度提高，分选效果好；解决了浮选跑粗问题，精煤回收率提高；消除因原煤氧化，+0.5mm 原煤进浮选而引起的损失；目前，美国、澳洲的几乎所有(动力煤、炼焦煤)选煤厂都选用此分级工艺。因此，粗煤泥的分选成为一个非常重要的工艺环节。（1）粗煤泥的定义：根据国家标准 GB/ T71861998，粗煤泥的定义: 粒度近于煤泥，通常在 0.30.5mm 以上，不宜用浮选处理的颗粒。近几年，随着对粗煤泥分选技术的关注，选煤界更多地将粒度在 0.32.0mm 的煤泥定义为粗煤泥。（2）粗煤泥的特点: 粒度处于重选的分选下限附近，灰分比重选精煤灰分高 2%4%，煤与矿物的解离比较充分，比较易选。（3）洗煤厂粗煤泥的来源：选煤厂粗煤泥来源主要分两种情况：一是选前脱泥入选方式，目前一般采用筛缝 2mm(3mm)脱泥筛脱泥，煤泥水中必然含有0.52mm 粗煤泥；二是不脱泥入选方式，由于脱介筛或脱泥筛筛缝不均匀，磨损严重时，造成煤泥水中0.5mm 含量增多。为保证入浮粒度，需对煤泥水进行分级回收粗煤泥。（4）粗煤泥主要分选设备：粗煤泥分选主要采用煤泥重介旋流器、螺旋分选机及干扰床分选机(TBS)进行分选。2.2 粗煤泥回收的必要性随着煤矿机械化开采程度的不断提高，原煤中粉煤含量随之增加，给选煤厂的浮选系统增加了负荷，因此，在粉煤量增加的情况下，利用粗煤泥回收系统来给浮选系统减负，同时避免跑粗现象发生，保证精煤回收是选煤工作者多年来探讨研究的问题。目前，新建设的选煤厂中多数都设有粗煤泥回收系统。2.2.1 粗煤泥回收的原因选煤生产中存在离心机、弧形筛、脱介筛、捞坑溢流等跑粗现象，导致进入煤泥水系统中0.5mm 级物料较多，这部分物料进入煤泥水系统(包括浮选系统) 不能得到及时有效地回收，不仅会造成精煤损失，而且还会造成后续压滤系统喷浆、滤布破损、加压过滤机压轴等故障，严重影响选煤厂的正常生产。粗煤泥的回收对于炼焦煤选煤厂显得更为重要。因为浮选不能有效回收0.5mm 级煤泥，原则上要求进入浮选系统的入料粒度0.5mm，同时应尽可第 6 页 共 34 页能减少入浮量。实践证明，在浮选前增设粗煤泥回收系统，会大大改善浮选效果，降低生产成本。在脱泥作业中，增加粗煤泥回收系统可以适当增大脱泥筛筛孔尺寸，提高脱泥效率。2.2.2 粗煤泥回收的意义目前常用的选煤方法是重介(或跳汰)和浮选联合流程，重选的分选下限一般为 0.5mm。浮选根据煤粒表面物理化学性质不同进行分选，其分选上限一般为 0.5mm。理想状态下，+0.5mm 粒级的煤应全部在重选环节得到分选，而进入浮选的物料应都是- 0.5mm 粒级的煤泥， 但是实际的生产中，从重选到浮选还要经过脱水、脱泥等环节，跑粗现象时有发生，而且 11.5mm 粒级物料在重选中分选效果较差，这就很难保证+0.5mm 粒级的物料不进入到浮选系统中， +0.5mm 粒级的物料在浮选中得不到回收，造成精煤损失。选煤厂增设了粗煤回收系统，即保证浮选上限要求，又可杜绝跑粗，减少了精煤损失。而且粗煤泥回收下限可达到 0.25mm，减少入浮量，降低生产成本，可见粗煤泥回收系统在选煤工艺中是不可缺少的一个环节。2.3 粗煤泥回收技术方法日前，常用的粗煤泥回收方法有煤泥离心机回收粗煤泥、高频筛回收粗煤泥、煤泥重介旋流器精选粗煤泥、扰床分选机(TBS)。（1）煤泥离心机回收粗煤泥在我国选煤厂使用的煤泥离心机有 2 类:一类是进口的 FC1200 型，另一类是国产的 LLL 系列。煤泥离心机的使用，可以大大改善煤泥水系统的工作状况，降低产品水分。因其占地面积小，适用于老厂改造。采用煤泥离心机为主要设备进行粗煤泥回收。只要煤泥水经过浓缩分级，使入料浓度达到50%60%，就能达到如期的效果。 （2）高频筛回收粗煤泥近几年来，一些大中型洗煤厂采用高频筛作为粗煤泥回收的主要设备，源于高频筛在国内外有较为成熟的发展，并且相对来说对粗煤泥的回收效果没有较大的差异。（3）煤泥重介旋流器精选粗煤泥我国采用煤泥重介工艺其目的是：对于不脱泥重介质分选工艺，弥补大直径重介质旋流器分选下限高，无法对煤泥进行有效分选的问题；解决煤泥分流问题，有效地回收粗煤泥，使精煤灰分选更容易控制；对于有浮选系统的选煤厂，减轻浮选压力，降低洗水浓度。但是，煤泥重介仍存在一些问题：（4）扰床分选机(TBS)TBS(Teetered Bed Separator 的缩写)是由古老的水力分级机发展而来的。第 7 页 共 34 页由于采用干扰沉降原理，且在分选过程存在悬浮液床层，这种设备称之为干扰床。TBS 的外观和浮选柱类似，其主要由给料系统、探测系统、密度控制系统组成，其主体部分是一个简单的柱型槽体，槽体的底部有一个布满冲孔并呈一定角度的布水板，干扰床的上部有 1 个入料井，顶部设有溢流槽，内部有传感器，下部有一个底流排放阀，如图 3 所示。当它工作时矿浆切向给入设备的入料井，按预定的压力和流速由泵将水打入压力箱中，通过紊流板均匀分布到干扰床分选机底部形成上升水流，下降的物料与上升水流相遇形成干扰床层或称沸腾床层，当达到稳定状态后，入料中密度低于干扰床层平均密度颗粒会浮起并进入浮物产品流。随着新物料的给入，浮物产品流通过溢流堰到溢流槽成为轻产品；凡密度高于干扰床层平均密度的颗粒则透过干扰床层进入沉物流，并通过底部的排料口排出，排料阀门由干扰床层内的密度传感器发出的信号控制。第 8 页 共 34 页2.4 国内外粗煤泥回收的现状2.4.1 国内粗煤泥回收的状况分析(1)国内常用的粗煤泥回收工艺国内常用粗煤泥回收工艺的共同点是：只对粗煤泥进行回收，而不进行分选。利用高频筛或分级旋流器回收的这部分粗煤泥灰分一般都高于重选精煤灰分24个百分点，这部分产品如果掺入精煤，则精煤的灰分超标，如果掺入中煤，则精煤损失严重，尤其是当捞坑和筛子分级效果差和细粒煤含量大时更加显著，这将严重影响企业的经济效益和社会效益。而这部分煤和矸石解离的比较充分，产率也较高，若稍加分选，将会获得较高的精煤产率和经济效益，这也使得研制先进高效的粗煤泥分选回收设备和工艺显得非常必要。(2)煤泥重介旋流器粗煤泥分选技术虽然该设备能够取得一定的分选效果，但还存在一些不足：需要一套单独的介质净化回收系统，系统复杂；调节困难，密度波动大，分选效果差；在分选系统运行中将会产生大量的煤泥，增加后续浮选的负荷和全厂的运行成本；介质消耗高。(3)水介质旋流器粗煤泥分选技术虽然水介质旋流器单台处理量大，建设周期短，但它的分选精度远不如重介旋流器，而且分选下限高。溢流若不经过脱泥就达不到精煤灰分要求，从分选精度和简化工艺流程来说都不合适。(4)螺旋分选机粗煤泥分选技术螺旋分选机因具有结构简单、无运动部件，占地面积小，基建费用低，生产费用小，操作管理方便等优点在选煤厂中的使用越来越受欢迎。可用于代替煤泥跳汰机或粗粒浮选机，但其在分选密度较低时其分选效率很差，据了解选煤时它的最低的分选密度为1.75g/L，而EP大约为0.15-0.18，最近的研究发现其分选密度可低到1.60g/L，要达到上面同样的EP值必须在流程中增加一定数量的再洗螺旋分选机。此外螺旋分选机还具有设备高、单台处理量小、分选效果差等不足。(5)高频筛粗煤泥分选技术高频筛是目前我国用于粗煤泥回收最常用的脱水和分级设备之一，虽然在分级过程中有一定的分选作用，但对品位的提高极其有限且效果差。(6)分级浮选粗煤泥分选技术分级浮选是另一种用于解决重选和浮选有效分选粒度界限附近物料分选效率低的方法之一，可适当提高浮选的有效分选粒度上限，一定程度上可弥补重选对细粒粉煤分选精度欠佳的不足，但其提高的幅度也不能太大，因为太大粗粒的浮选效率也会很低。(7)目前应用较广泛的为水力分级旋流器，设备比较成熟，结构简单、体积小，第 9 页 共 34 页无运动部件，安装容易，设备费用低，分级粒度细，分级效率高，但其分选效果差，只能做为分级设备。(8)摇床选因处理能力低，分选范围窄而在选煤上基本没有应用。虽然我国已经开始研究并开发成功了一些粗煤泥分选设备，但这些设备都不同程度上存在着不足，基本上没有在工业上大量应用，急需新型高效分选设备的诞生。2.4.2 国外粗煤泥分选回收的状况分析在国外，主要是美国、澳大利亚、英国、德国等先后研制出多种用于细粒煤分选的设备，主要包括强重力分选机、微细介质旋流器、微泡和离心浮选设备、异形波跳汰机、杨氏充填式跳汰机和选择性油团选。但这些新工艺设备除少数项目外，大多数还处于研发阶段，还未达到大规模工业应用的程度。目前在国外使用最多的粗煤泥分选技术模式是利用高效水力旋流器对煤泥进行分级，分级粒度基本控制在0.1mm或0.2mm，对2.00.1mm的粗煤泥通常采用螺旋分选机或TeeterBed进行按密度分选，对小于0.1mm的煤泥或进行脱水，或与未处理的、废弃的块煤混合，或通过泡沫浮选柱进行洗选，这种工艺比我国绝大多数选煤厂仅对粗煤泥进行简单的回收相比，具有较大的先进性。同时在国外，螺旋分选机一直是分选细粒煤应用最普遍的设备之一，但由于我国煤质的特殊性，这种设备难以适应我国粗煤泥的分选，所以研究具有中国特色的粗煤泥回收设备具有重要的现实意义。我国目前的选煤工艺大都以三产品大直径重介旋流器+浮选为主，随着重介旋流器的大型化发展，造成重选的分选粒度下限不断上升，而浮选中具有更高选择性的旋流微泡浮选柱的广泛应用使得浮选粒度上限不断下降，最终导致介于重介旋流器有效分选下限和浮选有效分选上限之间的 20.25mm 的粗煤泥得不到有效分选。因此，如何最大限度地回收这一部分粗煤泥，减少不必要的重复分选和对浮选系统的干扰是目前选煤厂的一个技术难题。粗煤泥回收现状：粗煤泥不经过分选，或者虽经分选但效果较差，则其灰分就偏高，若直接掺入精煤，会导致总精煤灰分升高，使重选和浮选为其“背灰” ，从而导致总精煤产率降低；如果掺入中煤，因粗煤泥中含有部分灰分较低的精煤，则会造成精煤损失。美国重介选煤厂大多采用预先脱泥工艺，粗煤泥分选广泛采用水力旋流器和螺旋分选机。根据分选粒度下限的不同，采用一段水力旋流器+螺旋分选机、两段水力旋流器+螺旋分选机、一段水力旋流器+螺旋分选机+浮选等三种典型流程。在国外，主要是美国、澳大利亚、英国、德国等先后研制出多种用于细粒煤分选的设备，主要包括强重力分选机、微细介质旋流器、微泡和离心浮选设备、异形波跳汰机、杨氏充填式跳汰机和选择性油团选。但这些新工艺设备除少数项目外，大多数还处于研发阶段，还未达到大规模工业应用的程度。目前在国外使用最多的粗煤泥分选技术模式是利用高效水力旋流器对煤泥进行分级，第 10 页 共 34 页分级粒度基本控制在 0.1mm 或 0.2mm，对 2.00.1mm 的粗煤泥通常采用螺旋分选机或 TeeterBed