原煤水分对干选效果的影响

原煤水分对干选效果的影响王新华;夏云凯期刊名称】《《煤炭加工与综合利用》》年(卷),期】2019(000)011【总页数】6页(P41-45,48)【关键词】干法选煤;煤炭外水;易泥化煤;煤炭粒度;双干工艺【作者】王新华;夏云凯【作者单位】唐山市神州机械有限公司;河北省煤炭干法加工装备工程技术研究中心河北唐山063001【正文语种】中文【中图分类】TD942.4不同种类的原煤水分分布特点煤中水分按存在形态分为两类，即游离水和结晶水。游离水是以物理状态吸附在煤颗粒内部毛细管中，或附着在煤颗粒表面的水分；结晶水是以化合物方式同煤中矿物质结合的水。游离水在100~110°C下经过1~2h可蒸发掉，而结晶水通常要在200°C以上才能分解析出。煤的游离水分又分为外在水分和内在水分。外在水分是附着在煤颗粒表面的水分，很容易在常温下的干燥空气中蒸发。内在水分吸附在煤颗粒内部毛细孔中，需在100°C以上的温度经过一定时间才能蒸发。当煤颗粒内部毛细孔内吸附的水分达到饱和状态时，煤的内在水分达到最高值，称为最高内在水分。最高内在水分与煤的孔隙度有关，而煤的孔隙度又与煤的煤化程度有关，所以最高内在水分含量在相当程度上能表征煤的煤化程度，尤其能更好地区分低煤化程度煤。一般褐煤外水分大于15%，年轻褐煤的最高内在水分多在25%以上，少数的如云南弥勒褐煤最高内在水分达31%。最高内在水分小于2%的烟煤，几乎都是强粘性和高发热量的肥煤和主焦煤。无烟煤的孔隙度高于烟煤，所以其最高内在水分比烟煤有所增加［1~5］。一般煤炭发热量和水分及灰分的关系如下：Q=Qmax-aMt-bAd(1)式中：Qmax 灰分和水分为零时煤炭最大低位发热量，kcal/kg;Q 煤炭低位发热量，kcal/kg；Mt——煤炭全水分，%；Ad——煤炭干基灰分，%；a 水分每增加1个百分点，煤炭热值下降值，kcal/kg；b 灰分每增加1个百分点，煤炭值下降值，kcal/kg。湿法分选在降低精煤灰分的同时增加了精煤水分，灰水热值效果相抵，水洗后精煤热值提高不明显，甚至下降。但值得注意的是，水分和灰分对精煤热值的影响幅度因煤种而异。对低阶煤来说，水分对热值的影响远大于灰分对热值的影响。表1中灰分和水分对无烟煤原煤热值的影响几乎相等，但对低阶煤如长焰煤或褐煤来说，水分的影响远远超过灰分对热值的影响。由于低阶煤水分对热值影响较大，因此分选低阶煤时，在增加精煤热值方面采用干选工艺比水洗工艺更具有优势。表1不同代表性煤样中水分和灰分对原煤热值的影响无烟煤河南永城陈四楼矿,平均水分(Mt)为8%;a=280kJ/kg,b=360kJ/kg长焰煤神东大柳塔矿长焰煤，不粘煤，平均水分(Mt)为16%;a=573kJ/kg,b=326kJ/kg低阶煤内蒙塔拉壕褐煤末煤，平均水分(Mt)为26%~28%;a=257kJ/kg,b=134kJ/kg原煤外水对干选的影响煤炭洗选工程设计规范(GB50539—2016)对干选机入料外水分的适宜值确定为小于7%，和实际生产数据偏离较大，该适宜值和煤炭品种密切相关。如阳煤五矿小于13mm粒级无烟煤末煤的全水分小于5%，松散性良好，非常适宜干选(其原煤筛分分析结果见表2)。临矿集团榆树井原煤为褐煤，全水分约为22%，内水分约为5%，外水分已经接近17%，但实际生产中仍然可采用干法分选工艺(其煤质分析结果见表3)。表2阳煤五矿小于13mm原煤筛分分析结果粒度/mm产率/%分级煤样结果全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)+635.693.567.923.028.476~317.174.761.362.910.823~124.585.251.362.4614.521-022.565.745.492.215.78合计100.004.657.662.6812.01表3临矿集团榆树井80~0mm原煤煤质分析结果名称全水Mt%内水Mad%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)原煤22.204.8434.371.5313.63转龙湾矿原煤主要为长焰煤，粘结性弱，主要作为动力和化工用煤。该厂实际生产经验表明，为保证干选效果，原煤外水分不超过10%时分选效果良好；当外水分超过11.5%时，分选效果恶化；当外水分为15%时，干选无法进行(详见表4)。因此干选机入料的外水分适宜值随煤种变化而变化，原煤水分应该分为内水，孔隙内表外水和表外水。对孔隙度发达的煤种来说，毛细孔中的水分对干选没有影响，真正对干选造成干扰和影响的是煤炭颗粒表面的水分，如何区别和定量测定煤炭颗粒表面水分和外水分尚待研究。表4转龙湾矿不同入料水分上限时分选效果原煤外水范围/%<1010~11.511.5~15>15分选效果较好一般较差无法分选矸石泥化对干选的影响煤炭的泥化程度主要受矸石矿物组成、煤的变质程度与含水量的影响。如煤矸石的矿物组成为层状硅酸盐矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石、云母等)，这些矿物硬度都很小，易沿层间解理，造成矸石泥化。因此，若矸石中含有大量高岭石等层状硅酸盐矿物，则其泥化程度会比较严重。石英为架状氧化矿物，硅、氧原子通过共价键连接，结构十分稳定，因此，若矸石中石英含量较大，则其泥化程度较弱［6~8］。对于易泥化煤，如果含水量较大，伴生矸石泥化后形成类似粘结剂的作用，会导致煤炭颗粒之间粘连，影响干选效果。另外，在易泥化煤干燥时，过多水分还会使煤产生裂纹，导致碎裂发生［9］。如河南郁山煤矿煤种为贫瘦煤，属高硫动力煤，煤层较薄，含有矸石夹层，开采时带有大量矸石且矸石易泥化，原煤低位发热量为14.65~15.07MJ/kg，全水分不足10%，硫分为3.3%(分析结果见表5)。该煤水分虽然不高，但由于易泥化矸石原煤粘连严重，难以直接干选。表5河南郁山矿小于50mm粒级原煤筛分分析结果产品名称灰分Ad/%全水分Mt/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)原煤40.039.353.2116.78黑龙江省双阳矿原煤为1/3焦煤，块煤矸石含量高且易泥化，其筛分分析结果见表6。该矿原煤颗粒外观潮湿，泥团包裹煤块，结团严重，易粘结。由于硅酸盐质的易泥化矸石存在，即使末原煤全水较低(7%)，仍然难以直接干选。因此，原煤存在易泥化硅酸盐矸石时，干选的适宜水分大幅下降。原煤水分对干选的影响，不但取决于外水大小，还取决于煤炭变质程度和伴生矸石泥化性质。表6龙煤集团双鸭山双阳煤矿小于30mm粒级原煤筛分分析结果粒度/mm产率/%分级煤样质量全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)+2513.764.1042.980.2117.0625~1322.684.7037.360.2418.8413~622.926.7027.910.2021.366~317.197.9025.000.1822.113~023.4510.7023.100.2321.57合计100.007.0330.500.2120.37干选前后煤炭产品水分的变化干选过程中，一定数量的矸石被排除后，由于原煤中高密度矸石的水分一般较低，因而精煤产品水分相对原煤水分会有所增加。同时由于风选过程中存在强烈空气流和煤粒之间的对流现象，气流会带走一部分煤炭颗粒外在水分，所以煤炭分选前后水分总量也会有所下降。煤炭干选后水分变化可用如下公式计算：M精二M原式中：M精——精煤产品全水分，%；M原 原煤全水分，%；M矸——矸石产品全水分，%；Y精——精煤产率，%；△M——气流带走水分，%，经验值一般为0.2%~0.5%；以同煤集团色连一矿原煤分选后水分变化为例，原煤水分为22.88%，排矸量为7.83%，矸石水分较低。选后精煤水分达到23.87%，比原煤水分增加了0.99%，详见表7。表725~0mm混煤一次粗选产品计算平衡表产品产率/%全水分Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)精煤92.1723.8714.740.4018.66矸石7.835.9781.887.413.23原煤100.0022.8820.000.9517.45粒度对分选精煤产品水分的影响湿法分选和干选工艺比较的一个重要参数是如何确定分选后精煤水分的变化值。按照煤炭洗选工程设计规范(GB50539-2016)，湿法分选后大于13mm粒级块煤脱水筛后产品外水分取值为8%~10%,13~0.5mm末煤离心机脱水后产品外水分取值为6%~8%,详见表&表8不同粒度精煤产品机械脱水后水分含量名称粒度/mm水分Mf/%脱水筛筛孔13mm+138~10立式刮刀卸料离心机0.5~136~8卧式振动离心机0.5~136~8统计不同末煤和煤泥离心机脱水后的精煤产品外水分取值经验数值如图1所示。由图中可见，粒度越细，精煤水分越高。当入料粒度大于5mm时，精煤脱水后外水分取值为2%~3%;入料粒度为1~5mm时，精煤脱水后外水分取值为4%~8%,入料粒度小于3mm时，精煤脱水后外水分取值8%~12%。图1入料粒径对精煤产品外水分的影响精煤水分Mf和煤粒直径的经验关系式为：Mf=8.553d-0.489(3)式中：Mf—精煤外水，%；d 煤粒直径，mm。由此可见，一定粒度原煤水洗后的精煤水分取决于精煤粒度分布，平均粒度越细，洗后水分增加值越高。我国传统动力煤选煤厂大多采用湿法分选工艺。许多长焰煤和褐煤选煤厂采用了块煤部分入洗或全粒级水洗工艺，带来了精煤产品水分过高的问题。如同煤集团色连—矿原煤为易泥化褐煤，可选性为易选。原选煤工艺设计为13mm粒级以上块煤采用重介质浅槽洗选，小于13mm粒级末煤不洗直接掺入产品销售。此工艺分选过程中存在原煤水分大、粘性大，13mm粒级分级困难，进入浅槽的煤泥量大，精煤水分增加，热值提升不明显，精煤产率下降的现象。色连—矿现采用分选工艺流程为大于25mm重介质浅槽分选，小于25mm粒级末煤旁路不选，块精煤破碎后混入末原煤作为混煤销售。实际生产表明，采用此工艺流程后，块精煤水分增加2%~3%,煤泥量增加约5%~10%。2018年该矿部分月份大于25mm粒级重介质精煤质量统计见表9，混煤产品质量见表10。表9色连一矿易泥化褐煤重介质浅槽实际生产结果(2018年)日期原煤仓全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)大于25mm粒级块精煤全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)6月平均值23.7328.281.1315.2727.488.890.2218.847月平均值23.6930.100.9514.9427.777.280.2018.798月平均值24.0932.700.7814.4228.227.510.2118.729月平均值23.9934.470.7613.9828.137.580.1818.7110月平均值21.6641.760.8112.9428.208.050.1618.87平均值23.4333.460.8914.3127.967.860.1918.78表10色连一矿2018年度原煤及混煤煤质数据统计日期原煤煤质数据(平均值)全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)混煤产品煤质数据(平均值)全水Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)对比结果Mt增加/%Ad降低/%St,d降低/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)2018年2月26.9213.881.3218.1628.4011.120.9918.35+1.48-2.76-0.330.192018年3月26.5715.350.9617.8027.5610.540.7118.62+1.00-4.81-0.250.822018年4月27.0314.851.0717.7727.7212.073.1918.14+0.69-2.79-2.110.362018年5月26.2218.811.2116.9927.4611.160.6018.45+1.24-7.65-0.611.452018年6月24.1824.301.1616.0826.5715.250.6817.68+2.38-9.05-0.481.602018年7月23.6626.951.2215.4725.6418.680.7117.03+1.98-8.27-0.511.552018年8月23.0932.120.6414.3725.9720.880.5816.46+2.88-11.24-0.072.082018年9月21.5233.300.6114.5126.0020.690.5816.56+4.48-12.61-0.032.052018年10月21.7437.720.8713.3425.8922.530.5716.19+4.15-15.19-0.302.84全年平均24.5524.141.0116.0526.8015.880.9617.50+2.25-8.26-0.051.44由表10可以看到，水洗时，大于25mm粒级原煤由于矸石含量的波动，全水分处在21.66%~23.69%范围内。重介质浅槽分选密度稳定，波动小，产品不带矸石，大于25mm粒级块精煤基本为小于1.5g/cm3密度物，热值18.83MJ/kg左右。全年平均原煤热值为16.06MJ/k，混煤平均热值为17.50MJ/k。水洗后热值提高约1.44MJ/k，灰分下降8.26%，硫分基本不变。同期大于25mm粒级块煤的干选试验结果列于表11。由表中可见，干选精煤质量较为稳定，大于25mm粒级干选精煤灰分接近重介质浅槽，但干选精煤和湿法分选后的精煤水分存在较大差异，干选精煤水分在24.5%左右，低于水洗块精煤水分(28%)，虽然干选精煤灰分略高，但干选块精煤热值反而比重介质精煤的热值高。如将原煤破碎到小于80mm，干选后的精煤水分相对原煤增加1个百分点，热值相对原煤提高2.74MJ/kg。干选结果列于表12。表11色连一矿易泥化褐煤干选中试结果(2018年)日期原煤全水分Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)+25mm块精煤全水分Mt/%灰分Ad/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)2018年7月6日19.4035.341.4513.9024.207.290.1920.292018年6月22日22.6522.830.9717.1225.006.020.1320.33表12色连一矿易泥化小于80mm粒级褐煤干选实际结果日期原煤煤质数据(平均值)全水分Mt/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)精煤煤质数据(平均值)全水分Mt/%硫分St,d/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)对比结果Mt增加/%St,d降低/%发热量Qnet,ar/(MJ・kg-1)11月2日25.101.3613.0026.100.3415.741.00-1.022.74调研发现，部分易泥化煤重介质选煤厂产品质量指标设计中，设计者对精煤产品水分的取值和实际生产数值有较大差异(见表13)。块精煤和末精煤水分预测误差分别在4%~8%和2%~8%范围内，精煤水分设计值严重偏离实际生产数值。因此在分选孔隙发达、吸水性较强的长焰煤和低阶煤时，按照煤炭洗选工程设计规范(GB50539-2016)中精煤脱水后产品外水参考值来取值，可能会给部分选煤厂设计对鄂尔多斯易泥化长焰煤干选和湿法分选工艺进行比对时，可参考表14取值。表13部分低阶煤选煤厂产品水分调研蒙泰能源范家村选煤厂产品实测水分/%设计预测水分/%同煤集团色连一矿选煤厂产品实测水分/%设计预测水分/%伊泰集团塔拉壕矿选煤厂产品实测水分/%设计预测水分/%临矿集团一号井选煤厂产品实测水分/%设计预测水分/%原煤23.8026.18原煤23.4023.10原煤25.4025.40原煤23.0024.49块精煤(+30mm)27.8019.96~20.83块精煤(+25mm)27.9624.04块精煤(+13mm)28.8024.61块精煤(+13mm)28.5918.27~19.16末精煤(-30mm)29.8021.70~22.57末精煤24.97~27.75末精煤(-13mm)28.60~29.3026.81末原煤(-13mm)25.0021.92表14不同分选工艺的精煤水分取值工艺部分入洗:块煤重介质,末煤旁路全粒级重介质分选干选原煤水分/%22.0~25.022.0~25.022.0~25.0块精煤(+25mm)水分/%28.028.024.0~25.0末精煤(-25~0.25mm)水分/%29.0~30.0洗混煤(原煤水分＞26%)水分/%27.0~28.5洗混煤(原煤水分21%~26%)水分/%25.0~26.5总精煤水分/%比原煤水分增加1~2粘湿煤炭双干分选为解决水分大、矸石易泥化的粘湿煤难以直接干选的问题，可采用双干(干燥预处理去水+干选排矸)工艺进行分选提质。该种方案是将振动混流干燥设备与复合式干法分选机联合装配，协同作业，形成了煤炭双干(干燥+干选)提质系统。振动混流干燥设备适用于各种密度、粒度不均的混合物料干燥，主要采用低温大风量热烟气对粘湿物料进行干燥处理。振动混流干燥设备通过机械振动将湿物料分散疏松，使气流均匀通过多层干燥床面，提高了物料与气流的接触面积和接触时间；主机中的振动床可以多层布置，层高较低，大大提高了干燥器的容积产量。河南郁山煤矿所产原煤为易泥化高灰、高硫煤，末煤含量大，其中小于6mm粒级含量占总产量的60%以上，水分小于