高效浓缩机在煤炭行业的应用工艺研究

刘新安

（北京华宇工程有限公司选煤一所，北京 100120）

伴随着我国选煤技术发展的是越来越大的选煤厂。有很多炼焦煤选煤厂达到了4Mt/a以上的选煤能力。有些依靠动力煤的选煤厂的处理能力，甚至达到了20Mt/a。原煤处理能力的增强，需要更大量的煤泥水。随着采煤机械化程度的提高，进入选煤厂中的原煤中＜0.5mm粒级含量开始增多。煤泥水浓缩、沉淀工艺环节成为选煤厂中更加具有挑战性的环节。通过比较可知，普通浓缩机的缺点很明显，机器的质量大，基础建设成本高，占地面积很大，效率低下，在停电和给料不均匀的情况下，压耙现象很突出。这很容易破坏机器的驱动系统，浓缩机的浓缩池需要架空清刷，而且维修时间很长，给选煤厂带来了很大的压力。高效浓缩机的发明，给选煤厂带来的改变是十分巨大的。一台十多米的高效浓缩机，就能够将一座原煤处理量为600t/h的大型选煤厂产生的尾矿水，处理得游刃有余。所以，在煤炭行业引入高效浓缩机，是十分明智的选择，不仅可以节省资金，还能带来许多无法直接看到的间接效应。

1 炉粉煤灰在脱水过程中出现的问题

一直以来，对粉煤灰的处理方法，是将粉煤灰从平流沉淀池中捞出来，经过自然脱水后，用车辆运输至掩埋场进行掩埋，或用于粉煤灰制砖等其他用途。

1.1 粉煤灰脱水过程的困扰

在实际的处理工作中，粉煤灰脱水过程，是一个十分困扰工人的问题，主要体现在：

（1）捞出粉煤灰相当困难。由于粉煤灰很细，沉淀后更加密实，用一般的刮板除灰机不能刮动，抓斗也不起作用。处理方法只能是用两座平流沉淀池轮流操作，进行人工除灰，清理这些板结的煤灰，人力和物力的浪费太严重。

（2）把这些煤灰清理出来后，还不能马上运走。因其含有大量的水分，质量太大，需要大面积的堆放场地自然脱水。而脱水后的粉煤灰，容易被风从灰堆表层吹起来，严重污染了空气，而灰堆里面的水分仍旧无法蒸发并将其运送至填埋场。

（3）没有充分脱水的粉煤灰在运输过程中，会出现灰水分层的现象，污染了运输的道路。平流沉淀池沉淀效果差，循环水含灰量太高，以及因此造成的煤气除尘效果差，都给工厂的其他机器带来了极大的麻烦。

所以，寻找一种高效的煤灰清理装置，解决粉煤灰的严重问题，是势在必行。

1.2 粉煤灰快速高效脱水工艺的论证

经过多方考察和论证，用相关技术进行机器的改造，针对如何给粉煤灰脱水，采用快速高效隔膜压滤机和高效浓缩机，对粉煤灰进行连续脱水工艺，并将其成功地应用于粉煤灰脱水过程中，能取得良好的脱水效果，同时具有良好的经济和环保效益。

（1）普通浓缩机的浓缩原理。是让煤灰自行产生重力沉降，矿浆颗粒的自由沉降是实现颗粒的沉降分层的机理，静压的作用使深池压缩区内的灰料进一步被压实。这种原理告诉我们，灰料的沉降速度，直接决定了浓缩机的处理能力及溢流水中的固体含量的高低。所以，提高浓缩机处理能力最基本的措施，就是加快颗粒的沉降速度。“固体颗粒的沉降速度与颗粒直径的平方成正比，与固体颗粒和其周围介质的密度差成正比”，这是选矿学中斯托克斯定律的内容。因此，提高固体颗粒的沉降速度，要求我们增大颗粒的直径或者是增大固体颗粒和周围介质的密度。

（2）普通耙式浓缩机的缺点。普通的耙式浓缩机，有着自身无法克服的缺点：连续工作过程中，固体颗粒的沉降方向与澄清流上升的方向是相反的。煤泥水的出口流速快，煤泥水来不及充分沉淀，就从出口流出；加之原本沉淀的煤泥，在入料上升流的作用下，再次被搅起，这样使得灰料又一次进入到溢流中，那些在溢流中没有沉淀的细小悬浮颗粒，再次进入到循环水系统，进行生产和工作。如此多次的循环下去，部分细小的颗粒越来越多，煤泥水的浓度也变得越来越大，形成一种恶性的循环。

虽然有的企业自己进行了技术改造，提高了煤灰的处理能力，但是这些高效的浓缩机是在传统的笨重、耗材多、质量大、占地大、成本高、耗电量大的浓缩机的基础上进行改造的。这些原本就有的缺点，仍然给生产带来了很大的麻烦。所以，这种所谓的高效浓缩机，仍然无法长期生存在选煤厂，必然被淘汰。高效浓缩机的需求，越来越明显。

2 高效浓缩机的发展过程和特点

高效浓缩机的研究和起源，可以上溯到上世纪70年代末期。当时在国外，选矿过程中矿浆高浓度输送技术，就开始迅速兴起，各种类型高效浓缩机纷纷发明并投入使用。上世纪80年代，我国引进了高效浓缩机技术，国内的选矿行业开始重视这种机器。我国也开始了自主研究和开发，其中最著名的品牌有GXN系列、XGN系列高效浓缩机等。到了21世纪，高效浓缩机已经在许许多多的选煤厂得到了运用，缓解了许多迫在眉睫的问题。

2.1 设计原理和基本概况

高效浓缩机作为一种新型灰水浓缩处理设备，是根据流体浅层理论设计的，不仅具有体积小、浓缩效率高、工程造价低、安装使用维护简便的性能，而且具有占地面积少、节能、节水、减少环境污染等优点。在火力发电厂除灰系统灰水处理过程和建材和水源、污水处理和矿山、煤炭、化工的一切含固料浆的浓缩和净化分离过程中，都有着无与伦比的优势，是混凝土结构浓缩沉淀池的最佳换代产品。

高效浓缩机由耙架提升装置、给料装置、浓缩池、耙架、传动装置、卸料装置和信号安全装置等组成，其脱水过程是一种技术的革命和创新。

2.2 优点分析

（1）处理量远远大于普通浓缩机。通常的情况下，高效浓缩机的单位处理量，比普通浓缩机高4～9倍，甚至更高。美国某公司有实验表明，高效浓缩机的处理能力，甚至比普通浓缩机高出13倍多。

（2）投资少。建设投资比相同处理能力的普通浓缩机低了将近1/3。

（3）浓缩效果好。其操作费用虽然比普通浓缩机高一些，但是由于高效浓缩机电耗较低，而且可得到较高浓度的底流。这些超过的费用，也就不显得是高了。

（4）沉积层厚度大，池深静压高。高效浓缩机的入料方式，和传统浓缩机的入料方式不一样，在进入浓缩机前，就对入料矿浆排气，并把矿浆输送到浓缩机底部的压缩区，这使其沉积层厚度更大和池深静压更高，大大提高了浓缩的效率。

（5）脱气装置在给矿管前，可消除矿浆中的空气。如果浓缩机的入料矿浆有比较多的气量，固体颗粒的相对密度就会降低，而物料在给入浓缩机后，会因为流体的干扰和相互撞击，排出矿浆中的空气，并且这些空气会在矿浆内形成气泡，气泡在上升过程中，粘附上许多细小的颗粒，这会使原来就不容易沉降的细小颗粒，又被气泡带到浓缩机的上面，不利于矿粒的沉降。这也会使溢流的固体浓度增加，很大程度地影响溢流水的清澈品质。所以，设计一个脱气装置于给矿管前，可以消除矿浆中的空气，对固体颗粒的沉降十分有利，也将浓缩机的处理能力大大提高。

（6）通过深层给料井，把矿浆送到浓缩池底。高效浓缩机的深层入料，将固体颗粒的沉降路程大大缩短，粗粒快速进入到压缩区，降低了中上部煤泥水的浓度；与此同时，给料处上部厚厚的沉积阻碍层，也对细粒物料的沉降有利。进入浓缩机前的矿浆，就和絮凝剂混合在一起了，在给料井出口地方絮凝，并迅速形成的大絮团，快速沉降到底，那些细小颗粒也在上升过程中遭受大量絮凝团颗粒的碰撞，降低了上升的动能；另外，上面的絮团物料层对上升液体中的细小颗粒，也起到了过滤的作用，这使得上升的液体浓度更小，也就使絮凝物料层和着粗细物料颗粒，一起沉入高效浓缩机底部并被排出。

2.3 浓缩池尺寸的改革

由于我国现在许多选煤厂所用的普通浓缩机，大多是上世纪60年代冶金矿山使用的矿山用浓缩机经过改造生产出来的，采矿处理的矿浆含有密度很大的固体颗粒，能够很好地沉淀，澄清区效果好，即使浓缩池很浅，但溢流澄清水的品质仍然有很高的清澈度。在采矿的企业中使用这种浅浓缩池效果较好，不会出现煤泥水带来的各种问题。然而，因为煤泥水中的固体颗粒密度小，难以沉降，浅浓缩池的弊端也就显现出来。沉淀速度慢很多，这和矿产沉淀物区别很大，因此如果再沿用这种普通的浓缩机，就会给浓缩池的溢流水带来很大的麻烦，造成水的恶性循环，最终破坏浓缩机。除非加深浓缩池的深度，否则这个问题无法解决。

由于小的固体颗粒很容易与水流一起流出，溢流水水质不高，浓缩机的处理能力就大打折扣了。再者，普通浓缩机池底的坡度范围较小，一般为3°～7°，这样的坡度有利于金属矿产的浆料水的沉淀，却阻碍了向中心排料口排料的泥浆的速度。

高效浓缩机改进了技术，再一次克服了普通浓缩机的这一缺点。其采用了较高的池深，不仅使颗粒在池中的有更长的沉降浓缩时间，也把压缩区的静压大大提高了。另外，高效浓缩机的设计中，还将池底的坡度增大了（一般为8°～16°），这样池底的泥浆向中心排料口集中，就更加容易了。

2.4 高效浓缩机的革新——药剂混合装置的植入

由于在高效浓缩机的结构中，增加了药剂混合装置，将絮凝剂添加进泥浆中，这种方式对絮凝效果产生了积极的影响，絮凝效果的好坏对浓缩机的工作品质有着质的影响。

“如果絮凝剂添加点在浮选机尾矿箱，由于尾矿箱离尾煤浓缩机的距离较远，因此作用时间过长，而絮凝剂与物料的混合时间过长，会造成已形成的絮团解离，絮凝效果不好；如果在浓缩机入料管添加絮凝剂，则作用时间短，絮凝剂与物料则来不及充分混合，无法形成絮团，絮凝效果也不好。”这是《选煤技术》杂志2002年第12期朱长玉先生的结论。

我们可以得出一个结论：添加絮凝剂的过程，必须有时间的限制，如果絮凝剂与入料矿浆接触没有充分混合，那么絮凝剂的絮凝效果就无法充分发挥出来，这也会增加药剂的消耗。在进入浓缩机前加药，这是高效浓缩机的新设计理念，只有更为科学的加药方式，才能使煤泥与药剂得到充分混合，并发生化学反应，以最好的絮凝状态进入到高效浓缩机中，提高絮凝效果，降低药耗。

目前，高效浓缩机的药剂混合方式有许多种，通常国外高效浓缩机采用的装置有Envir倒锥形装置，旋流分散装置和机械搅拌给料装置。我国国内使用的是GXN系列机器，为了提泥浆水的高絮凝效果，采用了静态混合器及多点加药方式。

2.5 对耙架位置的设计革新——中心传动的方式

经比较得知：高效浓缩机的单位处理能力，比普通耙式浓缩机高出3～9倍。相同处理能力的高效浓缩机直径，较普通浓缩机的要小得多，需要的传动力矩也小很多。所以，中心传动方式，可以保证机器的正常运行。这种传动方式的最大的优点是，当机器的负荷过大的时候，能够把耙架自动提起来，荷载消除之后，耙架又自动恢复原位。而且中心传动方式的浓缩效果好，溢流的水品质高。

所有这些优点，对选煤厂的长时间的连续生产来说，是非常节约的。前文在分析普通耙式浓缩机时已经知道，在停电或给料不均时，容易压耙，需要很多天的时间，才能重新开始运转。所以，这种自动提耙装置，也是高效浓缩机高效的一种体现。

有一点不足的地方是，这种传动方式的驱动装置比较复杂。所以对于直径大的高效浓缩机来说，驱动力矩变大带来的作用，采用周边传动的方式会更好一些。

最后，在机器的操作方面，高效浓缩机的操作更为复杂一些。所以，对溢流水质的控制，絮凝效果的把握，也都需要更高的技术操作含量。

3 结束语

煤泥水的有效处理，是一项关乎选煤厂能否持续高效运行的程序。我国选煤技术的不断突破与革新，将给高效浓缩机的发展带来更好的性能。我国的煤炭需求量十分大，许多大型的选煤厂将会运用到高效浓缩机。这种设计科学合理、占地少、结构简单、安装和操作便捷、处理能力强大和溢流含固体量低的装备，必将在选煤行业里面占据其不可动摇的地位。高效浓缩机是经过不断实践和改革，并耗费了大量的人力物力财力才最终设计出来的先进的机器，可以断定，这种机器将会得到更加广泛的应用。

[1]人力资源和社会保障部教材办公室.采煤概论[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[2]谢广元，等.选矿学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[3]刘 晰，等.NXZ系列高效浓缩机介绍 [J].煤炭技术，2000，（6）：77-78.

[4]赵光宇.高效浓缩机浓缩机理及其效率提高的措施[J].研究探讨，2001，（3）：122-123.

[5]荆炜华.高效浓缩机在选煤厂的应用 [J].煤矿设计，2000，（6）：144-146.

[6]广东工学院资源系.选矿浓缩机设计计算方法[J].广东工业大学学报，1999，（3）：95-96.

[7]汪建华，王知敏，浓缩机全底流浮选工艺的应用 [J].选煤技术，2003，（3）：55-57.

[8]中国矿业出版社编委会.2009版选煤实用新技术手册[K].北京：中国矿业出版社，2009.

[9]周春生.我国选煤厂煤泥水处理技术现状与发展方向[J].甘肃科技，2005，（2）：34-35.

[10]朱长玉.选煤机械技术研究[J].选煤技术，2002，（12）：77-79.