煤基气化渣螺旋分选机回收工艺的应用研究

王治帅，李学娟，沈 阳，公绪文，高少鹏，翟德平

(1.威海市海王旋流器有限公司，山东 威海 264203；2.宁夏红墩子煤业有限公司，宁夏 银川 750002)

1 概 述

近年来，随着能源行业的急剧发展，对煤炭清洁利用的要求日益严格。新型煤化工在我国的动力煤富煤区推广较多。但因目前煤气化工艺中的受制于气化炉装备的性能水平依旧存在弊端，导致煤气化行业产生大量的煤基气化渣，且煤气化渣中碳基成分含量偏高。据有关资料介绍，2018年，中国煤化工行业用煤约9 560万t，2019年上半年煤化工行业用煤约5 570万t，随着煤气化技术的推广，气化渣的年产量逐年增加，目前煤基气化渣的处理方案依旧以填埋或堆存为主，造成严重的环境污染与土地资源浪费；此外，高含量的碳基气化渣一方面严重制约了气化渣在其他行业的再利用，另一方面气化渣中的碳基成分亦具备较高的发热量，导致了资源的严重浪费[1-2]。

煤基气化渣的再回收利用正逐渐成为限制煤化工行业发展的关键性因素，因此亟需一种可有效、大批量消化煤基气化渣的工艺路线。本文通过对气化渣物化性质的研究，确定煤基气化渣中的碳基成分的赋存状态与其粒度、密度的相关关系，研发了一种以螺旋分选机作为重力分选的核心设备对煤基气化渣进行再分选回收，对其中的碳基成分进行有效回收，可用作电厂等动力用煤，图1所示为目前煤基气化渣常用的应用领域。

图1 煤基气化渣的应用领域

2 煤基气化渣的物化性质

基于煤基气化渣的研究可知，不同煤气化技术产生的气化渣的物化性质存在一定的差异，主要表现在物相组成含量以及烧失量上。以宁煤集团徳士古、GSP及四喷嘴三种煤气化炉产生的气化渣为例，其物相组成主要以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、C，三种类型的气化渣对应的烧失量分别为39.27%，4.34%，13.40%。煤基气化渣主要由非晶态物质、部分结晶矿物质以及部分可燃物组成。不同类型的煤气化工艺，所用煤种不同，产生的气化渣在组成成分上存在一定差异，但是均含有一定量的可燃体，且主要分布于细粒级气化渣，图2所示为煤气化过程中气化渣生成过程[3～4]。

图2 煤气化过程中气化渣生成示意图

以鄂尔多斯地区某煤化工企业产生的气化渣为例，依据国标GT/B 478—2008《煤炭浮沉试验方法》中小浮沉试验方法，以氯化锌作为加重质，配制1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8 g/cm3密度液；同时对煤基气化渣进行小筛分实验分析。实验拟通过对煤基气化渣的粒度组成、浮沉组成进行研究，用以确定煤基气化渣中可燃体(碳基)的可选性及经济效益。表1、表2所示为气化渣的粒度组成及密度组成情况[4-6]。

表1 煤基气化渣粒度组成

由表1可知：

(1)煤基气化渣中+0.5 mm粒级的灰分较高，对应的可燃体含量较少，不具备回收价值；

(2)煤基气化渣中0.5～0.074 mm粒级灰分偏低，对应的可燃体含量较高，具备回收价值。

表2 煤基气化渣密度组成

由表2可知：

(1)煤基气化渣中-1.5 kg/L密度级累计产率为11.91%，对应的累计灰分为8.90%；-1.6 kg/L密度级累计产率为27.23%，累计灰分为15.95%；

(2)煤基气化渣经过脱泥处理后，可燃体回收率在11.91%以上，具备一定经济效益。

3 煤基气化渣的螺旋分选回收工艺

3.1 螺旋分选机工作原理

矿浆进入螺旋溜槽后，在重力、水流压力及离心力作用下开始沿着溜槽曲面运动，因矿物中不同密度、不同粒级组分之间所受的力存在差异，因此在运动过程中逐渐产生分散与分层，从内圈向外依次为：重产物、中间密度产物、轻产物、细泥。鉴于螺旋分选机分选密度较高，一般在1.5～1.6 kg/L，因此适用高密度分选作业。LXA120螺旋分选机结构示意见图3。

图3 LXA1200螺旋分选机结构示意

3.2 煤基气化渣螺旋分选工艺

根据煤基气化渣的粒度组成及密度组成情况绘制可选性曲线如图4所示。当洗选精煤灰分要求12%时，精煤产率为18.08%，分选密度1.48 kg/L，±0.1含量(不去矸石)24.43%，可选性为较难选[7]。

图4 煤基气化渣可选性曲线

根据煤基气化渣的粒度及密度组成情况，推荐选用LXA1200系列螺旋分选机作为气化渣的核心分选设备，工艺流程见图5，洗选工艺设计如下：

图5 煤基气化渣螺旋分选机回收精煤泥工艺流程

(1)煤基气化渣为粉状原料，首先需要经过带式输送机输送至造浆水池，通过搅拌混合，形成气化渣浆，并通过渣浆泵给入下道分选环节。

(2)煤基气化渣经过预先筛分，脱出粗粒级的多晶组分，该部分气化渣灰分较高，可燃体含量较低，不具备回收价值，可通过分级筛进行预先脱除，为洗选环节创造良好的分选环境。

(3)经过分级筛处理后的筛下产物自流进入旋流器入料桶，再次经过煤泥水泵给入煤泥水分级旋流器，用以脱除细粒级以下的高灰细泥，并且为下游环节创造合适的入料浓度范围。

(4)经过水力旋流器处理后的矿浆自流给入螺旋分选机进行分选，分选出低灰分精煤产品与灰分较高的中煤、矸石产品，并通过自流进入脱泥脱水设备，通常为叠筛、高频筛+煤泥离心机的组合回收，经过脱泥脱水处理后的精煤产品与中煤、矸石产品分别输送至产品仓。

(5)其中环节(3)中的分级旋流器溢流、叠筛或高频筛的筛下水、离心机的离心液均给入浓缩池，浓缩池溢流作为循环水使用，浓缩池底流经过压滤成为尾矿。

4 气化渣分选工艺设备

根据工艺流程以及煤基气化渣的物化性质，确定相关设备选型及设备参数配置情况，其中设备参数选型仅适用于案例中的煤基气化渣，图6为气化渣螺旋分选工艺设备联系图。

图6 煤基气化渣螺旋分选工艺设备联系示意

(1)根据煤基气化渣的粒度组成，确定分级筛的筛缝选择为0.5 mm，分级筛推荐型号为ZKJ系列直线振动筛，用以脱除+0.5 mm粒级的高灰组分，筛下给入煤泥水旋流器入料桶；该种类型的直线振动筛适用于物料的高效筛分作业，针对不同类型的物料可选择不同的筛面倾角；采用双电机自同步振动器，提高筛机分级效率；筛机采用耐磨聚氨酯筛板，筛板具有开孔率高、分级效率高、使用寿命长等特点。

(2)筛下水通过渣浆泵给入分级旋流器，推荐选用FX500型号的水力分级旋流器，此型号的旋流器分级粒度在0.1～0.15 mm，可有效脱除-0.15 mm的高灰细泥。

(3)分级旋流器底流经过调浆后给入螺旋分选机。LXA1200系列高效螺旋分选机采用复合曲线形状，可最大程度的提高精煤回收率，并在螺旋的第3圈位置设置预先排矸出口，针对气化渣高灰组分含量偏高的特点，可提前将此部分排出，为螺旋分选机的第3、4圈创造最佳的分选环境，提高螺旋分选机的分选精度[8-9]。

(4)经过螺旋分选处理后的精煤产品仍含有高灰细泥，可通过选用高频筛或叠筛进行脱泥处理，推荐选用ZKJ-D系列叠层振动筛，筛缝选择为0.15 mm或0.2 mm。该系列叠层高频振动细筛采用进口Martin振动电机，筛机振动加速度可达4～6 g；选用柔性聚氨酯筛网，筛网开孔率高达32%～45%，筛网使用寿命大于6个月，分级效率≥80%，适用于湿式细粒物料的高效筛分[10]。

(5)经过高频筛或叠筛处理后的螺旋精煤选用煤泥离心机进一步脱泥、脱水，保证产品灰分与水分合格。

5 结 语

目前，以螺旋分选机为核心分选设备的煤基气化渣分选回收工艺已成功在工业中应用，运行数据如下：煤基气化渣来料灰分在50%～60%时，通过该工艺可实现螺旋精煤产品灰分在12%～14%，精煤产率在8%～12%，且螺旋尾矿灰分可在85%以上，多数可达90%，真正实现了对煤基气化渣中碳基成分最大程度的回收利用。