保德选煤厂南部区炼焦配煤工艺改造设计优化

谷 林, 张 宁, 邢冬松, 贺立明

(神东洗选中心保德选煤厂, 陕西 榆林 719315)

1 选煤厂简介

保德选煤厂隶属于国能神东煤炭集团洗选中心, 位于山西省忻州市保德县境内, 是一座大型全重介矿井型选煤厂。 该厂南部区系统2004 年竣工投产, 设计处理能力8.0 Mt/a, 主要承担保德矿原煤的洗选加工任务。 该选煤厂南部区生产工艺为: 150～13/25 mm 块煤经湿法脱泥后, 采用重介浅槽分选机进行分选; 小于13/25 mm 末煤经湿法脱泥后, 采用有压两产品重介旋流器主再洗工艺分选; 3～0.25 mm 粗煤泥采用螺旋分选机处理, 小于0.5 mm 煤泥经浓缩池沉降后, 利用加压过滤机脱水处理[1]。 块、 末煤系统分选后产生的精煤、 中煤及煤泥全部混掺入仓, 发热量可达到20.06 ～22.15 MJ/kg, 作为动力煤销售,矸石采用汽车外排。

保德煤矿原煤牌号为气煤, 原煤经洗选加工后, 精煤可作为炼焦煤的配煤原料。 为优化产品结构, 提升经济效益, 2019 年选煤厂利用末煤系统已具备的有压两产品重介旋流器主再洗工艺,经过改造后, 采用一段出炼焦精煤、 二段排矸的分选方式, 试验性生产2.42 万t 合格配焦煤, 具体指标如表1 所示。 按照GB/T 397—2009 《 冶金焦用煤技术条件》 相关标准要求, 该厂所生产的精煤灰分小于10%, 精煤产品灰分等级为10级, 硫分等级为2 级, 磷等级为2 级, 粘结性指数属于第二档(50～80), 水分级为1 级, 是较好的炼焦用原料煤。

2 炼焦配煤工艺改造设计

2.1 主要工艺概述

以试验性生产为实践基础, 2020 年保德选煤厂尝试对原有系统进行工艺改造。 基于生产炼焦配煤及提升混煤发热量的主要目标, 结合矿井原煤的实际情况, 考虑采用大型无压三产品重介质旋流器作为分选设备。 具体工艺设计为: 原煤采用50 mm 干法分级, 150 ～50 mm 块煤采用重介浅槽分选, 小于50 mm 原煤采用不脱泥无压三产品重介旋流器进行分选, 精煤合介段配合煤泥重介旋流器分选, 最大程度生产配焦煤, 末煤系统 0.5～0.125 mm 精煤泥采用弧形筛+煤泥离心机脱水回收, 小于0.125 mm 煤泥经两段浓缩后可选择采用沉降过滤离心机、 加压过滤机及板框压滤机回收, 矸石泥采用板框压滤机进行回收。 同时也可以实现大于50 mm 块原煤破碎后全部进无压三产品旋流器工艺。

2.2 产品结构

保德选煤厂经本次技术改造后, 主要生产方式及对应产品结构如下:

第一种生产方式: 150～50 mm 原煤浅槽分选,小于50 mm 原煤无压三产品重介质旋流器分选。

产品结构: 混煤, 包括浅槽精煤、 旋流器中煤和粗细煤泥; 精煤, 包括旋流器精煤及煤泥旋流器精煤, 作为配焦煤产品或回掺混煤。

第二种生产方式: 大于50 mm 块原煤破碎至50 mm, 全部采用无压三产品重介质旋流器分选。

产品结构: 混煤, 包括旋流器中煤及粗细煤泥; 精煤, 包括旋流器精煤和煤泥旋流器精煤,作为配焦煤产品或回掺混煤。

2.3 工艺设计特点

2.3.1 无压三产品重介旋流器与煤泥重介旋流器的搭配使用

改造设计采用无压三产品重介质旋流器作为主选设备, 同时配合使用煤泥重介质旋流器作为精粗煤泥的再选设备, 在未设置浮选工艺, 且采用不脱泥入洗工艺的情况下, 一定程度上能够提升配焦煤的产出比例。 此外, 无压三产品重介质旋流器配合不脱泥入洗工艺具有次生煤泥量小的明显优势[3], 能够较好地保持原煤的初始状态,减少有压入料对于分选过程中原煤性质的影响。

2.3.2 直接磁选工艺

工艺改造采用直接磁选工艺进行介质回收,实现了介质的短流程处理, 可以有效减少介质系统的设备使用量。 考虑到合格介质系统中介质流量相对较大, 为了提升介质流入磁选机的稳定性, 在脱介筛下方安装有分流及稳流作用的稳流缓冲箱[3], 在实现分流的同时, 也保证了磁选机入料稳定性, 提升磁选机的介质回收效率。

2.3.3 高效浓缩机与3 种煤泥处理设备的搭配使用

考虑到工业厂区的实际情况, 工艺改造设计有4 台高效浓缩机, 与原有2 座耙式浓缩机搭配使用。 其中2 座直径15 m 的高效浓缩机为一段浓缩, 1 座直径15 m 的高效浓缩机及原有2 座直径30 m 的耙式浓缩机为二段浓缩(一备一用), 另有1 座直径13.5 m 的高效浓缩机作为矸石泥浓缩使用。 其中一段浓缩采取不添加沉降药剂的自然沉降方式, 其底流可选择利用筛网沉降离心机、 加压过滤机或板框压滤机处理; 二段浓缩添加沉降药剂, 底流进入板框压滤机脱水; 矸石浓缩机底流由3 台矸石泥板框压滤机进行处理。 高效浓缩机的串联使用, 配合筛网沉降离心机、 加压过滤机及板框压滤机等煤泥处理设备, 可有效提升选煤厂的煤质适应能力, 充分掌控煤质主动权[4]。

2.4 存在的主要问题

2.4.1 入洗原煤粒度对精煤产率的影响

工艺改造设计无压三产品重介旋流器的分选上限为50 mm, 根据筛分试验数据显示, 原煤中大于50 mm 物料占比23.2%, 此部分物料经过破碎机破碎后, 可进入块煤系统利用重介浅槽进行分选, 也可与小于50 mm 物料一同进入三产品重介旋流器进行分选, 但受限于MMD625 加长型破碎机的出料粒度限制, 实际入料上限可达到80～150 mm, 按照原煤自然级浮沉试验数据显示,200～50 mm 原煤中小于1.4 g/cm3的浮物产率为1.99%, 而将此部分物料破碎至50 mm 以下, 则小于1.4 g/cm3的浮物产率可达到3.12%, 说明块煤的解离程度对精煤的产率还是有一定程度影响的, 需要保证合适的解离度, 以提升精煤产率[5]。

2.4.2 不脱泥入洗工艺下的悬浮液稳定性问题

采用不脱泥入洗工艺可有效控制分选过程中的次生煤泥产生量, 但大量煤泥进入悬浮液当中, 可能会对悬浮液的稳定性造成一定程度的影响。 工艺改造中, 在合格介质管道上除了安装有压差密度计以外, 还安装了磁性物含量计, 用以反算悬浮液中的煤泥含量, 进而通过调控分流系统, 实现对煤泥含量的稳定控制[6]。 但是设计中只有正向分流, 即当悬浮液中煤泥含量过高时,可将合格介质分流至磁选机进行分选, 排出非磁性物, 而未设计反向分流, 即当悬浮液中的煤泥含量过低时, 能够及时补充一定量的煤泥。 此设计对于悬浮液的稳定性控制, 存在一定的缺陷。

2.4.3 高效浓缩机的煤泥缓存功能有限

原煤筛分试验数据显示, 保德选煤厂原煤中小于0.5 mm 煤泥含量为6.89%, 设计中采用筛网沉降离心机、 加压过滤机及板框压滤机联合处理串联浓缩底流煤泥, 且矸石泥系统独立, 完全可以满足系统的正常生产需要, 但是由于设计采用的高效浓缩机与耙式浓缩机存在明显区别, 高效浓缩机锥角为70°, 煤泥沉降后会在自重作用下流向锥角处, 由底流泵转排至煤泥处理设备进行脱水处理, 区别于耙式浓缩机具有较大的沉降面积, 可通过调整耙位起到一定的煤泥存储缓冲作用, 高效浓缩机底流泵转排出的煤泥如果不能及时处理, 则浓缩机锥角处的煤泥将不断积聚,最终导致底流堵塞, 因此该工艺设计对煤泥处理设备的运行效率要求相对较高。

2.4.4 转载工艺设计复杂

初步设计中, 由于受场地限制, 筛分破碎车间设计为东西方向长条形车间, 共有2 套筛分系统, 2 台筛机采用平行布置方式, 但由于块煤及末煤分选系统相对独立, 因此原煤经筛分破碎后, 物料必须经过转载才能到达主洗车间, 这就导致在2 台原煤分级筛筛下及筛前布置有3 台刮板机用于物料转载, 其中2 台为筛下物转载刮板, 1 台为筛上物转载刮板。 过多的转载刮板机导致系统的运行稳定性受到了极大的影响, 任意1 台刮板机出现故障都将导致原煤筛分破碎系统停转, 进而导致全系统停转。 此设计对于选煤厂的生产运行及设备维护带来诸多负面影响。

3 工艺设计优化及效果

为确保改造后的系统能够高效平稳运行, 根据上述工艺改造设计中存在的问题, 选煤厂与设计单位针对破碎机出料粒度、 介质分流、 煤泥处理以及转载设备优化等方面进行了施工前的工艺设计优化。

3.1 破碎机齿板调整

改造设计使用的MMD625 加长型破碎机为英国进口设备, 为双齿辊双向旋转式破碎机, 该型号破碎机为齿辊固定式设计, 无法通过调整两齿辊间距改变其出料粒度, 可选择性使用2 种齿板。 1 种为单排5 齿, 其出料粒度为80 ～150 mm, 主要用于破碎大块物料或含矸量较大的物料; 另1 种为双排5 齿, 其出料粒度为50 ～80 mm, 主要用于破碎精煤[7]。 为保证解离度, 选煤厂尝试使用双排5 齿齿板, 但由于破碎机入料中, 矸石产率达到70%, 且伴有大于200 mm 粒级的大块矸石进入, 该齿型无法顺利破碎物料,导致破碎机出现堆料情况, 后采用2 种齿板交叉安装使用, 即单个齿辊1 周8 排齿板中, 4 排为单排5 齿齿板, 4 排为双排5 齿齿板。 这样既能保证大块矸石顺利破碎, 又能一定程度控制出料粒度。

3.2 悬浮液反向分流设计

针对悬浮液中煤泥含量控制存在的问题, 原设计中只有正向分流, 即当悬浮液中煤泥含量过高时, 可将合格介质分流至磁选机进行分选, 排出非磁性物, 而未设计反向分流。 经过对整体工艺流程设计进行梳理, 对分流工艺进行了进一步优化。 将煤泥重介旋流器的溢流管道进行改造,使其与原设计中的合格介质分流箱相连, 采用电控气动阀门进行控制, 正常运行过程中, 煤泥重介质旋流器的溢流直接进入磁选机进行分选, 当系统内合格介质中的煤泥含量较低时, 可直接将一部分溢流分流至合格介质当中, 以稳定合格介质中的煤泥含量。

3.3 煤泥水系统工艺优化

为了有效降低高效浓缩机的使用对煤泥水系统的影响, 选煤厂从煤泥水处理设备的具体适配性考虑, 优化浓缩机底流流向, 确保多通道的煤泥处理工艺。

3.3.1 一段浓缩底流处理

原设计中, 一段浓缩使用2 座直径15 m 的高效浓缩机处理, 系统运行过程中采取不添加沉降药剂的自由沉降方式, 底流中的粗颗粒含量相对较高, 因此考虑利用筛网沉降离心机进行处理。 设计中共安装有3 台美国DMI 筛网沉降离心机, 小时煤泥处理能力为60 t, 正常情况下可以满足一段浓缩底流的处理, 但考虑到筛网沉降离心机的离心液处理难度较大, 且其运行稳定性的问题, 即一段底流可选择进入筛网沉降离心机或者加压过滤机进行处理。

3.3.2 二段浓缩底流处理

原设计中, 2 座二段浓缩机中, 1 座为直径15 m 的高效浓缩机, 另1 座为原系统所使用的直径30 m 的耙式浓缩机。 由于一段浓缩自然沉降,二段浓缩底流中的粗颗粒含量将会较低, 因此考虑使用板框压滤机处理二段底流, 但板框压滤机最主要的缺陷就在于其无法实现连续入料, 且设计中仅有2 两台板框压滤机用以处理二段底流,这就要求2 台板框压滤机必须保持高效运行状态, 即保证1 台入料、 1 台卸料的交替运行状态。但现实生产过程中肯定会出现各类运行故障, 若不能及时处理, 就会导致浓缩池内积压煤泥。 因此将原工艺设计中的单独流向调整为可选择性流向, 同样以加压过滤机作为备用缓冲设备, 设置二段底流进入加压过滤机入料桶的通道[8]。 考虑到加压过滤机对煤泥粒度组成要求相对较高, 因此在利用加压过滤机处理二段底流时, 需适当掺入一段浓缩底流。

3.3.3 矸石泥浓缩底流处理

原设计中, 矸石泥由1 台直径13.5 m 的高效浓缩机进行浓缩处理, 底流由3 台进口安德里兹400 m2板框压滤机进行脱水处理后, 与系统产生的矸石一并外排。 考虑到上述二段浓缩底流处理难度较大, 且仅有2 台板框压滤机进行处理,将此处用以矸石泥底流处理的3 台板框压滤机的其中1 台设计为多通道入料, 既可以用于处理矸石泥, 又可以用于处理二段浓缩底流, 同时其下方带式输送机设计为双向运行。

3.4 筛分系统工艺优化

为尽量避免使用刮板机作为原煤的转载设备, 提升生产系统的运行稳定性, 考虑将原设计的平行布置优化调整为对向布置, 即2 套筛分破碎系统沿着入洗带式输送机的运行方向进行布置, 筛下物料以及筛上经破碎后的物料可直接进入入洗带式输送机, 不需要经过转载设备。 该设计优化增加了1 条转载带式输送机, 但减少了筛下3 条转载刮板机, 有效地提升了选煤厂系统运行的可靠性。

3.5 其他工艺优化

除上述工艺设计优化外, 选煤厂还根据系统实际情况进行了若干其他工艺优化。 在原煤筛分环节, 为进一步提升筛机处理能力, 通过调整筛机筛板的孔径, 使筛机具备两段筛分功能, 一段筛分为50 mm 筛孔, 筛下物直接进入入洗带式输送机, 二段为100 mm 筛孔, 此段筛上及筛下物料均进入破碎机, 提前降低了筛机筛面物料, 使得整台筛机的处理能力明显增大[9]。 运行数据显示, 通过分段筛分工艺改造, 单台筛机的处理能力由设计能力800 t/h 提升至1 200 ～1 400 t/h。分段筛分工艺同样应用于精煤脱介筛, 精煤脱介筛筛前筛板由1 mm 脱介筛板更换为25 mm 分级筛板, 25 mm 筛上物料直接进入精煤带式输送机, 小于25 mm 筛下物料经离心机脱水后进入精煤系统, 这样可以降低进入离心机的物料上限(原设计50 mm 以下物料进入离心机), 有效延长了离心机的使用寿命。

4 结 语

保德选煤厂原设计为将保德矿生产的气煤加工为动力煤产品销售, 为了合理利用资源, 决定对现有工艺进行改造, 采用不脱泥无压三产品重介旋流器+煤泥重介生产10 级炼焦配煤。 项目初步设计完成后, 选煤厂通过认真分析研究, 对改造工艺系统进行优化。 优化内容主要有: 合理调整破碎机破碎齿的布局, 使入洗煤粒度合格; 优化合格介质分流, 确保悬浮液稳定; 灵活利用煤泥回收设备, 完善煤泥水处理系统; 优化转载设备台数, 降低故障点多等, 取得了明显的优化效果, 为选煤厂系统调试及正常生产打下良好的基础。