论煤层洗选特性与选煤厂设计的结合.pdf

译 文 收稿日期2005 - 08 - 15 作者简介孙梅芳1972 - ,中国矿业大学毕业,现任神东煤炭分公司物资供应中心采购部副经理。地址神木大柳 塔镇 论煤层洗选特性与选煤厂设计的结合 原文作者David M. Carrie Vice President ,John T.Boyd Company 译者孙梅芳 神东煤炭分公司 物资供应采购部,陕西 神木 719305 摘 要本文结合选煤厂和煤炭贮运设施设计过程中的注意事项,通过对煤层各种洗选特性的分析论证,提出了一种 如何获得工程设计基础资料的方法,并论述了前期合理的基础论证设计对工程建设的重要性。 关键词煤层洗选特性;选煤厂;设计 中图分类号TD92811 文献标志码E 文章编号1008 - 0155200603 - 0069 - 04 今天,为了追求煤炭资源和可燃物的最大回收 率,实现成本与质量的最佳平衡,从而获得最低成 本的能源,选煤行业变得日益重要。为了实现产品 的最大回收率和最低加工成本,对煤炭的开采、 装 运、 贮存及洗选方法进行深入评估则显得至关重 要。选煤开始于工作面,作为总的指导原则,煤的 转载次数越少越好。按照匹兹堡Stealers橄榄球 队前任教练Chuck Knoll的话来说,“我们需要回 到起点” 。本文将论述一种评估煤层洗选特性的方 法,以及如何据此进行选煤厂和煤炭贮存、 装卸设 施的合理设计。 一、 煤层特性 在选煤厂和煤炭贮运设施的设计过程中应充 分考虑该煤层所独有的特性。这些煤层特性包括 毛煤粒度特性 哈氏可磨性指数HGI 易碎性 风化性 流动性 浮沉特性 可浮性 1、 毛煤粒度特性 有代表性的毛煤生产大样是获得选煤厂设计 所需基础数据的前提。生产现场采得的毛煤生产 大样应送到合格的试验室进行筛分试验和粒度组 成分析。试验结果会为我们提供该原煤的粒度组 96 译 文 内蒙古煤炭经济 2006年第3期 成和夹矸含量OSD。夹矸含量包括顶、 底板的混 入量混入量取决于煤层的开采条件及作业方式。 一般高灰页岩、 板岩及砂岩的粒度分析进行到 1/ 2″ 或10mm的粗粒级即可,而黏土则要分析到 325网目。粒度组成分析数据可以在Rosin - Rammer图中绘制成曲线,而该曲线图反映了粒度 分布的基本原则。如果筛分试验结果理想,在图中 绘出一条直线。选煤厂设计人员可以根据自己对 煤层特性及采煤方法的理解和分析,利用该曲线图 对选煤厂的入料粒度组成进行调节。如附图所示, 该曲线图反映了一个典型的筛分试验范例及对选 煤厂入料原煤中28目 30粒级进行调节的结果。 2、 哈氏可磨性指数HGI 哈氏可磨性指数HGI是测量煤炭研磨成粉 的难易程度指标,它基于美国试验和材料学会的已 有标准ASTM D - 409。一般来说,煤炭的耐磨 性与其挥发分之间有一定关系。中低挥发分的煤 炭较高挥发分的次烟煤或无烟煤更易于磨碎。 HGI值大于60的煤较HGI值较低的煤更易于破 碎。在选煤厂设计过程中应考虑煤炭破碎的潜在 可能性。 3、 可碎指数 可碎性是指煤炭在装卸和湿式处理过程中抗 破碎的程度。在实验室中,该值是通过跌落试验 ASTM D - 440及转筒试验ASTM D - 441测 得的。虽然可碎性与煤化程度之间有一定关系,但 在具有相同煤化程度的不同煤层之间其可碎性仍 会有变化。所以近年来美国煤矿及选煤设计机构 在选煤厂设计过程中并未完全依赖这些试验。如 果对某煤层的稳定性有疑问时,建议在设计之前对 这些参数进行针对性的试验。采用上述信息能有 效防止在选煤厂设计过程中利用不正确的假设值。 4、 风化性 风化性是指煤炭暴露于大气条件下发生碎裂 的趋势。贮存了较长时间的煤比新采出的煤更难 加工和回收。一般情况下,会造成选煤厂在处理风 化煤时入洗率和回收率降低。因此对于易风化的 煤种,采取随采随选的生产方式比建造大型露天贮 煤场效果要好。如有可能,原煤贮存场的贮存量应 当限制在选煤厂30天的用量之内。 虽然对风化性无直接的测试方法,但是检测高 位发热量是否减少不失为检查煤风化程度的一个 好方法。此外也可检测粉煤含量是否增加。 5、 流动性试验 煤炭的流动特性是进行物料装卸及贮存系统 工程设计所需的重要参数。对物料的流动性进行 任意假设会导致设计失误。如果对流动性有任何 疑问,则在设计和建造之前对要装卸及贮存的煤炭 进行试验。将煤样送到专业化的实验室进行试验, 依此制定煤仓、 漏斗及溜槽的设计标准。 6、 浮沉试验 对一个或多个具有代表性的大样进行分粒级、 分比重的浮沉试验,即可确定该煤的可选性。可选 性难易程度与邻近比重物含量 δ 01 1 有关联。 如果邻近比重物含量较少0 - 10 ,则水介质和 重介质系统均可使用。重介质分选法已经有效地 应用于邻近比重物含量达40 的煤炭洗选。浮沉 试验数据应当输入到计算机模拟处理程序中,此程 序可计算产品的回收率及产品质量。它有助于设 计出最适合该煤种的洗选流程,并获得所需的产品 质量。 7、 浮选试验 一般情况下,浮选是- 100网目 150 微米粒 级冶金用煤的常用精选工艺。历史上,多数动力煤 选煤厂都将- 100网目的末煤作废弃处理。如今, 由于回收率的逐渐降低、 经营和矸石排放成本的逐 步升高,使得我们有必要对回收超细粒煤100 - 325网目的经济性进行评估。 为了测得传统浮选和柱式浮选的产品回收率 和产品质量,应当进行浮选试验。当处理黏土含量 较高的原煤时,柱式浮选槽比传统的浮选机更为有 效。现有选煤厂应当做现场试验来确定最佳的浮 选设备类型,而现场试验所用煤样应该从选煤厂的 细煤泥系统中采得。 二、 选煤厂设计、 建设投资和经营成本 1、 选煤厂装卸及贮存设施设计 07 译 文 内蒙古煤炭经济 2006年第3期 将毛煤输送到贮装系统是选煤作业的开始。 对高产量的大于3000t/ h长壁矿井的毛煤贮装 系统进行设计时需要特别注意,如果原煤在运输到 地面前未经井下预先破碎,则更需慎重。如果设计 不当,将物料直接运至筛分站的倾斜胶带输送机会 出现撒煤严重、 磨损加剧和结构性故障。 无论毛煤还是精煤,当属于易碎煤种时,对其 贮装系统需要进行特殊设计,并尽可能遵循以下原 则 选煤厂未经分级的物料应该用大功率倾斜 胶带输送机直接运至贮煤点; 系统中减少转载点的数量和高度; 易裂解的煤应当贮存在筒仓中,或者采用其 他不使用移动设备的自动取料方式; 具有高风化趋势的煤应当封闭贮存。超过 一定存放期 30天的煤应当分层并压实贮存, 以减小风化及自燃的可能性; 哈氏可磨性指数超过52、 25mm粒级内矸 石含量较高的毛煤,设计人员应当考虑配置预先分 级和加工。并在进入洗选厂前利用滚筒碎选机去 除大块岩石; 哈氏可磨性指数较低的毛煤应通过筛分破 碎站进行处理。高灰岩石应当在进入系统之前用 粗筛去除。对中粒级的煤来说,当原生粉煤直接旁 路后,采用齿辊式破碎机破碎可减少粉煤的产生。 如前所述,对煤的特性进行预先试验会减少设 计失误,并可避免现场改造的费用。这也是区分工 程优劣的差别所在。 2、 选煤工艺设计 历史上用于选煤的方法有许多,大多数可归属 于以下五种类型 机械式滚筒碎选机和筛分破碎车间 风力式风力摇床、 风力跳汰机和风力分级机 水介质式鲍姆跳汰机、 水力摇床、 水介质旋流 器、 水力沉淀装置和螺旋分选机 重介质式重介槽式分选机和重介旋流器 化学式浮选 多数洗选工艺都是基于特定的比重分选技术, 这些技术都是根据毛煤中所含杂质与煤的密度不 同来进行。有些工艺效率较高,有些工艺则成本较 高。因此如何将各种工艺流程合理组合起来,在合 理的投资及成本前提下取得煤炭的最大回收率,对 我们来说是一种挑战。 产品类型动力用煤和冶金用煤影响工艺流 程的选择。该煤种能否满足特定的产品质量要求 需要进行评估,并据此来确定经济上回收超细粒煤 - 100网目是否可行,在改善加工特性方面对产 品进行干燥以降低水分是否有必要。近年来,随着 机械脱水工艺的提高,已经使得100 - 325网目细 粒级煤的回收变得更为经济。 在20世纪70～80年代,许多动力煤选煤厂将 - 100网目细粒级煤作为矸石排弃。出于对环境 及矸石处理成本的考虑,要求煤炭工业必须改善粉 煤回收工艺。采用澄清水的开路或者闭路循环工 艺将会对选煤厂处理能力及经营成本带来巨大影 响。由于闭路脱水系统增加了化学处理成本,一般 情况下,用泵将煤泥浆打到专门设计的煤泥池中或 者直接排到废弃的井下,要比闭路的脱水系统更加 经济。但由于这种混合排放方式所排矸石的粗细 比例失调,多数煤层自身并不具备接收条件。通常 必须使用凝固添加剂来稳定这些排放区域。此外, 如果拟采用洗水闭路循环系统,建议必须对粉煤进 行测试,以决定脱水条件和设备能力。其他选煤厂 采用的设备和系统不一定适合于处理矸石粉末的 场合。 选煤厂设备选型和工艺布置将会直接影响该 厂的回收率。通常选煤厂有三种工艺布置方式其 中第一种为低厂房布置方式。这种选煤厂的水平 式布置方式借鉴于选矿工业,其大多数固体物料采 用泵输送。厂房结构的高度限制在3～4层。特别 是模块型结构日益受到欢迎在这种结构形式中, 每个单独的洗选回路在独立的单元或模块中设置。 在一个完整的外围护结构和骨架内,可以将多个回 路模块组合在一起以提高整个选煤厂的处理能力。 而工艺系统则采用单独的建筑结构予以支撑。这 种设计的优点是可以通过任意增加模块来提高整 17 译 文 内蒙古煤炭经济 2006年第3期 个系统的处理能力,但其缺点则是会对可碎性较高 的煤造成粒度变小和回收率损失。 到20世纪60～70年代后期,依靠物料自身重 力的垂直布置方式在减少物料粒度变小方面受到 欢迎。一些选煤厂的建筑高度超过了55m ,物料完 全靠重力流经整个工艺流程。但是由于这些选煤 厂建设投资较高,相对于后续将要介绍的综合了重 力输送和泵输送两者优点的布置方式来说,该种布 置方式并不具备任何优势。 第三种布置方式的选煤厂对粗粒度煤 6mm采用重力输送方式,而对粉煤则采用泵送方 式。这种工艺布置适合于多数煤层。目前的工艺 发展趋势是用泵输送所有粒级,且用大直径旋流器 处理粗粒煤。但是这种工艺会引起易碎煤的严重 破碎,矸石含量较高时尤为突出。而重介分选槽在 造成粒度变小方面要轻微很多,且排矸效果极好, 应考虑用其处理易碎煤。 一般来说,随着矸石和煤层夹矸的增加,煤炭 资源的开采变得越来越困难,而且这种趋势还会继 续发展下去。由此造成选煤厂的工艺系统必须能 够处理回采过程中产生的矸石和超细粒煤。因此, 将选煤厂的工艺设计与其煤层可选性适当地结合 起来是很重要的。 3、 建设投资 相对于25年前,如今选煤厂的建设投资要有 所降低。20世纪70年代建设一个选煤厂的每小 时吨煤能力投资在114～210万美元左右,其投资 高低取决于设计中所含受料设施的不同。如今建 设一座选煤厂并包括一座自然沉降浓缩机的每小 时吨煤能力投资在018～112万美元之间。在相同 处理能力情况下,设备大型化的发展降低了设备配 置数量,并且减小了厂房的总体尺寸。在多数情况 下,高效重介洗选系统投资成本的降低,已经使得 仅能用于粗粒煤分选的鲍母跳汰机无用武之地。 由于环保要求的逐渐提高,今后用于毛煤、 精 煤和矸石贮存设施的建设投资会日益增加,而且要 求在运输与贮存过程中尽量减少煤炭损失。密封 的贮存设施如煤仓、 拱棚型贮煤场等将会被用来 控制煤尘。发展新型矸石排放方法将成为煤炭工 业的主要挑战。将来的选煤厂需要增加建设投资 来满足更加严格的环境和健康要求。 4、 经营成本 选煤厂用于运行和维护的吨煤成本基本保持 相对稳定。由于不存在磁铁矿粉的成本支出,单纯 的水介质洗选系统的经营成本比重介质洗选系统 要低。通常,选煤厂的经营成本在1～215美元/ t 毛煤之间变化。该成本差异主要取决于选煤厂的 规模、 洗选工艺及能力利用率。近几年洗选材料成 本稳步提升,这主要包括磁铁矿粉、 药剂、 零部件及 维修费用。但选煤厂自动化减少了人力配备因而 降低了人工成本。选煤厂的产量降低也会造成精 煤产品的吨煤成本升高,而由于采矿条件的恶化造 成开采过程中矸石的增加和煤炭赋存质量的变差 则是造成选煤厂产量降低的直接原因。可以预见, 在很长一段时期内选煤厂的经营成本还会继续升 高。 三、 结论 今后的选煤厂需要改进工程设计,以确保满足 新矿井的需求。前期规划失误往往会导致工程达 不到预期设想,造成额外资金增加、 收益降低。所 以,与前期采用没有依据的假设然后再费大量资金 进行后期的整改相比,前期投入必要资金进行工程 的充分设计论证是比较明智的做法。 责任编辑陈凌霄 27 文教与卫生 内蒙古煤炭经济 2006年第3期