张运起，崔广文，沈笑君，张 玉，赵建军，徐东升

（1.山东科技大学化学与环境工程学院，山东 青岛 266590;2.黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022;3.山东华恒矿业有限公司，山东 新泰 271202）

山东能源新汶矿业集团有限公司华恒选煤厂是一座设计处理能力为1.20 Mt/a的矿井型炼焦煤选煤厂，其主要产品结构为“六级”冶炼精煤、洗混煤、尾煤泥等，其中精煤灰分在8%以下，属于优质气肥煤。自建厂以来，该厂经过多次改造，目前的生产工艺为:原煤进入跳汰机分选，精煤由弧形筛和高频筛脱水，筛下水经煤泥泵送至浓缩旋流器;旋流器底流由高频筛回收粗煤泥，高频筛筛下水和浓缩旋流器溢流进入浮选分选;浮选精煤经压滤脱水后混入精煤，浮选尾煤则进入耙式浓缩机处理。由于华恒选煤厂采用单一跳汰分选方式，因而分选精度较低，分选粒度下限较高，对于0.2～3 mm粒级这部分粗煤泥的分选效果差［1］。随着采煤机械化程度的提高，选煤厂入厂原煤中粉煤的含量越来越高，加之华恒煤矿地质条件的变化，导致原煤质量逐渐恶化，特别是入选原煤中的粗煤泥含量逐渐增加，粗煤泥的灰分也随之变高［2］。原有工艺对粗煤泥采用煤泥旋流器浓缩、高频筛脱水脱泥回收的处理方式已无法满足生产的要求，致使生产中精煤灰分波动大，且灰分过高，严重影响了精煤的质量。

为了解决上述问题，华恒选煤厂采用4台φ 500 mm三锥角水介质旋流器对粗煤泥系统进行改造，以对粗煤泥进行有效分选。

1 三锥角水介质旋流器结构与工作原理

粗煤泥的高效率分选是选煤行业的技术难题。煤泥重介质旋流器、TBS干扰床分选机、螺旋分选机和水介质旋流器等是最常用的粗煤泥分选设备［3］，但这些设备均存在自己的优势和不足。相对而言，水介质旋流器具有结构简单、无运动部件、生产成本低的优势，但分选精度和分选效率偏低［4－7］。为此，山东科技大学自主研发了三锥角水介质旋流器，该设备继承了传统水介质旋流器的优点，同时通过其独特的三段锥角结构设计，提高了分选精度和分选效率。

如图1［8］所示，三锥角水介质旋流器主要由溢流管、入料管、筒体、锥体和底流口组成。其中锥体分为三段，每段设定不同的锥角及锥面长度，由第一段到第三段锥角逐渐减小;溢流管直径与旋流器筒体直径之比偏大，溢流管下端与底流口的距离较小［9－10］。

图1 三锥角水介质旋流器结构示意图Fig.1 Structural diagram of hydrocyclone with three taper angles

工作时，物料以一定压力沿切线方向由入料管进入筒体，在筒体中形成了向下运动的外螺旋流和向上运动的内螺旋流;在离心力的作用下，入料中不同密度和粒度的颗粒形成干扰沉降层，高密度颗粒进入外螺旋流，低密度颗粒进入内螺旋流;在外螺旋流到达第一段锥体时，第一段锥体的锥角较大，干扰床层底部的高密度粗颗粒向下的轴向速度急剧减小，导致干扰床层底部的高密度粗颗粒在第一段圆锥部分聚集而产生较致密的底层，外螺旋流中的低密度颗粒进入内螺旋流由溢流管排出，部分低密度细颗粒填充在干扰床层孔隙间，随较致密的底层进入到第二段锥体;第二段锥体的锥角和半径减小，使外螺旋流切向速度增大，底层物料受到强烈切向速度的冲击松散开来，从而发生析离，底层中低密度颗粒会透过松散的床层进入到内螺旋流从溢流管排出;进入第三段锥体后，干扰床层被破坏，混杂在高密度粗颗粒间隙的低密度细颗粒在内螺旋上升流的作用下通过溢流管排出［11－14］。

2 粗煤泥分选系统改造

根据三锥角水介质旋流器的特点，结合技术指标和实验室数据，基于华恒选煤厂设备和管道布置情况，本着节约投资的原则，充分利用了原系统的煤泥桶、泵管道和筛分设备对华恒选煤厂原粗煤泥回收系统进行了改造，将系统原有的粗煤泥浓缩旋流器组更换成4台φ 500 mm的三锥角水介质旋流器 (2台生产，2台备用)，使粗煤泥进入两台三锥角水介质旋流器分选。经三锥角水介质旋流器分选后的溢流由弧形筛和高频筛脱水脱泥后，筛上产品混入精煤，筛下煤泥水进入浮选系统;底流则返回主选跳汰机再次分选。

粗煤泥分选系统改造后，华恒选煤厂的生产工艺得到了很好地完善，形成了原煤跳汰机分选，粗煤泥三锥角水介质旋流器分选，细粒煤泥浮选的联合工艺流程 (图2)。改造后，粗煤泥在跳汰分选之后，又进入三锥角水介质旋流器分选，经过两次分选，粗精煤灰分完全可满足生产要求。

图2 改造后的选煤工艺流程Fig.2 The modified coal preparation process

3 改造效果

3.1 生产技术指标

在正常生产的情况下，采取了华恒选煤厂三锥角水介质旋流器入料、溢流和底流各产品煤样。结合三锥角水介质旋流器分选下限和现场生产的实际情况，本次现场试验主要针对＞0.18 mm的粗煤泥进行灰分和产率等方面的分析。

从表1可以看出:

(1)入料粒度组成以0.28～0.9 mm粒级为主，占＞0.18 mm粒级煤样的63.79%;入料各粒级灰分随着粒度减小而增大，入料＞0.18 mm粒级累计灰分为10.59%。

(2)通过三锥角水介质旋流器分选后，溢流中＞0.18 mm粒级灰分可降至6.17%，即使在细粒煤泥含量大，高频筛脱泥效率降低时，也完全可以满足精煤灰分要求;溢流中＞0.9 mm粒级的煤仅为6.05%，远低于底流中＞0.9 mm粒级的含量，说明三锥角水介质旋流器还具有一定的分级作用，使底流颗粒较粗。

(3)从溢流和底流各粒级的灰分来看，溢流各粒级灰分均低于底流各粒级灰分，分选效果明显。但是三锥角水介质旋流器底流＞0.18 mm粒级的累计灰分仍然较低，仅为24.33%，说明底流损失了一部分精煤。考虑到颗粒较粗，产量较少，改造中将底流返回跳汰机再次入选，从而保证了精煤产率。

表1 三锥角水介质旋流器入料、溢流和底流筛分试验结果Table 1 Sieve analysis of feed，overflow and underflow from hydrocyclone with three taper angles %

为了评定三锥角水介质旋流器的分选精度，对溢流和底流产品进行了小浮沉试验，并根据试验结果制出了分配曲线，如图3所示。从图3中可以查得实际分选密度为1.44 g/cm3，计算得到三锥角水介旋流器分选粗煤泥的可能偏差 (Ep)为0.095，分选不完善度(Ⅰ)为0.216。可见，该三锥角水介质旋流器具有较高的分选精度。

图3＞0.18 mm粒级重产物分配率曲线Fig.3 Distribution curve of+0.18 mm heavy material

3.2 应用效果

粗煤泥分选系统改造之后，华恒选煤厂粗精煤灰分能够稳定在8%以下，且精煤产率有所提升。为了了解华恒选煤厂粗精煤系统改造效果，对比了华恒选煤厂改造前后20 d内的生产指标。表2为20 d内的平均生产指标，图4为20 d内的粗精煤灰分变化趋势图，图5为20 d内的最终精煤产率变化趋势图。

表2 改造前后20 d内生产指标平均值对比Table 2 The comparative analysis of production indexes in 20 days before and after modification %

从表2可以看出，华恒选煤厂改造前后最终精煤灰分均在6.4%左右，灰分较低，相差不大;改造前粗精煤平均灰分为10.31%，比要求灰分8%高了2.31个百分点，必须通过降低跳汰精煤的灰分，减少入选量，来保证最终精煤灰分，这样就使精煤产率减少;改造后粗精煤平均灰分7.30%，完全满足最终精煤灰分要求。

图4 改造前后20 d内粗精煤灰分变化趋势图Fig.4 The ash variation diagram of coarse coal slime in 20 days before and after modification

图5 改造前后20 d内最终精煤产率变化趋势图Fig.5 The yield variation diagram of clean coal in 20 days before and after modification

从图4中可以看出，改造前粗精煤灰分出现了17%以上的高灰情况，灰分大都在8%以上;改造后，粗精煤灰分稳定，且大部分在8%以下。并且表2显示，改造后粗精煤灰分合格率近90%，改造前粗精煤灰分合格率仅不到10%。

从表2和图5中可以看出，改造后最终精煤产率明显高于改造前，最终精煤平均产率提高了4.85个百分点。原因在于，粗精煤得到有效分选后，粗精煤灰分得到保证，跳汰精煤灰分可以适当提高，从而使最终精煤产率大大提高，使企业经济效益显著提高。

4 结语

华恒选煤厂应用三锥角水介质旋流器对粗煤泥分选系统进行改造，不仅完善了该厂的选煤工艺，并且有效解决了该厂粗精煤灰分偏高和波动大的问题，提高了精煤产率，可为企业带来良好的经济效益。三锥角水介质旋流器结构简单，配套工艺简捷，改造费用低廉，使用效果良好，为新建选煤厂粗煤泥分选系统建设与老厂粗煤泥系统改造提供了一条切实可行的技术途径，在粗煤泥分选领域具有良好的应用前景。

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