陈力攻，李延锋，李小可，石玉山，朱昆阳

(1.中国平煤神马集团 平顶山朝川焦化有限公司，河南 平顶山 467523；2.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

随着井下开采深度的增加和大型综采设备的使用，原煤中煤泥含量越来越高，细粒煤分选问题日益凸显。特别对于原煤中-0.5 mm煤泥占比超过40%的煤种，粗煤泥分选采用传统设备效果较差，易造成重介和浮选精煤“背灰”[1]。在细粒煤分选设备中，干扰床以其分选密度低、工艺简单、结构紧凑、运行成本低等优点，逐渐受到青睐[2，3]。很多学者针对细粒煤的分选，提出了多种形式的干扰床分选设备。K.P.Galvin和L.Maharaj等人对TBS的设备结构及分选机理进行了研究[4-6]。国内从2002年开始引进干扰床技术并广泛应用于细粒煤分选，在西马选煤厂、响水选煤厂都有应用，分选出的精矿灰分为12.98%，Ep值为0.15[7]。随后，刘文礼、吕一波、李延锋等人通过对颗粒干扰沉降理论的进一步研究，分别设计出了具有自主知识产权的干扰床分选机[8-12]，在国内梁北选煤厂、张双楼选煤厂、王家岭选煤厂等多处选煤厂应用，其分选精矿灰分为10.00%～13.00%，Ep值在0.10～0.24之间[13-15]。

综合分析干扰床分选机的应用现状，干扰床对粗煤泥分选具有一定效果，但分选精度普遍不高，精煤灰分很难达到10.50%以下。特别对于难选煤种，其分选精度明显低于重介质分选。因此，对粗煤泥分选设备进行研究，提高干扰床分选精度，保证其在复杂入料条件下的适应性，具有重要的理论和实践意义。

1 原煤性质分析

中国平煤神马集团平顶山朝川焦化有限公司选煤厂(以下简称朝川焦化公司选煤厂)是一座入洗能力为3.0Mt/a的选煤厂。洗选工艺采用“预先脱泥无压三产品重介质旋流器+煤泥浮选”的联合分选工艺。原煤经过0.5mm脱泥筛预先脱泥后，50～0.5mm粒级采用无压给料三产品重介质旋流器分选。-0.5mm粒级经过水力旋流器浓缩后，底流进入三产品重介质旋流器分选，溢流进入浮选机浮选。

但在处理煤泥含量比较大的原煤时，经过浓缩脱水后的粗精煤灰分往往高达14.00%左右，严重影响精煤产品质量。选煤厂对此类原煤进行粒度分析，其小筛分试验数据见表1。

表1 原煤筛分试验报告表

由试验结果可以看出，原煤中-0.5mm的煤泥含量达到了49.60%，而且块煤较少，煤泥中-0.15mm的极细颗粒占比最大。此类原煤易粉化，次生煤泥量大，需要对粗煤泥进行单独分选，降低粗精煤灰分[16，17]。

2 实验室传统干扰床分选试验

朝川焦化公司选煤厂对产品质量的要求为：精煤灰分小于等于11.00%，尾矿灰分大于等于60.00%。根据目前选煤工艺技术的发展状况，大多数选煤厂的粗煤泥分选采用一段式两产品干扰床[18-21]。朝川焦化公司选煤厂在实验室利用传统干扰床进行粗煤泥分选试验，其分选试验数据见表2。

表2 传统干扰床分选试验报告表

根据表2的试验结果可以看出，在利用传统干扰床对朝川焦化公司的粗煤泥进行分选的过程中，上升水流流量在30L/h时，溢流灰分最低，但此时底流灰分只有46.22%，尾矿跑煤严重，溢流产率也较低。上升水流流量在60L/h时，尾矿灰分达到了63.60%，但此时溢流灰分也达到了18.93%，不能满足精煤灰分的要求。

为了进一步观察传统干扰床的分选效果，选煤厂对溢流进行了筛分试验。观察在不同上升水流条件下，溢流灰分及粒度组成。其试验数据见表3。

表3 不同上升水流干扰床溢流筛分试验报告表

根据表3试验数据，绘制在不同上升水流情况下，各个粒级在溢流产物中的百分含量产率变化曲线，如图1所示。

图1 不同上升水流干扰床溢流筛分试验结果

由图1可知，在上升水流加大的过程中，溢流中1～0.5mm粒级在溢流中的占比不断增加，0.5～0.25mm粒级的占比先增大后减小，0.25～0.074mm和-0.074mm粒级的占比一直在降低。

通过传统干扰床分选试验结果分析可知，在上升水流较小时，粗颗粒占比少，细颗粒分选效果比较好；在上升水流增加至50m3/h时，0.25mm以下的细颗粒几乎全部随溢流而出，此时干扰床分选机对于细颗粒仅具有分级作用，不具有分选作用[22]；在上升水流继续增加的过程中，更多的粗颗粒经分选后随溢流而出，粗颗粒占比增加，细颗粒占比相应减少。因此，采用单一固定上升水流，无法实现“粗颗粒+细颗粒”同时分选[23]，尤其对于煤泥量比较大，细泥灰分比较高的煤种，需要采用更先进有效的粗煤泥分选设备。

3 三产品干扰床分选机的研究与设计

3.1 三产品干扰分选的技术路线

技术人员经过一系列原煤筛分试验和传统干扰床分选试验后一致认为，可以在传统干扰床的基础上，再增加一段分选流程，利用“粗选+精选”的方法，将一次分选后的溢流进行第二次分选，形成三产品干扰床分选的技术路线。其工艺如图2所示。

图2 三产品干扰床分选工艺图

3.2 三产品干扰床工业试验机的研发及主要部件

将传统干扰床的单筒分选改为“内筒+外筒”的两段式分选，同时增设顶水分配装置，分别在内筒和外筒中引入不同流量的上升水流，设计出了三产品干扰床工业试验机。其主要结构和部件有：

3.2.1 “内筒+外筒”的主要结构

三产品干扰床分选试验机主要结构如图3所示。在分选的过程中，矿浆首先进入内筒进行一次分选，重颗粒进入底流成为尾矿，轻颗粒上升成为溢流。内筒的溢流通过导流槽进入外筒中部，在外筒上升水流的作用下进行第二次分选。外筒的溢流作为最终精煤，底流作为中矿进行二次回收。内筒和外筒均设置密度探测器，并与执行机构联动，保证内部床层稳定。

图3 三产品干扰床主要结构示意图

3.2.2 顶水分配装置

上升水流是干扰床分选机主要的分选动力，也是影响其分选效果的重要参数[24]。为了保证内筒和外筒上升水流互不干扰，三产品干扰床设置了独立的顶水分配系统，由供水系统和分配系统组成。其主要结构如图4所示。在顶水分配系统中，由变频泵送来的顶水，通过管道进入环绕在干扰床外圈的顶水分配带，在顶水分配带中通过上下各6个分配支管，分别通往内筒和外筒的顶水室。在顶水室上方的喷射孔作用下形成稳定的上升水流。内筒和外筒上升水流的大小，主要通过安装在分配支管上的阀门调整，保证达到最优的分选效果。

图4 顶水分配装置主要结构示意图

3.2.3 内筒溢流给料装置

干扰床的分选床层位于整个筒体中部，物料应输送至床层中段方可得到快速有效的分选[25]。在三产品干扰床的结构设计中，内筒的溢流需要进入外筒进行二次分选。因此，在设计中通过在内筒的外壁增设0.6m的导流槽，构成内筒溢流给料装置，保证内筒溢流可以直接导入外筒中部进行分选，避免内筒溢流和外筒溢流形成交叉紊流，影响分选精度。其主要结构如图5所示。

图5 内筒溢流给料装置主要结构示意图

3.2.4 密度探测联动装置

三产品干扰床分选机的密度探测联动装置，主要由内筒密度探测器，外筒密度探测器、PLC控制器和电动执行器组成。为避免环形外筒不同区域的密度差异，设计中特别增加了一个外筒密度探测器，在外筒的直径两端分别设置密度探测器，保证外筒整体床层稳定。系统运行时，将内筒和外筒的分选密度转换为电信号传至PLC控制器，通过PLC控制器内部设定好的程序指令，控制电动执行器联动内筒和外筒的排料阀门开启或者关闭，保证床层内部密度与设定密度基本相同。其控制系统的逻辑如图6所示。

图6 三产品干扰床控制系统方框图

4 三产品干扰床分选机工业试验

4.1 生产运行情况

朝川焦化公司原生产工艺中，对粗煤泥仅进行简单的水力分级，底流经过脱泥后作为粗精煤产品，溢流和脱泥筛下水进入浮选。由于未经过分选，粗精煤筛上物灰分偏高，而筛下水的灰分偏低。经过三产品干扰床分选机在朝川焦化选煤厂进行粗煤泥分选工业性运行实践后，生产数据见表4。

表4 三产品干扰床运行数据对比 %

由表4可知，通过在现有系统工艺中增设三产品干扰床分选机，粗精煤回收率得以提高，灰分降低了约3%，稳定在10.50%左右，经过分选后的尾矿灰分达到了70.00%以上。同时减少了进入浮选的煤泥量，提高了生产效率。根据现场检查结果，三产品干扰床分选机各项工艺参数合理(分选密度1.48g/cm3，上升水量50～80m3/h，入水口压力50～70kPa)，运行效果良好。

4.2 单机检查

为了检验三产品干扰床分选机的分选效果，2018年12月，选煤厂化验室对分选机进行单机检查。三产品干扰床分选机的入料、溢流、底流小浮沉试验数据见表5—7。

表5 干扰床分选机入料小浮沉试验报告表

通过表6和表7可以得到三产品干扰床的产品分配率情况见表8。三产品干扰床分选机的分配曲线如图7所示。

表6 干扰床分选机溢流小浮沉试验报告表

表7 干扰床分选机底流小浮沉试验报告表

表8 三产品干扰床产品分配率计算表

图7 三产品干扰床分配曲线

根据图7分配曲线及计算结果，三产品干扰床分选机的Ep=0.085，I=0.137，η=91.37%。传统干扰床分选机Ep值在0.11～0.14之间[27，28]，与之相比，三产品干扰床分选机的分选精度更高。

5 结 论

1)在处理煤泥含量比较大的原煤时，采用“粗选+精选”技术路线的三产品干扰床，可以在一个分选设备中实现两级分选，经过分选后的粗精煤灰分降低3%左右，大大提高粗煤泥分选精度，同时有效避免了尾矿跑煤，提高了精煤回收率。

2)与其他粗煤泥分选设备相比，三产品干扰床分选机采用“内筒+外筒”的两段式的设备结构，辅以顶水分配系统和密度探测联动控制系统，可以在同一设备中实现“粗颗粒+细颗粒”分段分选，分选精度更高，设备更先进。