黑山煤矿块煤分选提质系统工艺设计探讨

郭 静

(新疆圣雄能源股份有限公司 黑山煤矿，新疆 吐鲁番 838100)

煤炭是我国的主体能源和重要工业原料[1]。在经济增长放缓、经济结构和能源结构调整加快及环保力度加大的背景下，煤炭在我国能源消费结构中的比重逐步降低是大势所趋[2]。因此，实现煤炭分质、分级梯级利用，提高煤炭资源综合利用效率既是落实我国生态文明建设、推进绿色发展、生态转型的有效途径，也是煤炭行业可持续发展的必然要求[3，4]。

黑山煤矿位于新疆托克逊黑山矿区，属托克逊管辖，在托克逊县西北约90 km处，东西长约20 km，南北宽约4.90 km，总面积约97.75 km2[5]。黑山煤矿开采境界内可采原煤量为1 189.53 Mt，设计开采能力为400万t/a，其煤种为低灰、低硫、高发热量、高焦油含量的长焰煤和不粘煤，煤的碳氢比、镜质体反射率、成浆性等指标基本符合煤炭液化指标要求，且煤中焦油含量最高达18.6%，是制兰炭的好原料。根据黑山煤矿煤层分布情况，随着开采煤层层数的增多，块煤含矸率会逐年增加，不仅造成选采困难，而且开采原煤无法达到用户对原煤利用灰分低于5%的要求。为提高原煤入洗率，稳定产品质量，提高经济效益，减少高品质的煤炭作为电煤低价销售的现象，必须建设配套的煤炭洗选设施。加快煤炭企业的建设和改造，不仅是国家煤炭产业政策和环境保护倡议的需要，也是优化产品结构，满足目标用户要求，提高企业自身市场竞争力及经济效益的需要。

根据目前国内洗选煤技术的发展情况，分别比较动筛跳汰分选、重介质浅槽分选和高原型ZM矿物高效干法分选3种选煤方法对黑山煤矿筛分系统生产的80～20 mm粒级煤炭的分选效果。动筛跳汰机利用筛板做上下往复运动，使筛板上的物料按密度分选，适用于400～25 mm (13 mm)粒级大块煤的分选。动筛跳汰机的优点是工艺简单、维护方便、易于操作，适于易选煤的分选，缺点是要求入料必须均匀，且筛板运动容易造成介质紊流，引起分选介质密度的波动，降低动筛分选精度[6，7]。重介质浅槽分选机是目前应用的分选精度最高的重选设备。传统的特大型动力煤选煤厂大多以块煤重介质浅槽水洗工艺排矸为主，分选下限为25 mm、13 mm或6 mm，对末煤一般直接筛分旁路不洗。但是重介质浅槽分选设备工艺系统复杂，基建周期长，且煤泥水系统处理量大，运行成本高，回收的煤泥水分高，难以销售和利用。同时，水洗后商品煤中水分增加，导致煤炭发热量降低，达不到降灰提质的目的[8]。

基于黑山煤矿所属地理环境水资源不足，且矸石主要为炭质泥岩，硬度小、易碎的现状，综合考虑黑山矿区地理、气候、煤质和销售等实际情况，决定采用高原型ZM矿物高效分离机对黑山煤矿原煤进行干法分选。分选后不仅可以提高煤炭产品的发热量，大幅度减少矸石进入重介质选煤厂旋流器的数量和旋流器堵塞的现象，还可避免煤泥水的产生，增加了矸石系统等环节设备设施的使用寿命[9，10]。

1 煤质特点与产品方案

1.1 煤质特点

黑山煤矿块煤为低灰、低硫、低磷、高挥发分、高发热量的长焰煤及不粘煤。为详细分析原煤煤质特点，分别对其进行了原煤筛分和浮沉试验，并绘制了原煤粒度组成图和可选性曲线，结果如图1和图2所示。原煤灰分为17.13%，属于低灰煤，其中，大于200 mm，200～100 mm和100～50 mm粒级原煤中矸石含量分别为7.67%，16.58%和8.11%，3个粒级原煤中的矸石含量均高于5%，表明开采的原煤不能直接作为加工兰炭的原料；矸石灰分均在80%以上，矸石较纯，适合直接排矸。此外，原煤中大于25 mm 粒级产率为46.6%，小于13 mm 粒级产率为40.75%，灰分为19.16%，小于0.5 mm粒级产率为16.56%，灰分12%，末煤灰分较块煤偏高，说明矸石易碎，水洗时煤泥量大，宜采用干法分选。

图1 原煤粒度分布组成

图2为大于10 mm粒级原煤可选性曲线。分析图2可知，原煤灰分约为17%，基元灰分λ曲线随着灰分的增大(0→20%)，其对应的产率值先快速增大至80%左右，说明低密度煤炭质地均匀，不易选；随后在灰分由20%趋于100%的较长阶段内对应的产率变化缓慢，由80%增加至近100%，表明高密度煤炭含量较少，在该密度下煤与矸石易分选。另外，由δ曲线可以发现，精煤产率随着分选密度增加(1.30→1.5 g/cm3)而快速增大(69%→83%)；而分选密度在1.50～1.85 g/cm3区间时，精煤产率几乎不变。结合以上两点可知，原煤中可燃物组成主要分布在小于1.50 g/cm3的低密度组分中，精选密度应低于1.55 g/cm3，排矸密度可设置在大于1.85 g/cm3。基于ε曲线可知，在分选密度大于1.45 g/cm3时，原煤可选性为易选。

图2 大于10 mm粒级原煤可选性曲线

1.2 产品方案

根据该矿当地煤炭市场情况，小于20 mm粒级末煤可直接供火力发电厂燃烧用煤，50～20 mm的小块煤和80～50 mm块煤可用作兰炭厂加工制备兰炭的原料用煤。经过分选后的产品结构为：块精煤(80～50 mm)、小块精煤(50～20 mm)、末煤(小于20 mm)、除尘煤粉、选后矸石。

2 分选原理及工艺流程

2.1 分选原理

ZM矿物高效分离机工作原理是采用阶梯式分离，每个阶梯区间内物料流化分层，同时增加击振力，加强物料按密度分层效果，低密度物料最先越过溢流堰被排出，剩余物料进入下一个阶梯区间再次进行分选，直至分选完毕，排出重产物。此外该系统采用落料点密封、喷雾降尘和引风除尘联合降尘、除尘工艺，粉尘无外溢，对环境无污染，除尘器回收的煤粉可以单独排放，降低对环境的影响。

2.2 工艺流程

图3为块煤干法分选工艺流程示意。通过对50～20 mm小块煤上仓胶带机进行改造，在分级筛溜槽处加装分料口并设置分料闸板，可将50～20 mm物料送入原有胶带输送机，也可以将80～50 mm原料送入改造后的可逆胶带输送机。当原料需要分选时，打开分料闸板，将80～50 mm块煤和50～20 mm小块煤混合进入可逆胶带输送机，将20～80 mm混合块煤转载到原料煤场。储煤场设防风抑尘网，原料煤场储煤能力约1 500 t，混合块煤经受煤坑给料机均匀送入干选系统上煤胶带输送机。当原料不需要分选时，分料闸板关闭，可逆胶带输送机反转，50～20 mm小块煤经可逆胶带输送机转载到原50～20 mm小块煤上仓胶带输送机中，运往小块煤煤仓储存；80～50 mm块煤经原有系统运至块煤煤仓存储。80～20 mm混合块煤经上煤胶带输送机送入高原型ZM400分选系统，分选出精煤、中煤、矸石3种产品。少量中煤返回上煤胶带再次进入分选系统分选，保证了精煤产品质量和矸石产品的纯净度，实现终端产物为精煤和矸石；80～20 mm干选精煤产品经筛分得到80～50 mm块精煤、50～20 mm小块精煤和小于20 mm末煤3种产品，小于20 mm末煤与上一级筛分后的末煤混合形成末煤产品。

图3 块煤干法分选工艺流程示意

2.3 分选效果

通过对分选后精煤产品进行浮沉试验，得到产品各密度级组成，并计算各密度级的分配率，如图4所示，用于评价分选效果。通过分配曲线，得到ZM型矿物分离机的分选密度为1.91 g/cm3时，其可能偏差E=0.21 g/cm3，此时设备的排矸效率已经超过90%，实现了原煤的高效排矸提质。

图4 精煤产品分配曲线

3 设备选型和工艺布置

3.1 ZM矿物高效分离机选型

根据设备选型原则、设备选型不均衡系统和干法选煤系统的处理能力，对干法选煤系统主要工艺设备进行选型。

ZM400型矿物高效分离机标定生产能力400 t/h，但生产条件是海拔1 000 m以下、粒度0～100 mm、煤炭和矸石密度差较大。由于设备所处环境、煤炭颗粒自身物理特性等均会对分选结果造成影响。综合考虑环境和颗粒物性质等因素，结合工业试验及高原干法选煤实际情况，分选块煤的产能为标定产能的80%，高原地区产能为标定产能的90%。根据实际加工指标，ZM400型分离机在黑山煤矿分选块煤实际处理能力为280～300 t/h，排矸数量效率为90%以上，有效分选粒级100～3 mm，可能偏差E=0.15～0.25 kg/L，能够有效降低原煤灰分，满足煤炭后续生产加工的要求。而ZM300型分离机实际处理能力为200～220 t/h，但是ZM400与ZM300型分选机吨煤耗电基本相同，因此，推荐选用ZM400型矿物高效分离机。表1所示为高原型ZM400矿物高效分离机主要工艺参数。

3.2 输送设备选型

基于黑山煤矿现有的分选系统布置，仅对50～20 mm小块煤运输环节及末精煤输送环节进行工艺比较和布置。对比胶带输送机与斗式提升机的特点可知，胶带输送机具有投资少、运输环节简单，功率消耗低等优点，对运输50～20 mm小块煤更具有优势，因此，在黑山矿区原有基建设施的基础上，采用胶带输送机完成对50～20 mm小块煤的运输。

表1 高原型ZM400矿物高效分离机主要工艺参数性能

针对粉煤的运输环节，提出3种输送方案将粉煤转载至现有末煤胶带输送机：只采用高倾角胶带输送机；采用普通胶带输送机+高倾角胶带输送机；采用2台普通胶带输送机。通过对3种方案的计算，分析对比，其结果如表2所示。结合工业生产实际需求，对比分析了3种方案，发现采用高倾角胶带输送机，不仅能够满足分级后小于20 mm末煤的转载，而且能将分级后的50～20 mm小块精煤直接返回到原有50～20 mm小块煤上仓胶带输送机中，运至原有煤仓进行储存销售。分级后的80～50 mm块精煤也能够直接返回到原有块煤上仓胶带输送机上，实现入仓存储销售。

表2 粉煤运输方案对比

3.3 工艺系统布置

黑山煤矿现有地面生产系统主要任务是完成露天开采原煤的准备破碎、筛分和储存运输。毛煤由翻斗车运至地面卸入接受仓，仓下给煤机将毛煤给入胶带输送机运至破碎机，将毛煤统一破碎至80 mm以下。小于80 mm粒级物料经胶带输送机运至筛分车间，进入2台筛孔为50 mm和20 mm的原煤分级筛进行准备筛分。80～50 mm块煤经胶带输送机进入块煤储煤仓存储外运；50～20 mm小块煤经胶带输送机进入小块煤仓存储外运；小于20 mm末煤通过末煤胶带输送机运至卸煤栈桥胶带输送机，将末煤储存在地坑煤仓，由胶带输送机装车外运销售。干法选煤系统原煤准备系统建设在原有80～50 mm块煤上仓胶带输送机的南侧，这样有利于原料煤的取料布置及原料煤能有足够的空间储存，同时不影响原有道路的通行；主分选系统建设在80～50 mm块煤上仓胶带输送机的北侧，并尽量靠近50～20 mm小块煤胶带输送机，以减少占地。选后精煤筛分系统建设在50～20 mm小块煤上仓胶带输送机的西侧，分级后的胶带输送机并排布置尽量贴近50～20 mm小块煤上仓胶带输送机，以便回料；矸石向西侧排放，能够有独立的空间存放矸石，同时方便汽车外运。

表3 经济效益核算

4 经济效益分析

利用高原型ZM矿物高效干法分选系统能够实现原煤混合入选处理量115万t，精煤产率为93.60%，其中80～50 mm粒级精煤占28.08%，50～20 mm粒级精煤占比65.52%；矸石排出量为6.40%。此外，该系统吨煤耗电2.84元(5.16 kW·h/t，0.55元/(kW·h))，年材料耗材费用约101.02万元，人工成本费用1.15元/t煤。综上，该分选系统年度经济效益为503.44万元，经济效益明显，且无污染，无环保附加成本。

5 结 语

利用高原型ZM矿物高效干法分选系统不仅有效排出了黑山矿区块煤中的矸石，提高了精煤产率，为企业增加了客观的经济效率，且工艺布置合理，物料走向灵活。通过对胶带输送机的改造和布置，有效灵活地解决了不同煤质产品的处理问题。当原煤质量较差时，可逆胶带输送机正转，将原料送入分选系统处理，分选得到80～50 mm块精煤、50～20 mm小块精煤和小于20 mm末煤3种产品。分选过程不用水、无污染、操作简单、运行成本低，分选数量效率高于90%，年经济利润可以达到503.44万元，有效实现了黑山矿煤炭的高效提质；当原煤质量达标时，可逆胶带输送机反转，利用原有系统正常生产；当分选系统设备检修、故障时，可通过原煤储煤场缓存，避免影响筛分厂的正常生产。