南梁选煤厂动力煤煤泥浮选回收技术的研究与应用

霍志飞

(中煤集团西北能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

南梁煤矿选煤厂位于陕西南梁矿业有限公司工业广场内，于 2011年4月开工建设，2012年6月15日建成投产。选煤厂原设计规模为3.0 Mt/a，工作制度为16 h/d，330 d/a。选煤工艺为：200～13 mm块煤重介浅槽分选，13～1.5 mm末煤脱泥有压两产品重介旋流器分选，1.5～0.15 mm粗煤泥螺旋分选机分选，小于 0.15 mm煤泥不经分选直接由快开压滤机脱水后排弃。入选煤种主要为长焰煤，主要用途为动力用煤及化工用煤，80～30 mm块精煤灰分不大于6.00%，30～0 mm电煤灰分不大于12.00%。

1 目前存在的问题

自投产以来，南梁选煤厂煤泥量约为10%，灰分在40%～50%之间，每年排弃的煤泥在30万t以上。由于煤泥灰分高、水分高、发热量低，且煤泥粘滞，掺配后易于结团等原因。煤泥实际处理方式为少部分由地方电厂低价或无偿拉走，绝大部分排弃至排矸场倾倒掩埋处理，不仅对周围环境造成了污染，还浪费了宝贵的煤炭资源。煤泥的低级处理方式带来以下主要问题：

(1)煤泥没有得到有效的回收利用，大量的煤泥直接外排，浪费了宝贵的煤炭资源，因而直接影响企业经济效益。

(2)环保压力不断增大。洗选产生的煤泥脱水后存放在排矸场，煤泥在晾晒过程中，遇水流失、遇风飞扬，污染了矿区环境，煤泥的堆存还易造成排矸场自燃，后期可能增加排矸场自燃处理费用。同时由于环保政策越来越严，排弃矸石、煤泥量大，对矿区造成环境污染的风险日益加重。

(3)影响排矸场的正常服务年限。大量煤泥直接外排，将直接导致公司排矸场服务年限缩短，后期势必需要再征用场地，征地程序复杂且需支付高昂费用。

(4)根据矿井开采计划，下一步矸石泥化现象比较严重，届时煤泥量和煤泥灰分会更高、发热量更低，煤泥的处理将比目前更困难。煤泥浮选是煤泥提质利用的可靠技术手段，为低阶煤煤泥处理打开了新的路径。

2 相关技术国内外研究现状

低阶动力煤具有较高的表面孔隙度和较高的含氧官能团，亲水性较强，可浮性较差；当变质程度增高，煤的排列变得致密，孔隙度降低，表面含氧官能团减少，疏水性增强，在焦煤时可浮性最好。然而，随着变质程度进一步提高，孔隙度增加(孔隙度是指煤样中所有孔隙空间体积之和与该煤样体积的比值)，侧链减少，碳链变短，疏水性降低[1]。对于高变质程度的煤种，选用合适的浮选设备，通过调整矿浆浓度、加药制度和粒度组成就可以达到理想的浮选效果。对于低阶煤种，国内外学者做了大量的研究工作，取得一定的进展，但均仍停留在实验室阶段。为了减小资源浪费，提高选煤厂的精煤产量，增加选煤厂的经济效益，低阶煤浮选问题一直是各大科研机构研究的重点。

在蒙陕地区，选煤厂设计时几乎不配套煤泥浮选系统，通过工艺设计，尽可能地降低煤泥量，根据压滤后煤泥的发热量，一是将煤泥回掺到混煤中，作为产品销售，二是排弃掉。近几年，由于煤价的上涨，也有一些企业在尝试采用浮选回收煤泥中的精煤，如采用机械搅拌浮机、浮选柱，但因为成本和回收率的问题，能正常生产的几乎没有。

3 煤泥的特性分析

2017年，中煤西北能源接管南梁矿业公司，根据当时中煤集团公司提质增效的要求，着手研究煤泥的回收利用，经过对周边及全国不同煤种选煤厂的煤泥处理方式的调研和研究，发现低阶动力煤的煤泥回收成本较高，在全国范围内基本上采取的措施是排弃、直接脱水回掺或干燥后回掺。南梁的煤泥水分大于27%，灰分大于40%，发热量小于7.53 MJ/kg，直接脱水回掺不合适。如果采用干燥工艺，投资需3 500万元左右，发热量可以提到高11.72 MJ/kg左右，仍然无法回掺，而且环保手续难度较大。采用传统浮选工艺，成本较高，降低成本的可能性较小。经多方研究试验，选煤厂最终确定采用配套表面改质、射流微泡浮选、空气穿流干燥压滤机的工艺对煤泥进行回收利用。

经与相关专家学者对南梁煤泥的特性进行研究发现，南梁选煤厂煤泥特点，一是易泥化，高泥化煤泥容易产生细泥覆盖现象，即大量高灰细泥覆盖在精煤表面，污染精煤；二是煤泥细颗粒含量高，需要高分散性的大量微泡对其捕集才能获得好的浮选效果，而且需要较高的浮选选择性；三是表面活性差，浮选药剂在其表面反应与吸附的时间要比较长，需要较长的浮选时间；四是需要较高的能量输入，只能在强剪切和强紊流流体力学环境下，提高细颗粒和气泡的碰撞附着概率，才可以获得较高的精煤产率。

3.1 煤泥小筛分、小浮沉及可浮性研究

3.1.1 煤泥筛分粒度组成分析

按照GB/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》，对南梁煤矿原煤泥进行了多次小筛分试验，其典型的、具有代表性的结果见表1。

表1 小于0.5 mm 小筛分试验结果

分析表1可知：

(1)原煤泥中大于0.25 mm含量不到9%，说明前段分级跑粗不严重；主导粒级为小于0.045 mm(325 目)级，占煤样的62.70%；其余各粒级产率相对均衡。

(2)物料中小于0.045 mm粒级灰分高达54.36%，比其余各级累计灰分高出39个百分点以上，比总灰高出14个百分点。说明矸石泥化严重。

(3)小于0.045 mm粒级产率为62.7%，说明微细粒级的细泥大量存在，这将对浮选精煤产生比较严重的污染，可能加大煤泥浮选的难度。

3.1.2 煤泥浮沉组成分析

煤泥中小于0.5 mm粒级小浮沉试验研究结果见表2。

表2 原煤泥中小于0.5 mm粒级浮沉试验研究结果

从表2原煤泥小于0.5 mm浮沉试验研究结果报告表可知：

(1)原煤泥小于0.5 mm中小于1.4 kg/L密级产率为52.64%，灰分为7.63%，可见低密度物含量高，灰分低，易于生产低灰精煤。

(2)原煤泥小于0.5 mm中大于2.0 kg/L密级产率为37.07%，灰分为88.78%，为主导密度级，亦说明矸石易泥化。

(3)原煤泥小于0.5 mm中1.4～2.0 kg/L各密级产率相对较低。

(4)这一浮沉组成可以通过浮选获取低灰分的精煤和高灰分的尾煤产品。

3.1.3 煤泥浮选分步释放试验研究

煤泥浮选理论指标可通过煤泥分步释放试验确定理想条件下煤泥浮选可得到的灰分和产率。依据GB/T 36167—2018《选煤实验室分步释放浮选试验方法》相关规定，开展了煤泥的分步释放试验研究，试验结果见表3、图1。

表3 煤泥分步释放试验结果

图1 分布释放浮选试验结果

分析表3和图1可知，当浮选精煤灰分要求为10.00%时，理论精煤产率为46.35%，尾煤灰分为58.55%；当浮选精煤灰分要求为11.00%时，理论精煤产率为50.43%，尾煤灰分为61.53%；当浮选精煤灰分要求为12.00%时，理论精煤产率为52.65%，尾煤灰分为62.79%。

3.2 煤泥可浮性评定

参照 MT/T 259—1991《煤炭可浮性评定方法》，以精煤灰分为12.00%的浮选试验结果为依据，对煤粉可浮性进行评定。

浮选精煤产率γc=52.65%，浮选精煤灰分Ad，c=12.00%，浮选入料灰分Ad，r=36.05%，浮选精煤可燃体回收率Ec=(100-Ad，c)/(100-Ad，r)=67.51%。

根据浮选精煤可燃体回收率为67.51%，判断煤粉的可浮性等级为中等可浮。

3.3 灰分、水分对煤泥发热量影响

根据近几年对煤泥化验检测数据进行分析计算，得灰分每增加1%时，发热量降低321.86 J/g；水分每增加1%时，发热量降低257.906 J/g。

3.4 煤泥浮选半工业性试验研究

为了进一步验证煤泥浮选的可行性，降低未来工业化生产的风险，在南梁煤矿选煤厂现场对煤泥进行了半工业浮选试验。

(1)半工业生产试验装备系统。经过多次研究分析，最终选择采用φ1 600 mm的射流微泡浮选机进行煤泥半工业生产试验，收到了良好的浮选效果，并且获取了可贵的基础实验数据，浮选效果见图2。

图2 半工业浮选试验效果

(2)半工业生产试验研究结果。2018年11月2日试验数据及11月3日代表性重复性试验数据整理如表4。

表4 浮选工业性试验

(3)浮选精煤产率及指标的计算结果见表5。

从表5浮选工业性试验研究计算结果表可知，南梁煤矿选煤厂煤泥浮选综合产率为49.22%，灰分11.30%。

3.5 浮选精煤过滤脱水试验

(1)实验室脱水试验。为了解浮选精矿脱水的难易程度以及最终浮选精矿水分，指导脱水设备选型等，在南梁煤矿选煤厂现场取样并进行了实验室煤泥浮选，对浮选精矿进行过滤脱水试验。

实验室采用空气穿流干燥压滤机，分别对浮选精矿浓度20%和25%及滤饼厚度25 mm和30 mm进行过滤脱水试验。

经试验，在25 mm滤室深度条件下，空气穿流干燥10 min，滤饼含水率可达20.7%；在30 mm滤室深度条件下，空气穿流干燥10 min，滤饼含水率20.1%。试验结果见表6，试验图片见图3、图4。

图4 压滤试验2

通过试验可知，南梁选煤厂浮选精煤采用空气穿流干燥压滤机进行脱水，效果较好，当滤饼厚度为30 mm时，最佳产品水分约为 20.7%。

因此可以判定，在正式生产过程中，浮选精煤水分可以控制在20%左右。目前通用的陶瓷压滤机，浮选精煤水分一般都在26%左右，所以，采用空气穿流干燥压滤机效果会更好。

(2)工业性脱水试验。为进一步验证试验数据，2017年9月，委托中煤装备公司的中煤(天津)洗选有限公司制造了1台空气穿流干燥压滤工业实验机，并运至南梁选煤厂现场进行了工业实验。

(3)试验结论。采用空气穿流干燥压滤机对南梁选煤厂压滤车间进行过滤实验，给料时间为8～15 min，空气干燥时间8～15 min，过滤后滤饼水分21%～24%，平均22.5%。试验记录见表7。

表7 空气穿流干燥压滤机试验结果

4 煤泥回收设计方案

4.1 建设规模

南梁选煤厂主洗系统的设计处理能力为3.0 Mt/a，2016年主洗系统入洗量为2.56 Mt/a，产生的煤泥量26.30万t(干基)，占10.30%；2017年主洗系统已经达到3.50 Mt/a，产生煤泥量27.98万t(干基)，占8.18%，两年煤泥产率的平均值为9.24%，考虑国家对超产的控制，最终确定全年设计原煤洗选量3.0 Mt/a，平均煤泥量为300×9.24%=27.73万t/a。虽然矿井可采煤层变化不大，但考虑地质条件不可预设的变化，原煤煤质变差，末煤洗选比例增加，产生煤泥量可能有所增加，为此，浮选工程的最终能力确定为0.30 Mt/a，设备选型的不均衡系数确定为1.2。

浮选工程建设规模确定0.30 Mt/a，生产能力为56.82 t/h。工作制度与选煤厂一致，为年生产330 d，二班生产，一班检修，每天运转16 h。

天要亮时，思雨才迷糊了一小觉。起床洗漱后，还是觉得昏昏沉沉。他去餐厅用早餐时，那些熟悉的服务员们，看他的眼神有些异样。在餐厅遇到了小林经理，小林经理也只冲他讪讪地笑了笑。没有像过去那样同他热情招呼，或简单说几句话什么的。思雨心里明白了八九分。他的心里很不是滋味。简单用完早餐走出餐厅时，他在心里做了个决策：以后公司的定点宾馆应该换一家了。他在这里已经背了一个很大的黑锅。

4.2 工艺流程

依据前期的半工业试验，最终确定采用对高灰细泥选择性好的射流微泡浮选机进行分选。采用两段浮选工艺，即浮选入料首先给入一段射流微泡浮选机回收大部分精煤，然后再将一段浮选尾煤给入二段射流微泡浮选机以进一步回收残余精煤的浮选工艺。

4.2.1 浮选系统

采用煤泥表面改质+射流微泡浮选+空气穿流干燥压滤的工艺流程，如图5所示。

图5 浮选工艺流程

为简化流程，分级旋流器溢流通过自流进入到新增浮选车间，螺旋分选机尾矿煤泥水、螺旋分选机精矿弧形筛筛下水经现有转排桶泵送至新增浮选车间，两者入料与浮选药剂(起泡剂、捕收剂)充分混合，表面改质后的煤泥自流至射流微泡浮选机入料桶，再由渣浆泵打入射流微泡浮选机分选。

射流微泡浮选机共设2台，串联布置。射流微泡浮选机分选出的浮选精煤用渣浆泵输送至压滤机脱水。

脱水后的浮选精煤经均质化给料机均匀给料至刮板机上。压滤精煤经过1台转载刮板收集后掺配到混煤中。

浮选尾矿自流至原浓缩机浓缩沉降。将原有的2台30 m高效浓缩机，1台改为消泡池，采用多点加药的方式，确保煤泥水沉降且稳定。浓缩机溢流作为循环水由泵打回主厂房循环使用。浓缩机底流经底流泵打到原有压滤车间压滤机入料搅拌桶，再经压滤机脱水回收，脱水后的尾煤泥落地外排。压滤机滤液自流至浓缩机，该工艺具有以下优点。

(2)由内部企业自行研制的射流微泡浮选机无机械搅拌装置，单位处理量高、回收率高、运行成本低、运转平稳可靠。

(3)采用两段串联的工艺方式，增加了浮选面积，延长了浮选时间，易浮煤在第一段优先浮选，难浮煤经过第二段有足够的浮选时间浮起。

(4)采用新型空气干燥压滤机。与普通隔膜压滤机相比，在隔膜压榨的基础上，增加了气流穿流脱水工艺环节，对内在水分高、粒度细、比表面积大的难过滤物料有很好的脱水效果。

(5)设置均质化给料机，无需对煤泥进行破碎，也可保证浮选精煤与原主洗系统末精煤均匀混合，保证末精煤煤质的稳定。

4.2.2 辅助系统

(1)空气压缩机房。煤泥浮选需要压缩空气为空气干燥压滤机提供空气源，为此，在浮选车间内设有空压机房，新增空压机2台，风包2个，以满足新增浮选车间压滤机对压缩空气的需求。

(2)浮选药剂库。为了保证浮选与原有主洗系统连续衔接、稳定运行，增加浮选药剂库1座，可储存选煤厂15 d以上的药剂消耗量。

4.3 浮选技术指标

精煤预计回收率：根据半工业性试验数据，精煤灰分11.59%时，精煤产率可达49.41%。

浮选预计精煤水分：浮选精煤水分暂按25%计算。

发热量：根据模拟出的适合本厂的发热量公式：Qnet，ar=7265.44-77.0Ad-61.7Mt(kcal/kg)，按照这一公式计算，浮精灰分11.59%，水分25%，收到基发热量为20.21 MJ/kg 。

5 实际取得效果

(1)陕西南梁矿业煤泥浮选项目，自2019年7月中旬单机调试，8月开始和主洗生产同步进行生产运行，投产时指标跟踪监测结果见表8。

表8 投产时指标跟踪监测

从表8可知，浮选精煤产品灰分Ad不大于12%，水分Mt在24.4%～26.5%，发热量Qnet，ar约20.08 MJ/kg，精煤回收率大多为48%～50%。基本符合产品方案中灰分Ad不大于12%，水分Mt不大于25%，发热量Qnet，ar在20.08 MJ/kg左右，与设计相符。

(2)2020年1—12月，南梁选煤厂从煤泥中回收精煤12.5万t，平均销售价格342元/t，销售收入=12.5×342=4275(万元)，环保费减免283.36万元，煤泥排放费节约50万元，上交税费739.26万元，年利润1 700多万元。2020年各月生产情况及指标统计见表9。

表9 2020年各月生产情况及指标统计

6 结 语

西北能源公司本着“改革创新、提质增效”的发展理念，以实事求是的原则，着重研究并寻求适用南梁煤泥的合理处理工艺，选择了“表面改质+射流微泡浮选+空气穿流干燥压滤”工艺，将煤泥综合利用，不仅可以回收资源，增加企业的经济效益，同时还可以减少环境污染。