采用重介质旋流器试验平台分选印度原料煤

郭建伟，叶树强，李亚楠，赵佳伟，钟良棋

(1.唐山国华科技国际工程有限公司，河北 唐山 063020；(2.北京国华科技集团有限公司，北京 101300)

在我国传统的选煤厂工程设计中，对于工艺效果最为关键的设备——重力选煤设备的分选指标的确定，一贯依据原料煤的密度组成，用分配曲线的分配率来计算，从而进行预测[1，2]。

随着煤炭洗选行业向节能、高效和精细化方向发展，选煤厂工程设计尤其对产品数质量的确定也必然要求更加精确，以便为工艺参数和设备选型提供更可靠的依据。为顺应这种发展趋势，提高设计水平，北京国华科技集团公司(以下简称“国华科技”)突破原有惯例，建立了一座三产品重介质旋流器中试试验平台，对煤样进行仿真模拟试验，以获得分选指标，为设计工作提供精确的数据依据。

1 试验平台简介

试验平台的核心是1台无压给料三产品重介质旋流器。其一段旋流器圆柱体内径为200 mm，二段圆柱—圆锥形旋流器的圆柱筒体内径为150 mm，辅助设施有容积为3.5 m3的合格介质桶、配套泵(型号为80D—A30)以及电动机、变频器、压力表等(见图1)。

图1 试验平台示意

试验过程：① 试验前，根据密度和煤泥含量设定要求预先配制好合格介质；② 利用变频器调节电动机转速，实现不同工作压力下的分选；③ 试验中，由专人手工调整给料漏斗下端的闸板，控制入料量，并力求均匀；④ 分选出的精煤、中煤和矸石通过各自的管道自流到合格介质桶上端，分别通过金属丝编制的孔径为0.5 mm的筛网全部采集，经脱介、脱泥后进行浮沉试验。

2 印度煤样特性

试验平台分选的印度动力煤煤样由国际知名的印度“塔塔钢铁”集团(Tata steel)提供。

2.1 粒度组成

印度煤样全水分为4.60%，总灰分为38.08%。其中大于13 mm粒级产率仅为4.24%，13～6 mm粒级产率最高为31.63%，是主导粒级，6～3 mm粒级和3～0.5 mm粒级产率相差不大，筛分煤泥(小于0.5 mm粒级)产率为17.15%。

原生煤泥由2部分组成，一是筛分煤泥，即由煤样大筛分试验获得，二是浮沉煤泥，即大筛分的各粒级煤样在进行浮沉试验之前用湿法脱泥获得。该煤样浮沉煤泥产率为1.67%，灰分为37.94%。由此可计算出原生煤泥产率为18.53%，灰分为34.12%，属于中等煤泥量的原料煤。印度煤样粒度组成见表1，根据表1数据绘制的粒度特性曲线见图2。

表1 粒度组成

图2 印度煤样粒度特性曲线

从图2可看到，该粒度特性曲线略呈凹状，这是散状物料以细粒为主的特征。据计算，其平均粒径仅为5.6 mm。另外，从表1还看出，随粒度递减，灰分也呈递减的趋势，这表征煤质较软易碎。

2.2 密度组成及可选性

以此绘制的计算原料煤可选性曲线见图3，其密度组成见表2。

1—浮物累计曲线；2—灰分特性曲线；3—沉物累计曲线； 4—密度±0.1含量曲线；5—密度曲线图3 计算原料煤可选性曲线

印度原料煤的普遍特性是可选性差[3]，此煤样也是如此。从表2可看出，小于1.30 kg/L密度级产率甚少，仅为3.48%，1.30～1.40 kg/L密度级产率也只有12.10%，小于1.50 kg/L密度级产率为36.09%，灰分高至16.30%。

表2 计算原料煤大于0.5 mm综合粒级密度组成

当要求精煤灰分为17%时，查图3可得理论精煤产率为38.50%，分选密度为1.512 kg/L，分选密度δ±0.1含量(扣除大于2.0 kg/L沉矸后)为47.33%，按我国的相关标准评定其可选性等级为极难选煤。大于1.80 kg/L密度级产率为29.03%，灰分为69.28%，按我国的煤质来衡量属中等含矸量原料煤。

浮物累计和沉物累计曲线近似于斜直线，没有我国煤种常见的曲率明显变化的特征，这表征随密度级增减，其灰分也是较为均匀的增减，不存在一个经济合理的拐点。

3 工作参数和结构参数的优化

采用多因素逐项测试的方法，在试验平台上对工作参数(旋流器工作压力、悬浮液密度)及结构参数(第二段旋流器底流口直径)进行了优化试验。工作参数和结构参数的优化试验结果见表3。

表3 工作参数和结构参数优化试验数据

对比试验结果表明，工作压力和悬浮液密度的改变对精煤产率和分选精度有较大的影响。第二段旋流器选用较小的底流口直径时，会提高分选密度，但影响矸石排出，从而污染中煤。若要同时选出灰分在16%～17%的精煤和灰分低于40%的中煤，必须适当提高工作压力和分选密度，选择较大的二段旋流器底流口直径。

在产品指标要求下，6号试验结果最优，故按此工作参数和结构参数，参照GB/T 15715《煤用重选设备工艺性能评定方法》进行试验测定。本文就此简介试验指标。

4 工艺指标

原料煤、重选产物密度组成见表4。

从表4可看出，精煤中不存在大于1.80 kg/L密度级的矸石，矸石中仅含有微量的1.60～1.80 kg/L密度级的煤炭，中煤以1.50～1.80 kg/L密度级为主导，可初步判断分选的精确度良好。

表4 原料煤、重选产物的密度组成

定量判定重介质旋流器的工艺指标有数量效率、可能偏差和错配量，它们从不同侧面来评定重选设备的精确度。

4.1 数量效率

4.1.1 精煤数量效率

精煤数量效率是表征第一段旋流器分选效果优劣最为直观的指标，其含义为：实际精煤产率与相同精煤灰分的理论精煤产率的百分比值。

对于6号试验，测得其精煤灰分为16.20%，实际精煤产率为34.24%，由图3计算原料煤可选性曲线查得，相同精煤灰分的理论精煤产率为34.80%，则得精煤数量效率为98.39%。数量效率与原料煤可选性有直接关系，研究人员对3GHMC1500/1100型无压给料三产品重介质旋流器在多座选煤厂工业性测验指标进行过数理统计分析，得出数量效率与δ±0.1含量相关的回归方程[4]为：

ηe=100-0.11(δ±0.1)

(1)

由图3可查得，按此条件下，δ±0.1含量为42.78%，则ηe=95.29%，而印度煤样分选的精煤数量效率优于此计算值。这佐证了试验平台的分选指标是极良好的。

4.1.2 中煤数量效率

中煤数量效率是表征第二段旋流器分选效果优劣的直观指标，其含义是实际中煤产率与相同中煤灰分的理论中煤产率的百分比值。第二段重介质旋流器入料的密度组成见表5，以此绘制的中煤产率与灰分关系曲线见图4。

表5 第二段重介质旋流器入料的密度组成

实际中煤灰分为38.25%，产率为41.64%。由图4查得，在相同灰分条件下，理论中煤产率为42.50%，则得中煤数量效率为97.98%。

图4 中煤产率与灰分关系曲线

4.2 可能偏差

一、二段旋流器的分配率见表6，以此绘制的分配曲线见图5，分配曲线参数见表7。

表6 分配率

表7 分配曲线参数

图5 分配曲线

理想状态下分配曲线是1条垂直于横坐标的垂线，因此从曲线的形态上看，曲线越趋近于垂线，就表征分选的精确度越高。可能偏差是评定分配曲线垂直程度的量化指标，可能偏差越小，就表示其垂直程度越高，可能偏差值的计算式为：

式中：δ75——分配率为75%所对应的密度，kg/L；

δ25——分配率25%所对应的密度，kg/L。

由表7可以看出，旋流器的可能偏差值很低，尤其是一段旋流器仅为0.026 kg/L；二段旋流器的分配密度高达1.864 kg/L。由此，再次佐证三产品重介质旋流器具备以单一低密度分选出高密度纯矸石的性能。

4.3 错配量

无压给料三产品旋流器的错配物数量计算见表8，绘制错配物曲线见图6、图7。

表8 错配物数量计算

图6 一段错配物曲线

图7 二段错配物曲线

通过图6、图7可查得：三产品旋流器的一段等误密度1.491 kg/L、错配物总量为5.45%；二段等误密度1.868 kg/L、错配物含量4.14%。

5 数据可靠性

原料煤和分选产物严格按照GB/T 478《煤炭浮沉试验》的规定进行试验，依照GB/T 15715《煤用重选设备工艺性能评定方法》绘制分配曲线的要求，至少要配制7个密度级的重液来做浮沉试验。为了获取有足够的坐标点，使得绘制的分配曲线更为精确，试验中配制了12个密度级重液进行浮沉试验。原料煤和计算原料煤各密度级产率的均方差计算见表9。

表9 均方差计算

均方差σ计算式为：

式中：N——浮沉试验产物数；M——分选产物数；Δ——各密度产物的离差，计算得σ=0.88。

煤炭本身是非均质的散状物料，又加之试验过程存在不可避免的随机误差，重介主选设备的均方差临界值为1.40。试验平台分选印度煤样的均方差远小于临界值，证明了数据可靠、可信、有效。试验平台分选印度煤样的工艺综合评定结果见表10。

表10 分选印度煤样的工艺综合评定结果

6 结 语

本文所介绍的实验室三产品重介质旋流器试验平台与工业上使用的同类设备相比较，可谓袖珍版了，但它仿真模拟性良好。在分选印度极难选煤样时，取得了优异的分选效果，一、二段可能偏差分别为0.026 kg/L和0.039 kg/L，一、二段数量效率分别为98.39%和97.98%，一、二段总错配物量分别为5.45%和4.14%。比照GB/T 35054—2018《选煤用重介质旋流器工艺性能试验方法及判定规则》，该试验平台指标均是先进的。该试验的均方差为0.88，远小于临界值1.40，试验所得数据有效、可信。

试验平台的使用，突破了我国传统的选煤厂工程设计中用分配率来预测主选设备的分选指标的做法，可提供更为精确的数据。该试验平台可对不同特征的煤样进行优化分选工艺，以获得最佳工艺指标，将工程设计提高到新的水平。

该试验平台除成功进行了印度煤样试验外，还对淮北矿业集团祁南选煤厂的动力煤进行试验，更为创新的是以高于2.50 kg/L的密度对新疆宝明[5]和辽宁北票的油页岩进行了分选试验。