作者：任瑞晨 胡秀明 李彩霞 岳增川 耿宝军 安红运
来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2021年第05期
摘 要：本文结合动力煤目前的分选现状，分析了动力煤选煤面临的煤泥处理难题。煤泥处理主要方向有两个：一是煤泥减量化，二是增设煤泥分选环节。降低煤泥量主要手段有TDS智能干选;粗煤泥分选主要应用螺旋分选机、TBS、TCS、重介质旋流器等设备。 同时提出了尾煤综合利用的有效举措，小锥角旋流器预先排矸具有很大研究空间。 关键词：煤泥减量;粗煤泥分选;小锥角旋流器;煤系高岭土
中图分类号：TD94
文献标志码：A
过去，我国对动力用煤质量要求不高，发热量达标的中煤、煤泥、矸石等大都以不同方式作为动力用煤使用，引发了资源浪费、环境污染等众多问题。当动力煤入选比例较小时，
粗煤泥一般不分选而直接回收掺入中煤或者精煤，由于这部分粗煤泥灰分偏高，从而造成混精煤灰分增高，选煤厂需要调低重选精煤灰分为其“背灰”，导致混精煤产率降低[1]。随着社会进步，环保要求越来越严格，灰分控制的严格化和精煤灰分要求的不断提高，使得大部分粗煤泥不能直接掺入，造成大量损失。而随着煤炭的深度开采、机械化程度的增加和煤质条件的日益劣化，原煤中煤泥含量急剧增加 [2]。据不完全统计，绝大多数动力煤3～0.5 mm粒级物料的含量都在20%～45%范围内，巨大的煤泥含量，其分选、分级、回收和利用问题迫在眉睫[3]。煤炭清洁高效利用被《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》列为中长期创新发展9大工程之一[4]。在长期的实践中发现，无论以何种方式开展动力煤的洁净煤加工技术，选煤仍是煤炭清洁和高效利用的源头[5-6]。动力煤选煤的主要难题是煤泥的处理和利用问题，如何开展动力煤煤泥处理工作是当今选煤工作者亟待解决的问题。 1 动力煤分选现状
1.1 动力煤分选工艺
原煤分级筛
我国动力煤具有变质程度相对较低、原煤水分偏高、筛分效率低等特点，其矸石分选
过程中易泥化，选煤厂煤泥水处理的难度较高。目前我国动力煤选煤的主要方法大体分为以下几种：
1）对于煤质状况较好的选煤厂，多采用块煤跳汰或浅槽重介分选+末煤直接销售或掺入精煤+煤泥水沉降浓缩压滤;
2）块煤浅槽重介分选机分选+末煤由两产品重介质旋流器分选+煤泥水沉降浓缩压滤;
3）煤泥含量较高的选煤厂，煤泥水系统压力较大，采用块煤跳汰或浅槽重介分选机分选+末煤两产品重介质旋流器分选+粗煤泥单独分选+煤泥水沉降浓缩压滤; 4）对于产品灰分要求高、附加值较大的选煤厂，常采用块煤重介浅槽+末煤重介质旋流器+粗煤泥分选+细煤泥浮选;
5）对褐煤等变质程度低且易于泥化的煤炭，可以选用干法分选技术，如TDS智能干选等手段，煤泥视情况而定。
从大体上看，块煤、末煤的处理方式相对固定，而煤泥分选灵活多样，可直接脱水掺
入精煤，可粗煤泥单独分选，还有少部分的煤泥水系统增设浮选工艺。从大量的选煤厂生产实践可知，虽然1）、2）这样传统的选煤方法具有工艺简单、生产成本低等优点，对块煤的分选效率高，但是对煤泥的处理效果不佳。随着选煤技术指标的提高，这些分选方法对现阶段煤质的适应性差，显然已经无法满足选厂的生产需求。在此基础上增加粗煤泥分选、浮选等作业环节，又面临成本控制困难的局面。动力煤煤泥的处理和利用成了制约选厂发展的重要因素，如何突破煤泥分选的瓶颈，是动力煤选厂生存和发展必须要解决的问题。大量选煤工作者通过实践证明了控制选煤系统煤泥量、选用先进的粗煤泥分选设备、优化工艺等煤泥系统改造方法，有明显的成效。
1.2 煤泥系统改造
煤泥问题是动力煤选煤厂可持续发展的难题，煤泥的分选、脱水效率普遍较低，处理成本高、售价低、利润倒挂等问题都制约着动力煤分选技术进步。动力煤全粒级洗选将继续导致煤泥量激增。采用传统煤泥处理方式已不是一种经济方案，因此，有必要就动力煤煤泥分选进行深入研究[7]。选煤厂的煤泥一般由两部分组成，原生煤泥和分选过程中产生的次生煤泥，原煤煤质和生产工艺等均对煤泥量有重要影响。从当前动力煤选煤厂的分选
系统可以看出，处理煤泥的主要方向有两个：一方面是煤泥减量化，另一方面是增设煤泥分选环节。
对于动力煤选煤厂来说，坚持煤泥减量化处理效果明显，是解决煤泥水系统问题的重要途径[8]。控制煤泥量是在源头上减少矸石泥化的机会，具有成本低、次生煤泥少等明显优势。郑均笛等[5]在动力煤选煤厂的设计和运行中提出“三减三增”的理念。强调选煤过程中煤泥减量化、矸石带煤减量化、末煤入洗减量化。提升预先排矸效率，降低原煤中高密度矸石含量，对6 mm以下的末煤要尽量预先脱泥，减少进入洗选系统的煤泥含量。同时增强系统调节的灵活性，提高筛分效率，增强对块煤产率的重视度，这对提升企业经济效益尤为重要。如石圪台选煤厂通过引进高效筛板，改善原煤筛分效果，调整分级粒度，增加块煤量[8]。
TDS智能干選机是近年研发成功并推广应用的设备，其对降低煤泥量和提高块煤产率有明显效果，大大减小了煤泥水系统的压力。TDS利用X射线透射检测技术进行干法选煤，针对不同煤质特征建立与之相适应的分析模型，通过大数据分析，精确识别原煤中矸石等杂质，利用智能控制系统高频喷吹改变矸石的运动轨迹，实现煤炭的有效分离[9]。动
力煤泥化严重、煤泥量大、产品脱水困难的现状推动了干法选煤技术的发展。王新锋[10]对王家塔选煤厂系统进行技术可行性分析，在TDS 智能干选机与传统工艺比较的基础上，总结了TDS+脱泥+浅槽重介分选工艺的优越性，实现了动力煤有效分选，提高了块煤产品产量和质量的同时，降低了煤泥产率，经济效益得到较大提升，为动力煤选煤厂提质、扩能提供了新思路。分选过程中智能化程度高，无需用水，分选精度高，大大提高了选煤厂的经济效益。赵炜[11]为解决宁东矿区低变质烟煤煤泥水处理成本高、煤泥产品处理困难的现状，引进TDS智能干选系统，实现200～40 mm原煤的一次完全分选，有效的降低产品水分，提高产品发热量，产品质量指标达到了预期目标，经济效益显著。
增设煤泥分选环节是煤泥处理另一重要举措，不只对粗煤泥要实现高效率分选，还要对整个选煤系统产能的提高发挥重要作用，其核心是选用先进的煤泥分选设备。合理的粗煤泥分选设备能够有效减少煤泥对整个分选工艺各个环节的干扰，对原煤准备系统、分选系统和煤泥水处理系统生产能力提升有非常大的促进作用。该环节使原煤准备过程中可以适当增大脱泥筛的筛孔尺寸，增大开孔率， 减少脱泥筛的配制台数[12]， 降低筛板堵塞概率、减少煤泥水外溢等问题;有效减少重介环节处理量， 提高分选效果和脱介效率， 减小介耗; 分担煤泥水系统沉降和浓缩压力，减少压滤机与浓缩机台数， 降低基建投资[13]，同
时也降低浮选系统的处理量， 压缩选煤成本。
2 动力煤煤泥分选
选煤界更多地将粒度在2.0～0.3 mm的煤泥定义为粗煤泥[13]，煤泥处理中一般选用脱泥筛或者水力旋流器將这部分粗煤泥和煤泥水分开处理，以保证煤泥的处理效率。粗煤泥是一种中间产品，灰分、发热量均介于精煤与矸石之间，原有部分选煤厂将粗煤泥掺入混煤作为混煤产品销售，粗煤泥潜力未充分发掘[14]。而煤泥水中大量的细泥存在，也导致沉降难度大、压滤效率低，煤泥产品含水量高达20%～30%等问题的出现。显然动力煤煤泥处理要从粗煤泥和煤泥水两方面着手考虑。现阶段动力煤选煤厂为了实现企业发展，追求更大的利润，在政策的指引下对原有选煤系统进行改造，新建选煤厂也纷纷加入煤泥分选研究，简单粗暴地将粗煤泥掺入其他产品中销售的情况已经越来越少。
2.1 粗煤泥分选
为了提高粗煤泥分选精度和效率，在选用粗煤泥分选设备时就要根据实际情况选用简单高效的设备。粗煤泥分选机经过不断完善，在我国应用已经比较成熟。目前最为常见的粗煤泥分选设备主要有螺旋分选机、TBS分选机、TCS分选机、煤泥重介旋流器等[15]。
2.1.1 螺旋分选机
螺旋分选机作为动力煤选煤厂常用的煤泥分选设备，其最大特点是无动力设备，结构简单，生产成本低，易于操作及维修。主要组成部件有矿浆分配器、入料管、螺旋槽、中心柱、产品截取器、产品排料管和机架等。这种分选机是在重力和离心力场中，根据物料密度差异，依靠液流特性，实现物料的分离。分选过程中物料分别在垂直和水平方向产生分离。垂直方向：入料给入之后沿螺旋槽向下做回转运动，矿物流层厚度随位置而改变，沿螺旋槽内侧至外侧逐渐增大，密度大的矸石等重矿物颗粒在重力作用下逐渐移入下层，煤等轻矿物集中在料流上层，形成了以重产物为主的下部流动层和以轻产物为主的上部流动层[16];水平方向：颗粒垂直方向分层后，下层矸石等物料在槽体摩擦和上层液流的压力之下，受到较大的运动阻力，水平方向运动速度降低，上层的煤跟随水流以较大速度向槽的外缘运动，精煤和矸石形成速度差，从而产生水平方向的分离，在螺旋槽的横截面上由中心向外，物料密度由高到低分布，密度处于中间的物料则分布在螺旋槽的中间带。在重力、离心力、黏性剪切力的多重作用下，轻、重颗粒在螺旋的横断面上基本实现按密度分带。精煤和矸石最后在螺旋分选机底部，从各自排料口排出。
入料粒度与组成对螺旋分选机分选效果影响较大。当煤泥中黏土含量高或粗颗粒粒度过大时，分选精度和效率就会下降。黏土矿物会污染精煤颗粒，而过粗颗粒会造成精煤损失。由于螺旋分选属于流膜选矿技术，因此物料粒度对分选效果影响很大，当大颗粒物料自身重力过大时，流膜选矿对物料流的分选精度下降，甚至会出现大颗粒物料在螺旋槽内侧停留或者堵塞出料口的现象。一般选煤用螺旋分选机最佳分选粒级是2～0.1 mm， 对高密度（密度大于1.70 g/cm3）排矸效率较高，在选煤厂中常用于易选煤的排矸和粗煤泥的分选[3]。此外，螺旋分选机处理煤泥的适应性较差，工艺参数不易调节，当煤质发生变化的时候，分选效率会产生较大的波动，这也限制了螺旋分选机的发展。
如何对螺旋分选机的设备进行改造和创新，是发展该选煤方法的必经之路，目前已经有带有预先排矸尺的螺旋分选机、螺旋分级筛选机、改进入料分配器的螺旋分选机等设备被提出和使用，螺旋分选机的更新换代必将带来粗煤泥分选的新局面。
2.1.2 TBS煤泥分选机
TBS煤泥分选机又称干扰床，其产生为粗煤泥分选带来重要的转变。TBS煤泥分选机的分选原理是基于颗粒在流态化床层中的干扰沉降原理，煤泥颗粒的密度、粒度差异， 使
得在同一流体中的沉降速度也不同，从而实现精煤和矸石的分离[17]。物料由分选机上部的入料口打入，自上而下，水则从分选机底部的流体分配器由泵打入， 通过扰动板均匀分布到干扰床分选机底部，形成向上的扰动水流。物料与水流相向运动，一段时间后在分选区形成密度稳定的干扰层。根据生产需要，干扰层的密度可通过水流速度和矿浆浓度等进行控制。低于分选密度的物料向上运动集中在干扰层上部成为精煤产品，从分选槽顶部溢流排出;高于分选密度的物料向下运动并进行二次干扰，最终沉至底部成为尾煤，并通过底部的排料口排出。TBS煤泥分选机分选粗煤泥分选效率高，可分选0.2～3 mm粗煤泥，适应性强，设备具有先进的密度控制系统，保证分选密度的精确性，分选密度范围1.4～1.9 g/cm3[18]。无法实现尾矿连续稳定排料是TBS煤泥分选机的主要不足之处。其尾矿通过由控制器控制的排料阀门间断性排出，排矸的精确性和效率有待改进。
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