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常見問題
大型現代化選煤廠設計中幾個問題的探討
      發布時間:2011-06-22

       摘要:設計是建設大型現代化選煤廠的關鍵,它直接影響選煤廠能否正常生產和技術經濟指標。本文結合350多座選煤廠的設計實踐,介紹在選煤廠設計,特別是在煤質分析、工藝流程、工藝布置方面取得的經驗。
       關鍵詞:選煤廠;大型現代化;設計;經驗
       我國煤炭資源相對比較豐富,已查明資源儲量1萬億噸,居世界第三,也是世界第一產煤大國,煤炭產量占世界的37%。煤炭是我國的主要能源,分別占一次能源生產和消費總量的76%和69%,我國“富煤缺油少氣”的資源分布狀況,決定了在未來相當長的時期內,我國仍將是以煤為主的能源結構。
       為落實可持續發展戰略,保證我國能源供應安全,必須加緊實施“中國潔凈煤戰略”,即煤炭燃燒和利用前實施加工與轉化,使煤炭成為真正的潔凈能源。選煤是目前最經濟、有效,技術最成熟的煤炭潔凈化的源頭技術。按目前即將實施的“十二五”規劃,煤炭入選量將以每年超過100Mt的速度遞增,將建設一批處理能力≥10Mt/a的大型現代化動力煤選煤廠和≥5Mt/a的大型現代化煉焦煤選煤廠,提高我國原煤的入選率,實現“十二五”規劃節能減排的目標要求。
       唐山國華科技有限公司(簡稱國華科技),在近10年承攬了350多座選煤廠的工程設計和承包,其中多數為處理能力≥1.2Mt/a的大型選煤廠,最大處理能力達13Mt/a,通過實踐積累了一些大型現代化選煤廠設計的經驗。
       1 煤質資料的分析
        煤質資料是確定產品用途和產品結構的依據,煤質資料及產品結構是工藝選擇的根據。由于煤質分析不到位,導致對產品用途評價結論錯誤、資源不能合理利用,使項目經濟效益大受影響,嚴重的會因工藝不合理而進行二次改造。
       煤質分析應注意以下幾點:
       1.1 煤質資料的代表性問題
       煤質資料是選煤工藝設計的依據,直接關系到工藝設計的成敗。設計用的煤質資料與選煤廠投產后的煤質應該一致或接近,否則可能導致選煤廠處理能力不能達標或甚至無法正常生產。
       1.1.1 如果擬建選煤廠入選原煤來自已經正常生產的礦井,業主提供的煤質資料相對較準確,如果有其它入選同種原煤選煤廠的實際生產資料,對設計將大有好處。這時情況比較簡單,設計只需考慮未來煤質變化情況即可。
       1.1.2 如果是新建礦井,無法取得入選原煤的生產大樣試驗資料,可采用同礦區鄰近礦井的生產煤樣或小窯建井期所采的煤層煤樣數據進行代替。前者可結合地質勘探報告中鉆孔煤樣資料對其進行灰分調整,后者由于小窯煤采煤方法和煤層煤樣、生產煤樣不同,進行矸石量調整。
       1.2 產品定位及產品結構
產品定位主要根據煤的牌號、物理和化學性質、煤巖特征、工藝性能指標確定產品的用途,再結合當地市場需求進行定位目標市場。產品定位確定好后,可根據市場價格等情況依據最大經濟效益原則進一步優化產品結構。
       1.3煤質變化趨勢
       煤質不變是相對的,而變化是絕對的。不同煤田或即使同一塊煤田,不同的井田、不同的煤層,同一煤層的不同區域煤質也是變化的。業主提供的煤質資料,與選煤廠實際入選的資料或多或少都有不同。設計者要通過各種途徑、采用各種方法盡量調查清楚煤質的變化趨勢,在工藝制定和設備選型時考慮這種趨勢,這樣才能使選煤廠投產后較長時間的適應生產需要。選煤界流傳的“選煤廠投產之時就是改造之日”,主要原因就是對入選原煤變化趨勢分析的少,導致煤質變化稍大就無法適應。煤泥水系統是選煤廠特別是重介選煤廠能否正常生產的重要因素,特別是對當前和未來煤泥含量及性質的變化進行有效預測更是至關重要。
       2 選煤工藝的制定
大型現代化選煤廠必備的要素是大型、高效、高經濟效益、高資源利用率,選煤工藝制定的是否合理、先進直接關系到上述要素能否實現。隨著我國市場經濟的不斷深化發展,選煤廠設計市場體制發生了重大變化,市場競爭得到充分體現。我國的選煤工作者結合我國的國情,開發出了一系列選煤新技術、新工藝、新設備、新材料,并通過引進、消化國外技術,使我國的選煤廠設計水平大幅提高。
       2.1 動力煤選煤廠工藝的確定   
       動力煤選煤廠產品的主要用途是電力、化工、民用等。電力用煤一般按發熱量計價,發熱量與灰分及全水分(Mt)成線性關系,水分對發熱量的影響接近灰分,因此對水分的高低要高度重視,避免造成煤炭洗選后灰分降低,但水分升高,發熱量反而降低了;化工用煤主要使用塊煤,對限下率要求嚴格;民用煤對各種指標相對比較寬松。
       2.1.1 大型動力煤選煤廠    為滿足電力、化工用煤雙重需要,一般采用分級入選,分級粒度可根據原煤資料及產品要求確定,一般為25mm或13mm,上限可定為200mm或300mm。對塊煤的分選方法主要有跳汰和重介淺槽分選機。傳統的塊煤跳汰分選一般采用液壓或機械式動篩跳汰機,由于物料在篩板的帶動下分層,物料松散度差,分層效果差,矸石帶煤多;近年新開發的塊煤專用節水跳汰機,耗水量和動篩跳汰機相當,但分選效率大大提高,且廠房體積小、投資低,單位處理量可達40-50t/h;重介淺槽分選機對分選密度<1.8kg/L的塊煤排矸是適宜的,它采用磁鐵礦粉加水配成重懸浮液作為分選介質,懸浮液的密度可根據分選要求用磁鐵礦粉補加來進行調節,使煤和矸石在懸浮液中按密度分層,分選效率高,矸石帶煤少,但當分選密度>1.8kg/L時,會造成矸石灰分低、帶煤嚴重。
       采用塊煤節水跳汰機的分選精度并不亞于重介淺槽分選機,而且,當分選密度>1.8kg/L時,高密度的重介質懸浮液難以配制和維持,這時采用塊煤節水跳汰機的優勢很突出。
       2.1.2 動力煤選煤廠末煤的分選    目前國內外分選<25(13)mm粒度級主要有重介質旋流器與跳汰分選兩種方法:
       跳汰選煤的優缺點如下:
       ⑴技術傳統,工藝較簡單,熟悉該技術的人員較多,生產容易正常。
       ⑵基建投資較低,但由于分選粒度下限高,浮選量大,加工費較高。
       ⑶分選精度差,表征分選精度的I值一般只能達到0.16~0.22。若分選密度在1.50kg/L時,其Epm值為(0.16~0.22)*(1.50-1)=0.08~0.11kg/L。尤其對細粒級物料分選效果更差,細顆粒含量越高,透篩越多,損失越大。
       ⑷自動化程度低,靠工人憑經驗操作,精煤產率及產品質量波動較大。
       ⑸次生煤泥含量大,增加煤泥水系統負荷。
       重介旋流器選煤的優缺點:
       ⑴分選精度高,對煤質的適應性強,對各種可選性等級原煤均比跳汰分選效率高,因此精煤產率高。
       ⑵分選粒度下限低,入浮選煤泥量少,加工費較低。
       ⑶自動化程度高,重介分選的主要控制參數為懸浮液密度,密度控制可實現在線調節,對原煤煤質變化適應性強,人為因素少,操作直觀方便,精煤質量穩定。
       ⑷缺點是技術新,設計難度大,投資稍高。
       隨著采煤方法大規模采用綜采,末原煤粒度普遍偏細,若采用跳汰分選,很難避免相當部分的細粒級物料因吸綴作用未經分選而透篩進入中煤和矸石,從而影響精煤產率,而重介質旋流器不存在這一問題。而且跳汰只適合易選煤,因此適應能力差。針對以上分析,對末煤的分選建議采用重介質旋流器分選工藝。
       2.2 煉焦煤選煤廠工藝的確定
       重介質選煤技術因適應范圍廣、洗選效率高、易于實現自動控制等優點, 在新建和技術改造中得到廣泛應用。目前, 我國采用重介質選煤方法處理的原煤量約510Mt/a, 占總入洗量的45%, 并居首位。重介質選煤方法中又以重介質旋流器為主,因此建議新建大型現代化煉焦煤選煤廠應優先采用重介質旋流器選煤方法。
重介旋流器分選工藝又分為選前脫泥和不脫泥、兩產品和三產品、無壓入料和有壓入料、分級重介與混合重介之分。
       2.2.1 選前脫泥與否的選擇    選前脫泥的缺點是工藝流程復雜,分選效率低。由于用0.5mm篩縫脫泥效率很低,一般只能采用1-1.5mm篩縫脫泥,脫下來的粗煤泥還要采用螺旋分選機或TBS分選,這兩種設備均屬水力分選設備,只適合窄粒級的易選煤泥,對中等可選或難選煤泥分選效率很低。優點是脫泥工藝從理論上講介耗稍低。
       不脫泥工藝的優點是工藝流程簡單,分選效率高,且有效分選粒度可達0.25mm,如果煤泥可選性極難或要求分選下限低于0.25mm,可設置煤泥重介質旋流器,分選下限可達0.10mm。不脫泥工藝的缺點是要求設計者具有較高的技術水平,設計不當或管理不善會造成介耗高。目前國華科技擁有的技術,可以實現在煤泥含量高達60%時不脫泥分選,分選指標和介耗均達到滿意的指標。
       2.2.2 兩產品與三產品重介質旋流器的選擇    三產品重介質旋流器在大型、高效、簡化方面的巨大優勢已被公認,但有人誤認為其二段排矸分選密度的可調節性及對中煤和矸石量含量的適應性上遜于兩段兩產品重介質旋流器。
       ⑴關于排矸段分選密度的可調節性。有人認為:兩段兩產品重介質旋流器排矸段的分選密度不受精煤段的影響,可任意調節。但他們忽略了一個十分重要的問題:磁選機精礦懸浮液的密度只有2.0~2.1kg/L,高密度懸浮液的制備、特別是維持非常困難,密度一般低于1.6kg/L,很難達到1.75kg/L。
因此,當分選密度>1.6kg/L,特別是>1.75kg/L時,兩產品重介質旋流器幾乎無法做到,更談不上“可調節性”,要想杜絕矸石帶煤,必須采用三產品重介質旋流器,利用其一段旋流器對懸浮液的濃縮作用,大幅度提高進入第二段旋流器的介質密度,以1.4kg/L左右低密度懸浮液系統完成2.1kg/L以上的高密度排矸任務。
       ⑵關于對中煤和矸石量含量的適應性。只要三產品重介質旋流器第二段結構參數的設計適用于所選煤質,處理量與兩產品重介質旋流器無明顯差異。
       ⑶為了保證高密度的工作懸浮液非磁性物含量不超限,排矸用兩產品重介質旋流器選前必須脫泥,劣勢更為明顯。
       2.2.3 重介質旋流器有壓給料和無壓給料方式的選擇   
       ⑴相對于有壓給料,無壓給料方式的原煤不經泵打,矸石泥化現象和次生煤泥量大為減少。
       ⑵有壓給料旋流器的原煤給入高密度的外旋流,細粒精煤因難以進入內旋流而易損失于重產物中。三產品重介質旋流器一段底流量較大,精煤損失尤其嚴重。
       ⑶無壓給料旋流器的入料介質與煤完全分開,不受原料煤性質變化的干擾,懸浮液密度等參數易于準確測控,產品質量穩定。
       2.2.4 分級重介與混合重介的選擇    分級重介就像當年的分級跳汰一樣,有人主張按13(10)mm,甚至再按3(1)mm分級(也有稱作脫泥)入選,認為這樣既能提高分選精度,又符合等λ即最大產率原則。
       等λ原則講的是從兩種或兩種以上不同可選性的入選原煤中選出某規定灰分的綜合精煤時,為獲得最高精煤產率所應遵循的原則。該原則是:按其精煤分界灰分(λ)相等的條件,選定各種煤的分選密度,使綜合精煤產率最大化。在實際生產中,煤質是不斷變化的,各粒級煤的分界灰分無法及時確定,等λ分級入選也就無法實現。但統計結果顯示:隨著粒度的減小,在等分界灰分條件下,絕大多數原煤的理論分選密度也隨之升高。而旋流器亦與其他重選設備一樣,被分選物料粒度越小,實際分選密度越高,趨于最高產率原則。因此,混合重介的實際分選效果與分級重介相當,但投資和成本卻大大降低。
       就像混合跳汰淘汰分級跳汰一樣,混合重介也必將很快淘汰分級重介。
       根據以上分析,對于大型煉焦煤選煤廠應優先采用不脫泥、不分級混合無壓給料三產品重介質旋流器分選工藝,可以大大簡化工藝流程、降低建設投資,實現高效、低消耗生產。
       3 設備選擇
       大型現代化選煤廠規模大,應選擇大型、高效設備,盡量減少設備臺數,方便工藝布置,減少占地面積,盡量做到每個工序選擇一臺設備。設備選型計算入料量時務必結合煤質的變化趨勢,每種設備均按可能的最大量選擇。值得一提的是,目前國內選煤設備進步很快,研發了一批技術水平達到國際領先、先進水平、單機處理能力能滿足年處理3.0Mt選煤廠生產系統需要的大型設備,有的可以替代進口設備,可以選用,既可降低投資,也能降低生產成本。
       高度的自動化水平,減少勞動定員,只設巡視崗位,是大型現代化選煤廠必備的條件,目前除PLC處理器、部分傳感器需要進口外,其它設備及軟件國內均可配套,完全滿足生產需要。
       4 工藝布置
       傳統工藝布置采用多層結構,一般5-6層,物料靠自流進入下一環節,設備臺數少、占地面積小。安裝時,設備從每層窗戶進入,再水平運輸至安裝位置,檢修設備時,更換下來的配件通過設備上方的起重設備起吊放在地面,再通過水平運輸至提升孔,新配件通過相反的順序更換,比較費時費力。
       上世紀90年代,我國引進了澳大利亞技術,建設了晉城成莊選煤廠、天府三匯壩選煤廠,布置采用模塊式結構,以后又陸續建設了多座類似選煤廠。國內選煤工作者在引進技術的基礎上,結合中國國情,創造了鋼筋混凝土模塊式布置形式、大廳式低廠房結構布置形式,檢修量大的設備盡量采用平鋪式布置,通過廠房上部的橋式起重機進行整機安裝和檢修,大大縮短了安裝時間,檢修起吊方便。
       傳統多層結構布置形式的優點是設備臺數少、占地面積小、投資較低,缺點是設備安裝、檢修起吊不方便,層數多,用人多。
       模塊式或大廳式低廠房結構布置形式的優點是設備安裝、檢修起吊方便,層高低,層數少,視野開闊,缺點是部分物料需要用泵反復提升,設備采用平鋪式布置,占地面積大,投資稍大。
       大型現代化選煤廠布置建議采用模塊式或大廳式低廠房結構布置形式,盡管投資稍高,但設備維護和檢修費方便,廠房內空間開闊、視覺美觀。
 

 
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