锦界选煤厂高灰细泥处理工艺改造实践

方治民，智战平，刘洵文，王海宁，赵景文，何红为

(1.鄂尔多斯市神东工程设计有限公司，陕西 神木 719315；2.神华神东煤炭集团 洗选中心，陕西 神木 719315)

锦界煤矿属于国家级榆神工业园区国华锦能煤电一体化配套项目，矿井位于榆神矿区东北部，地处陕西省神木市锦界镇。该矿采用长壁后退式一次采全高综合机械化开采，管理顶板方法为全部垮落法，矿井最大涌水量为3 800 m3/h，水文地质类型为极复杂型。锦界选煤厂主要承担锦界煤矿开采原煤的洗选加工和装车外运任务，设计生产规模为18.0 Mt/a[1]。随着矿井的深度开采，造成选煤厂入选原煤水分偏高，矸石泥化现象严重，导致原有的浓缩压滤系统处理能力不足，使得块煤系统只能通过减量生产的方式来减少主选产生的煤泥水总量。该生产方式虽然暂时缓解了煤泥水系统的生产压力，但是也导致块精煤产量下降，降低了企业经济效益。根据实际生产情况，锦界选煤厂对煤泥水处理系统进行了升级改造，选用快开隔膜压滤机来处理矸石泥化后的极细煤泥，进而提升煤泥水系统处理能力[2]，并通过调整浓缩池使用方式，保证了煤泥水的完全沉降，从而实现了选煤厂煤泥水系统的正常运行[3]。

1 原煤矸石泥化问题分析

1.1 选煤厂工艺流程

锦界选煤厂于2006年6月建成10.0 Mt/a的筛分系统，2007年9月建成6.0 Mt/a的浅槽重介主选系统，并在2010年将筛分系统改扩建，使产能提高至18.0 Mt/a，2013年10月汽车运输系统建成并投用。筛分破碎车间共有7套系统，设计处理能力为4 400 t/h，主要有原煤分级筛、手选带、破碎机等设备。主选设备为两台浅槽重介分选机，设计处理能力为1 200 t/h，块煤系统设计最大入选率为35.2%[4]；压滤设备为两台安德里茨加压过滤机，设计压滤脱水能力为80 t/h。生产中原煤经过筛分分级后200～25 mm块煤采用浅槽重介分选工艺，<25 mm末煤不分选直接上仓。该厂块煤先进行8 mm脱泥筛脱泥，8～2 mm粒级物料选用卧式离心机脱水回收，<2 mm粒级物料先由泵送入水力旋流器分级，2～0.5 mm粗煤泥采用立式离心机脱水回收，<0.5 mm细煤泥经过浓缩沉降后泵送给入加压过滤机脱水回收。

洗选产品主要有块精煤和混煤，洗水实现一级闭路循环，矸石全部回填复垦绿化，装车系统采用全封闭式自动化快速装车系统，整套洗选系统实现了绿色、清洁、零排放生产。

1.2 原煤矸石泥化情况分析

目前锦界选煤厂主要存在原煤水分较大、矸石泥化严重等问题，矿井开采的原煤煤质情况恶化直接影响到选煤厂的正常生产。为此通过对井下生产情况以及原煤煤质资料进行了分析，以进一步了解原煤矸石泥化的严重程度[5-7]。

1.2.1 锦界煤矿生产情况

目前锦界煤矿正在回采工作面为：一盘区31115工作面，二盘区31214工作面，四盘区31409工作面，其中一盘区所剩余的6个工作面中部均受古冲沟影响，顶板破碎，回采期间漏矸严重，以致原煤灰分较高，每个影响距离约600 m，且工作面矸石具有泥岩特性，导致矸石泥化现象严重。四盘区所有工作面处于富水区，整体风化基岩含水层较厚，且工作面为俯采，采空区的水紧跟工作面，造成回采期间工作面涌水量较大，原煤煤质水分较高。根据锦界煤矿生产接续计划，2022年将回采三盘区，其工作面风化基岩含水层较厚，首采面涌水量势必较大，并对煤质影响较大，会造成长期性的原煤矸石泥化现象[8]。

1.2.2 原煤转筒泥化试验

为了更准确地了解锦界煤矿开采的原煤矸石泥化程度，通过采取原煤筛分大样，对自然级样品进行50～0.5、25～0.5、13～0.5、6～0.5 mm的泥化试验[9]。

(1)50～0.5 mm粒级样品在试验过程中，煤泥水样品沉降较为缓慢，澄清区无法看到明显上层清液，样品浓度相对较低，细泥透筛的过程也比较容易。转筒泥化试验结果如图1所示。从图1中可以看出：随着样品翻转时间的延长，该粒级样品的碎裂程度也在不断提高，次生煤泥的产率也在不断增加。次生煤泥的灰分随着翻转时间的延长先缓慢增加，当翻转时间为15 min时，进一步延长翻转时间，次生煤泥灰分有较明显的升高；翻转时间在25 min后，次生煤泥产率增加幅度减缓；当翻转时间为35 min时，此后次生煤泥灰分随着翻转时间的延长增幅继续减缓。综上可知，该矿原煤存在一定的矸石泥化现象[10]。

图1 50～0.5 mm粒级翻转时间-次生煤泥产率关系曲线

(2)25～0.5 mm粒级样品与50～0.5 mm粒级样品转筒泥化现象相似(图2)，试验样品在浓缩沉降过程中速度较慢，澄清区看不到明显上层清液，煤泥水浓度相对较低，细泥透筛也相对容易。从图2中可以看出：随着翻转时间的延长，煤块碎裂程度提高，次生煤泥灰分略有增加，矸石有轻微的泥化现象。

图2 25～0.5mm粒级翻转时间-次生煤泥产率关系曲线

(3)13～0.5 mm粒级转筒泥化试验结果如图3所示。该粒级转筒泥化现象与前面两个粒级泥化试验现象相似，煤泥水的沉降较慢，看不到明显上层清液，煤泥水浓度与前面两个粒级相比略有提高，同时次生煤泥灰分略有下降，细泥透筛相对较容易。

图3 13～0.5 mm粒级翻转时间-次生煤泥产率关系曲线

(4)6～0.5 mm粒级与13～0.5 mm粒级样品转筒泥化现象相似(图4)，煤泥水的沉降较慢，看不到明显上层清液，次生煤泥含量进一步增加，从图4中可以看出，该粒级样品矸石泥化现象较为严重。

图4 6～0.5 mm粒级翻转时间-次生煤泥产率关系曲线

在泥化试验过程中，随着入料粒度的减小，次生煤泥产率逐渐增加，次生煤泥灰分虽总体上略有降低，但次生煤泥灰分变化幅度逐渐增加，说明随着物料粒度的减小，原煤矸石泥化程度增加。

1.2.3 主选系统煤泥量

锦界选煤厂目前选用两台安德里茨加压过滤机处理细煤泥，当原煤煤质正常时，设计压滤脱水能力完全足够。2020年统计数据显示，原煤水分超过14%，原煤水分过高导致大部分块煤表面黏附着一层细煤泥，从而造成原煤分级筛的限下率增加，筛分效率下降，导致进入主选系统的原生煤泥量也相应增加。同时，由于原煤矸石泥化后会导致大量的高灰细泥黏附到块煤表面，这部分高灰细泥最终会随着煤泥水进入浓缩池，造成煤泥水难以沉降、浓缩池溢流循环水固体物含量高、浓缩池底流浓度过高以及耙架电流过大，从而影响浓缩池的正常运行[11]。

原煤矸石泥化情况对比见表1。由表1可知：当原煤煤质情况正常时，加压过滤机的处理能力完全足够；当原煤矸石泥化严重时，矸石遇水浸散成泥[12]，系统中的矸石泥由于具有一定的黏性，在原煤水分较大的时候会黏附在块煤表面，导致主选系统中原生煤泥量和次生煤泥量的增加。随着块煤入选量的增加，加压过滤机的小时处理能力在下降，如果仍然使块煤系统满负荷运行，会导致部分煤泥无法压滤脱水排出，造成整个煤泥水系统的恶性循环。现场遇到此类问题时，只能采取块煤部分入选的方式进行生产，但部分入选会造成高发热量、低灰分的块精煤掺入混煤中销售，造成了资源的浪费。

表1 不同块煤入选量的矸石泥化情况对比表

极细煤泥进入压滤机后，由于粒度太小导致部分极细煤泥透过滤布进入滤液，最终又会返回到浓缩池进行浓缩沉降[13]。长时间循环后，浓缩池中极细煤泥含量越来越多，浓缩池底流浓度升高，耙架转动阻力增大，当耙架电流超过警戒值会自动报警。在生产过程中，遇到此情况只能采取提高耙架的方式来减少耙架阻力，该方式只能暂时缓解浓缩池的生产压力，但不能从根本上解决问题。从而耙架的提升高度是有限的，随着耙架的不断升高，浓缩池底部聚集了大量的极细煤泥，此部分极细煤泥很容易在浓缩池底部凝结成块，形成致密的极细煤泥层，耙架在转动的过程中很容易刮到极细煤泥层，而导致耙架瞬时阻力过大，造成耙架变形。耙架变形后，如果没有及时停车会造成耙架折断的生产事故，从而导致煤泥水系统瘫痪，严重影响到选煤厂日常生产[14]。

煤泥水中极细煤泥的含量对压滤机的处理能力影响很大。该厂选用的加压过滤机滤布孔径为0.075 mm，根据现场生产经验，当加压过滤机入料中<0.075 mm粒级的极细煤泥占比超过60%时，会造成滤饼水分偏高、滤饼薄、滤饼卸料难等问题。加压过滤机入料粒度组成见表2。

表2 加压过滤机入料粒度组成

由表2可以看出，加压过滤机入料中<0.075 mm粒级的极细煤泥占到78.3%，这部分极细煤泥主要以高灰细泥为主。由于极细煤泥粒度太小，导致压滤脱水过程中压力不足，从而造成煤泥产品水分偏高，此外，由于部分极细煤泥混入滤液中还会造成滤饼变薄，滤饼难以卸料等问题。现场生产过程中一般采取降低压滤机主轴转速来增加滤饼压滤脱水时间，保证煤泥产品水分。该处理方式虽然可以在一定程度上降低煤泥产品水分，但同时也降低了加压过滤机的处理能力，导致系统中部分煤泥无法及时排出[15]。

2 煤泥水处理工艺改造

2.1 快开隔膜式压滤机

随着中国工业化进程的发展，很多类型的压滤机得到发展，其中具有代表性的就是快开隔膜式压滤机。该设备广泛应用于化工、食品、冶金、选煤等行业，在选煤行业中主要用于煤泥水的压滤脱水作业，尤其是针对粒度较细的煤泥有较好的处理效果[16]。

影响压滤机过滤效果的主要因素为压力的控制。快开隔膜式压滤机的主要工作原理就是通过压力的控制和调节实现过滤的功能，因此压力系统的好坏直接关系着设备过滤效果[17]。快开隔膜式压滤机的结构如图5所示。该类型压滤机与传统的厢式压滤机有着明显的不同，传统的厢式压滤机由一个过滤的腔室组成，而快开隔膜式压滤机腔室的主要结构是由两块滤板拼接而成的。快开隔膜式压滤机的过滤腔室组成则更加精准，它是由滤布交错排列的，且滤布分布在每一条的滤液管道上，在过滤作业的过程中，能避免滤板和滤袋之间存在的缝隙造成原料流失，而影响过滤效果。因此，快开隔膜式压滤机在过滤物料的性能上更出色，同时随着内部物体形态的改变性能也更好，对不同粒级的物料适应能力也更强。

1—滤板移动装置；2—滤板；3—活动头板；4—主梁；5—液压系统；6—集控装置

快开隔膜式压滤机的主要特点是，在过滤的过程中，能够对滤饼进行二次挤压，进一步减少滤饼的水分。当普通压滤机给入物料后，滤室里的物料将滤布布满，压滤机不再进行固液分离，因为物料已经填满了整个滤室，所以过滤出来的液体就很难从滤布中渗析下来，这种情况会导致压滤机的入料系统停止进料，供料孔进行封闭作业，压滤产品不够完全，产品的水分也相对较高。快开隔膜式压滤机设有滤板膨胀一体化系统，遇到上述情况后，入料系统会停止工作，滤板膨胀系统启动液压油泵，将液压油以一定的压力输送到滤板中，这样隔膜滤板的中空就会积累出一定体积的液压油，随着液压油的不断增加，滤布对滤饼的压力就会增大，滤板开始向外膨胀，使滤饼受到一定程度的挤压力，进一步减小了滤饼占用的空间。留出快开空间后，压榨出的滤液就会从滤饼中流出，从而有效地降低了滤饼的水分。在选煤行业经过快开隔膜压滤机过滤后的煤泥滤饼水分，比其他种类的压滤机过滤后的煤泥滤饼水分可以降低10～15个百分点，而且该机对煤泥水粒度组成要求不是很严格，在一定程度上降低了选煤厂煤泥产品的水分[18]。

2.2 生产工艺改造

动力煤选煤厂煤泥水一般选用加压过滤机进行过滤脱水回收，但是煤泥水中固体颗粒粒度分布较为复杂，且随着煤质情况的波动呈动态变化，因此，单一的煤泥水处理工艺在选煤厂日常生产过程中会遇到处理能力不足等诸多问题。

图6是新建压滤车间设备布置剖面图，根据锦界选煤厂的实际生产情况，在原厂房的基础上对压滤车间进行扩建。由于扩建空间受限，在原有厂房的北侧外扩一跨，新建厂房中尾对尾横排布置两台压滤机，这种布置方法可以充分利用厂房空间；二楼收集胶带收集脱水后的煤泥，将之从带式输送机机头共同转载至一楼的煤泥转载胶带。由于煤泥压滤脱水后呈饼状，需要进行破碎，通过调整两台收集胶带的相对位置，将煤泥转载溜槽设置为带有一定的倾斜角度，煤泥在下料的过程中冲击到溜槽内壁即可起到破碎的作用。该溜槽布置方式充分利用了厂房现有的高度差，省去了增加煤泥破碎机的费用，并简化了工艺流程，起到了降本增效的作用。

1—压滤机；2—收集胶带；3—清水桶；4—滤液桶；5—转载胶带；6—入料泵；7—入料桶

对于动力煤而言，浅槽重介分选机的有效分选下限是13 mm。锦界选煤厂为了提高块煤入选率，将部分原煤分级筛的筛孔尺寸由25 mm调整为13 mm，从而保证了主选系统入料量的稳定。同时主选脱泥筛的筛板筛孔尺寸由8 mm调整为3 mm，简化了原来8～3 mm粒级物料分级离心脱水流程，既降低洗选成本又减少了主选系统产生的次生煤泥量。煤泥经过水力分级旋流器分级后，>0.5 mm粗煤泥进入离心机离心脱水，<0.5 mm细煤泥进入浓缩池进行浓缩沉降。所有的煤泥先进入1号浓缩池进行一次沉降，粒度较大容易沉降的煤泥经过一次沉降后从底流流出，然后泵送至加压过滤机进行过滤脱水回收。1号浓缩池的溢流自流进入2号浓缩池进行二次沉降，粒度较小的高灰细泥经过二次沉降后从底流流出，泵送至快开隔膜式压滤机进行过滤脱水回收。该煤泥水处理工艺可以通过自流的方式实现煤泥水的二次沉降，从而简化了浓缩分级的工艺流程，也实现了降本增效的目的。综上，利用不同压滤机对不同粒级物料的处理优势，对细煤泥和高灰细泥进行分别回收，可保证压滤系统处理能力，并且提高了煤泥产品的质量。

3 改造效果

锦界选煤厂属于特大型动力煤选煤厂，2020年该厂原煤入选率为19.28%，提高煤泥水处理能力后块煤入选率提高了4个百分点，每年可多生产块精煤79.2万t，煤泥产品回收率提高了11.45%，产品水分降低了1.34个百分点，发热量提高了0.96 MJ/kg，极大程度地提升了该厂煤泥产品的质量指标，系统生产时每年增加电耗、材料费、排矸费等费用合计为470万元，吨煤洗选成本增加约0.2元，按照块精煤为490元/t(含税价)，混煤为335元/t(含税价)计算，每年可增加净利润6 828万元。在提质增效的同时提高了该厂原煤的入选率，响应了国家提倡的“大力发展煤炭洗选加工，提高原煤入选比例”政策要求[19]。

4 结语

国家煤炭工业发展“十三五”规划对我国煤炭洗选行业进行了相关的调整，提出了加快现有煤矿选煤设施的升级改造，提高原煤入选率，在2020年，我国原煤入选能力达到32亿t以上，将入选率提高至75%。现阶段，我国炼焦煤选煤厂入选率已经远远超过75%，但是很多动力煤选煤厂由于煤种特性，入选率依然不高。我国很多动力煤选煤厂设计之初并没有充分考虑到煤质情况波动等生产因素的变化，导致选煤厂生产系统对煤质波动适应性较差，生产任务难以完成。各选煤厂可根据各自的生产情况，通过对选煤厂煤质情况的试验分析，有目的性地调整生产工艺来提高原煤入选率，来达到提质增效的目的。