王祖讷教授启发下重介选煤热点问题十三结论

引　言

最近幸读《选煤技术》吴大为老师的一篇题为《<谈谈煤泥水处理问题>一文的意义和影响》的文章，内容是评价王祖讷教授1974年发表的一篇关于煤泥水处理的论文，一时兴起，下载原文，拜读之后，感触颇深。王教授把抽象的东西通俗化，创造性地给煤泥水流程建立数学模型，提出了煤泥循环系数的概念，用定量的公式从理论上解析了多种煤泥水现象，并应用于实践，取得了很大的成功。45年过去了，选煤技术日新月异，但万变不离其宗，这些指导思想至今仍在发挥作用。受此启发，笔者把王教授的思维试用于重介流程，化繁为简，量化各类数据，尝试分析重介选的若干热点问题，得出初步结论，以飨读者。

关于泵的能耗的定量分析

以3.0Mt/a的选煤厂为例，按现行工作制度计算，小时量为568.18t，原煤含泥率为25%(原生煤泥20%，次生煤泥5%)，三产品重介旋流器每小时介质循环量为1988.63m³，即1t原煤用3.5m³介质循环量(规范取值为2.5~4.5)则：

原煤的含泥量是：

568.18*0.25=142.05t/h。

工作介质是由水、煤泥、磁铁矿粉组成的悬浮液，设煤泥的密度是1.5，磁铁矿粉的密度是5.0，取分选密度为1.45，经计算工作介质中非磁性物含量最高极限值为32.34%(公式略)，取30%，则工作介质中：

磁铁矿粉为189.82m³/h，949.12t/h；

煤泥为271.18m³/h，406.77t/h；

水为1527.63m³/h，1527.63t/h。

由于原煤中已带有煤泥142.05t/h，则实际循环介质中煤泥量为：

406.77-142.05=264.72t/h

即需要泵送物料总重为

949.12+264.72+1527.63=2741.47t/h，

体积为1893.93m³，密度为1.4475。设泵送高度为15m，旋流器入口压力为30m，则计算功率473kW，可选550kW电机。

以此类推，当1吨原煤用4.5m³介质循环量时：

磁铁矿粉为244.06m³/h，1220.30t/h；

煤泥为348.66m³/h，522.99t/h；

水为1964.10m³/h，1964.10t/h。

522.99-142.05=380.94t/h

即需要泵送物料总重为

1220.30+380.94+1964.10=3565.34t/h,

体积为2556.82m³，密度为1.3944。设泵送高度为15m，旋流器入口压力为30m，则计算功率617kW，可选700kW电机。

结论一：

降低介质泵的功率的主要途径是合理选择介质循环量。规范取值为2.5~4.5，介质循环量为1420.45~2556.81，跨度较大，初期如电机选择相对富裕，可在选煤厂后工程中适度优化泵的型号与电机功率，节约能耗。反之，在旋流器直径不变的情况下，可增加单台设备的原煤处理能力。

上述计算是按无压入料考虑的，如为有压入料，则输送物料中需多考虑的煤量为：

568.18-142.05=426.13t/h，折成体积为284.087m³/h。

当1吨原煤用3.5m³介质循环量时，密度为(2741.27+426.13)/(1893.93+284.087)=1.4543。

设泵送高度为10m，旋流器入口压力为30m，则计算功率487kW，可选550kW电机。

当1吨原煤用4.5m³介质循环量时，密度为(3565.34+426.13)/(2556.82+284.087)=1.405。

设泵送高度为10m，旋流器入口压力为30m，则计算功率614kW，可选700kW电机。

结论二：

在介质循环量一定的条件下：有压入料与无压入料对泵的能耗几乎相当(限于均是泵给料)。但往往同样煤质条件下，有压入料配套脱泥工艺，介质循环量有所降低，所以“有压入料能耗低”的结论是有理论依据的。

注：上述所有电机功率计算统一采用简化公式，基准一致，对比结果具有通用性。

关于脱泥不脱泥及分流的定量分析

当1吨原煤用3.5m³介质循环量时，循环介质中允许的煤泥极限值为：406.77/568.18=71.59%。

当1吨原煤用4.5m³介质循环量时，循环介质中允许的煤泥极限值为：522.99/568.18=92.05%。

由上述计算可见，在介质循环量一定的条件下，系统允许原煤中的煤泥量是有上限的，但上限较高(71.59%和92.05%)，理论上讲，即使含泥量70%的原煤仍可采用不脱泥三产品重介旋流器分选(加大介质循环量即可)。

结论三：

原煤中煤泥量的多少与是否选择脱泥不脱泥工艺没有直接关系，也就是说基本上大多数煤质(不含特殊煤质)均可以采用不脱泥三产品重介旋流器分选工艺，煤泥含量大时介质循环量比例适当提高即可。“煤泥量达到一定比例就必须脱泥”的论断是没有理论依据的。需要说明的是旋流器处理能力是按流量选型的，介质循环量的提高可能会增加旋流器的台数。

图1  重介典型流程

图2  重介简化流程

将图1重介流程简化为图2，以便于更清楚的观察煤、水、介的走向，总结规律。从简化流程图可以看出，为维持介质系统密度稳定，循环介质系统中水、煤泥、磁铁矿粉的量是一个动态循环恒值，如3.0Mt/a的选煤厂，小时量为568.18t，原煤含泥率为25%(含次生煤泥，共计142.05t/h)，三产品重介旋流器每小时介质循环量为1988.63m³(1吨原煤用3.5m³介质循环量)。当分选密度为1.45时：

磁铁矿粉为189.82m³/h，949.12t/h；

煤泥为271.18m³/h，406.77t/h；

水为1527.63m³/h，1527.63t/h。

为了维持介质系统的密度稳定，分选之后，需要分出含煤泥142.05t/h的合格介质进入磁选系统(含进入稀介段的煤泥)，142.05/406.77=35%，35%比例不小，其中大部分表现为重介选的“分流”，即使进入稀介段，最终也进入了磁选系统。如果煤泥含量高于25%，需要分出进入磁选的合格介质量更大。如果采用选前脱泥工艺，脱泥效率取70%，则进入系统的煤泥量为142.05*0.8*(1-0.7)+142.05*0.2=62.502，需要分出含煤泥62.502t/h的合格介质进入磁选系统(含进入稀介段的煤泥)，62.502/406.77=15%，从35%降至15%，分流量显著降低，磁选机负荷明显降低。

结论四：

脱泥不脱泥的取舍主要看对分流的影响大小，分流是磁选机负荷的主要来源，实际生产中，80%左右的介耗是磁选尾矿损失的。因此，同等条件下，脱泥工艺对降低介耗是有好处的。如何降低不脱泥工艺的介耗呢？磁选机多选一些(台数可能是脱泥工艺的2倍)，脱介筛面积富裕，一定要选宽筛面(保证料层薄)，喷水压力大，可多设一道喷水。这就解释了不脱泥工艺脱介筛和磁选机选型较大的原因，也说明了只要脱介筛面积足够大和磁选机台数足够多，不脱泥工艺同样可以实现低介耗运转。

结论五：

脱泥工艺的脱介筛喷水可适当减少或取小值，最终可降低整个系统的循环水量，节约能耗。

结论六：

从分流量的波动性看，脱泥工艺对系统的稳定性影响较小，更有利于维持重介系统持续高效分选的环境。

结论七：

介质系统中补加水的多少与分流有关，因为分流的过程中煤泥(本来就应该分走)、水、磁铁矿粉就进入了稀介系统，浓介质由磁选精矿返回了合格介质系统，只有水随尾矿走了，因此为维持介质系统密度，必须补加水。

结论八：

采用脱泥工艺时，由于磁选尾矿浓度低，可作为脱泥筛入料的冲水，减少整个系统循环水用量。

脱泥有压入料与不脱泥无压入料的定量分析

设计规范中次生煤泥的取值，无压入料4~8，有压入料5~10，鉴于有压入料一般都是煤先进入混料桶，再采用泵送至重介旋流器，泵在输送的过程中不可避免的会造成煤的破碎，产生更多的次生煤泥，因此有压入料次生煤泥多是一定的。

煤质硬时产生的次生煤泥少，反之，则产生次生煤泥多。同一矿区同一种煤质资料，究竟有压比无压次生煤泥量多多少？尚无试验数据。

实践：南桐选煤厂全厂次生煤泥1~3%(有压入料)，吕家坨选煤厂全厂次生煤泥大于5%(无压入料)，可见地域不同，次生煤泥量差异较大，不能定论。

假设还是前文中的煤质资料，采用脱泥有压工艺，原煤含泥率为30%(原生煤泥20%，次生煤泥10%)，即次生煤泥较无压工艺增加5%。

脱泥效率取70%，吨煤介质循环量取3.5倍。

进入系统的次生煤泥量：568.18*0.1=56.82t/h；进入系统的原生煤泥量：568.18*0.2*0.3=34.09t/h；进入介质回收系统的煤泥量：56.82+34.09=90.91t/h，不脱泥无压入料时为142.05 t/h；进入分选系统的煤量：568.18-568.18*0.2*0.7=488.63t/h。

介质循环量：488.63*3.5=1710.22m³/h，分选密度仍取1.45，则工作介质中：

磁铁矿粉为163.25m³/h，816.24t/h；

煤泥为233.21m³/h，349.82t/h；

水为1313.76m³/h，1313.76t/h。

由于入洗原煤中已带有煤泥90.91t/h。实际循环介质中煤泥量为：349.82-90.91=258.91t/h。

90.91/349.82=26%(进入介质回收系统的煤泥比例)。

由前文可知，不脱泥无压入洗时，142.05/406.77=35%(进入介质回收系统的煤泥比例)，大于26%。

上述计算以脱泥有压入料较不脱泥无压入料多产生次生煤泥5%为前提，从进入介质回收系统的煤泥比例和需分流走的总煤泥量比较，脱泥有压入料在重介分选过程是占优势的，有利于介质系统的稳定运转。但也暴露了一个问题，即多产生的次生煤泥(5%)转嫁到后续系统了，增加了后续系统的处理成本(如浮选和浓缩)。

结论九：

脱泥有压虽然增加了次生煤泥，造成后续环节处理成本增加，但对重介分选系统的稳定是有益的。脱泥有压与不脱泥无压的工艺选择存在一个最佳综合平衡点，可通过详细的全流程数质量计算，最终由经济效益来抉择。

结论十：

如果要出块煤产品，应忌用脱泥有压入料方式(泵输送)。

脱泥无压入料与不脱泥无压入料的定量分析

假设还是前文中的煤质资料，采用脱泥无压工艺，原煤含泥率为25%(原生煤泥20%，次生煤泥5%)。脱泥效率取70%，吨煤介质循环量取3.5倍。

进入系统的次生煤泥量：568.18*0.05=28.41t/h；进入系统的原生煤泥量：568.18*0.2*0.3=34.09t/h；进入介质回收系统的煤泥量：28.41+34.09=62.50t/h，不脱泥无压入料时为142.05 t/h，多出2倍有余；进入分选系统的煤量：568.18-568.18*0.2*0.7=488.63t/h。

介质循环量：488.63*3.5=1710.22m³/h，分选密度仍取1.45，则工作介质中：

磁铁矿粉为163.25m³/h，816.24t/h；

煤泥为233.21m³/h，349.82t/h；

水为1313.76m³/h，1313.76t/h。

由于入洗原煤中已带有煤泥62.50t/h。实际循环介质中煤泥量为：

349.82-62.50=287.32t/h。

62.50/349.82=18%(进入介质回收系统的煤泥比例)。

由前文可知，不脱泥无压入洗时，142.05/406.77=35%(进入介质回收系统的煤泥比例)，远大于18%。

上述计算以脱泥无压入料为前提，从进入介质回收系统的煤泥比例和需分流走的总煤泥量比较，脱泥无压入料较不脱泥无压入料在重介分选过程是有绝对优势的，另外也未多增加次生煤泥，不存在增加后续系统负荷的问题。

结论十一：

脱泥无压入料分流量小，系统波动小，优势更明显，理论是最高效的工艺选择，应该主推。磁选尾矿浓度低，可返回脱泥筛，节约循环水用量。

无压入料工艺(尤其是大直径)是否应设置粗煤泥分选

由于无压入料圆柱形重介质旋流器在远离中心而靠近器壁的切向速度较低，故在物料进行二次分选时，作用于颗粒的离心力明显低于第一次在中心处分选时的离心力，容易造成细粒级矸石或中间物与精煤的分离精度降低，轻、重产物易于相互混杂，导致分选细粒级煤精度差、效率降低这正是大型无压三产品重介质旋流器分选下限低的根源所在。当然，可通过延长筒体长度及提高入料压力的途径加以改善，但存在一些问题，增加圆柱长度，处理能力将会降低；提高入料压力对在该旋流器器壁处的物料进行二次分选是有利的，但压力不能过大，因为入料压力增大时，空气柱随之增大，其稳定性、不均匀性加剧，致使被选物料的分选效果变坏。

上述分析说明无压入料三产品重介质旋流器对细粒级分选效果不佳是有理论依据的，如何改善呢？可以考虑增设粗煤泥分选工艺。其次采用无压入料时，悬浮液进入旋流器的压力不能太大，否则影响空气柱稳定性，工程设计时对其入料泵电机配变频器很有意义。

工程实践中大量选煤厂配套采用TBS分选、煤泥重介、RC、螺旋分选机等粗煤泥分选工艺，有益弥补了大直径无压入料三产品重介旋流器分选下限低的弊端，也映证了设置粗煤泥分选的必要性。吕家坨选煤厂采用1000/700不脱泥无压给料三产品重介旋流器分选工艺，试验结果为一段旋流器分选下限大于等于0.5mm。

结论十二：

采用大直径无压给料三产品重介旋流器工艺的选煤厂，应毫不犹豫的单独设置粗煤泥分选及回收环节。

块煤浅槽高密度排矸时脱泥不脱泥的定量分析

以前文煤质资料为基础，采用重介浅槽分选工艺，取分选密度为1.75，吨煤介质循环量取2，则介质循环量为：

568.18*2=1136.36m³/h

工作介质中非磁性物含量最高极限值为13.47%(公式略)，取11%，则工作介质中：

磁铁矿粉为202.63m³/h，1013.16t/h；

煤泥为83.48m³/h，125.22t/h；

水为850.25m³/h，850.25t/h。

原煤中含泥量：568.18*0.25=142.05t/h，大于循环介质中要求的煤泥量125.22t/h，1.75的分选密度无法实现，必须脱泥。

含泥极限值：125.22/568.18=22%(含次生煤泥)，此时全部分流可实现正常运转。

实际生产中，浅槽一般入洗块煤(如+13mm)，前设干法筛分环节，煤泥含量不会很高，脱泥的必要性不是很大。需要注意的是，块煤分选时，粒度也是物料正常分选的一个因素，不脱泥入洗(筛分效率带入的末煤)易造成细粒级污染精煤的现象。

结论十三：

随着分选密度的提高，循环介质中的煤泥含量成降低趋势，甚至出现了必须脱泥的现象。但块煤重介浅槽高密度排矸时，可以不脱泥，打分流就可以实现介质系统的稳定运行，但同等条件下介耗会增加。如果选择脱泥工艺，磁选尾矿完全可以返回脱泥筛，减少循环水用量。

结　语

展望选煤技术的发展，未来相当长的时间内，重介质选煤技术仍将是主流，但系统的研究大直径重介旋流器选煤技术及配套工艺的理论未能与工程实践同步，业内一直争论不休。受王祖讷教授文章的启发，笔者试图建立一种数学模型，用于解释当下重介质选煤技术的若干热点问题，然未能如愿，但有一定的收获，即煤泥守恒是贯穿重介质系统稳定运行的隐形标尺，为此整理出来以飨读者，观点难免偏颇，以期通过互学互鉴，拨云见日，让问题更透彻，为中国选煤技术发展做点贡献。