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大型现代化选煤厂设计中几个问题的探讨
      发布时间:2011-06-22

       摘要:设计是建设大型现代化选煤厂的关键,它直接影响选煤厂能否正常生产和技术经济指标。本文结合350多座选煤厂的设计实践,介绍在选煤厂设计,特别是在煤质分析、工艺流程、工艺布置方面取得的经验。
       关键词:选煤厂;大型现代化;设计;经验
       我国煤炭资源相对比较丰富,已查明资源储量1万亿吨,居世界第三,也是世界第一产煤大国,煤炭产量占世界的37%。煤炭是我国的主要能源,分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%,我国“富煤缺油少气”的资源分布状况,决定了在未来相当长的时期内,我国仍将是以煤为主的能源结构。
       为落实可持续发展战略,保证我国能源供应安全,必须加紧实施“中国洁净煤战略”,即煤炭燃烧和利用前实施加工与转化,使煤炭成为真正的洁净能源。选煤是目前最经济、有效,技术最成熟的煤炭洁净化的源头技术。按目前即将实施的“十二五”规划,煤炭入选量将以每年超过100Mt的速度递增,将建设一批处理能力≥10Mt/a的大型现代化动力煤选煤厂和≥5Mt/a的大型现代化炼焦煤选煤厂,提高我国原煤的入选率,实现“十二五”规划节能减排的目标要求。
       唐山国华科技有限公司(简称国华科技),在近10年承揽了350多座选煤厂的工程设计和承包,其中多数为处理能力≥1.2Mt/a的大型选煤厂,最大处理能力达13Mt/a,通过实践积累了一些大型现代化选煤厂设计的经验。
       1 煤质资料的分析
        煤质资料是确定产品用途和产品结构的依据,煤质资料及产品结构是工艺选择的根据。由于煤质分析不到位,导致对产品用途评价结论错误、资源不能合理利用,使项目经济效益大受影响,严重的会因工艺不合理而进行二次改造。
       煤质分析应注意以下几点:
       1.1 煤质资料的代表性问题
       煤质资料是选煤工艺设计的依据,直接关系到工艺设计的成败。设计用的煤质资料与选煤厂投产后的煤质应该一致或接近,否则可能导致选煤厂处理能力不能达标或甚至无法正常生产。
       1.1.1 如果拟建选煤厂入选原煤来自已经正常生产的矿井,业主提供的煤质资料相对较准确,如果有其它入选同种原煤选煤厂的实际生产资料,对设计将大有好处。这时情况比较简单,设计只需考虑未来煤质变化情况即可。
       1.1.2 如果是新建矿井,无法取得入选原煤的生产大样试验资料,可采用同矿区邻近矿井的生产煤样或小窑建井期所采的煤层煤样数据进行代替。前者可结合地质勘探报告中钻孔煤样资料对其进行灰分调整,后者由于小窑煤采煤方法和煤层煤样、生产煤样不同,进行矸石量调整。
       1.2 产品定位及产品结构
产品定位主要根据煤的牌号、物理和化学性质、煤岩特征、工艺性能指标确定产品的用途,再结合当地市场需求进行定位目标市场。产品定位确定好后,可根据市场价格等情况依据最大经济效益原则进一步优化产品结构。
       1.3煤质变化趋势
       煤质不变是相对的,而变化是绝对的。不同煤田或即使同一块煤田,不同的井田、不同的煤层,同一煤层的不同区域煤质也是变化的。业主提供的煤质资料,与选煤厂实际入选的资料或多或少都有不同。设计者要通过各种途径、采用各种方法尽量调查清楚煤质的变化趋势,在工艺制定和设备选型时考虑这种趋势,这样才能使选煤厂投产后较长时间的适应生产需要。选煤界流传的“选煤厂投产之时就是改造之日”,主要原因就是对入选原煤变化趋势分析的少,导致煤质变化稍大就无法适应。煤泥水系统是选煤厂特别是重介选煤厂能否正常生产的重要因素,特别是对当前和未来煤泥含量及性质的变化进行有效预测更是至关重要。
       2 选煤工艺的制定
大型现代化选煤厂必备的要素是大型、高效、高经济效益、高资源利用率,选煤工艺制定的是否合理、先进直接关系到上述要素能否实现。随着我国市场经济的不断深化发展,选煤厂设计市场体制发生了重大变化,市场竞争得到充分体现。我国的选煤工作者结合我国的国情,开发出了一系列选煤新技术、新工艺、新设备、新材料,并通过引进、消化国外技术,使我国的选煤厂设计水平大幅提高。
       2.1 动力煤选煤厂工艺的确定   
       动力煤选煤厂产品的主要用途是电力、化工、民用等。电力用煤一般按发热量计价,发热量与灰分及全水分(Mt)成线性关系,水分对发热量的影响接近灰分,因此对水分的高低要高度重视,避免造成煤炭洗选后灰分降低,但水分升高,发热量反而降低了;化工用煤主要使用块煤,对限下率要求严格;民用煤对各种指标相对比较宽松。
       2.1.1 大型动力煤选煤厂    为满足电力、化工用煤双重需要,一般采用分级入选,分级粒度可根据原煤资料及产品要求确定,一般为25mm或13mm,上限可定为200mm或300mm。对块煤的分选方法主要有跳汰和重介浅槽分选机。传统的块煤跳汰分选一般采用液压或机械式动筛跳汰机,由于物料在筛板的带动下分层,物料松散度差,分层效果差,矸石带煤多;近年新开发的块煤专用节水跳汰机,耗水量和动筛跳汰机相当,但分选效率大大提高,且厂房体积小、投资低,单位处理量可达40-50t/h;重介浅槽分选机对分选密度<1.8kg/L的块煤排矸是适宜的,它采用磁铁矿粉加水配成重悬浮液作为分选介质,悬浮液的密度可根据分选要求用磁铁矿粉补加来进行调节,使煤和矸石在悬浮液中按密度分层,分选效率高,矸石带煤少,但当分选密度>1.8kg/L时,会造成矸石灰分低、带煤严重。
       采用块煤节水跳汰机的分选精度并不亚于重介浅槽分选机,而且,当分选密度>1.8kg/L时,高密度的重介质悬浮液难以配制和维持,这时采用块煤节水跳汰机的优势很突出。
       2.1.2 动力煤选煤厂末煤的分选    目前国内外分选<25(13)mm粒度级主要有重介质旋流器与跳汰分选两种方法:
       跳汰选煤的优缺点如下:
       ⑴技术传统,工艺较简单,熟悉该技术的人员较多,生产容易正常。
       ⑵基建投资较低,但由于分选粒度下限高,浮选量大,加工费较高。
       ⑶分选精度差,表征分选精度的I值一般只能达到0.16~0.22。若分选密度在1.50kg/L时,其Epm值为(0.16~0.22)*(1.50-1)=0.08~0.11kg/L。尤其对细粒级物料分选效果更差,细颗粒含量越高,透筛越多,损失越大。
       ⑷自动化程度低,靠工人凭经验操作,精煤产率及产品质量波动较大。
       ⑸次生煤泥含量大,增加煤泥水系统负荷。
       重介旋流器选煤的优缺点:
       ⑴分选精度高,对煤质的适应性强,对各种可选性等级原煤均比跳汰分选效率高,因此精煤产率高。
       ⑵分选粒度下限低,入浮选煤泥量少,加工费较低。
       ⑶自动化程度高,重介分选的主要控制参数为悬浮液密度,密度控制可实现在线调节,对原煤煤质变化适应性强,人为因素少,操作直观方便,精煤质量稳定。
       ⑷缺点是技术新,设计难度大,投资稍高。
       随着采煤方法大规模采用综采,末原煤粒度普遍偏细,若采用跳汰分选,很难避免相当部分的细粒级物料因吸缀作用未经分选而透筛进入中煤和矸石,从而影响精煤产率,而重介质旋流器不存在这一问题。而且跳汰只适合易选煤,因此适应能力差。针对以上分析,对末煤的分选建议采用重介质旋流器分选工艺。
       2.2 炼焦煤选煤厂工艺的确定
       重介质选煤技术因适应范围广、洗选效率高、易于实现自动控制等优点, 在新建和技术改造中得到广泛应用。目前, 我国采用重介质选煤方法处理的原煤量约510Mt/a, 占总入洗量的45%, 并居首位。重介质选煤方法中又以重介质旋流器为主,因此建议新建大型现代化炼焦煤选煤厂应优先采用重介质旋流器选煤方法。
重介旋流器分选工艺又分为选前脱泥和不脱泥、两产品和三产品、无压入料和有压入料、分级重介与混合重介之分。
       2.2.1 选前脱泥与否的选择    选前脱泥的缺点是工艺流程复杂,分选效率低。由于用0.5mm筛缝脱泥效率很低,一般只能采用1-1.5mm筛缝脱泥,脱下来的粗煤泥还要采用螺旋分选机或TBS分选,这两种设备均属水力分选设备,只适合窄粒级的易选煤泥,对中等可选或难选煤泥分选效率很低。优点是脱泥工艺从理论上讲介耗稍低。
       不脱泥工艺的优点是工艺流程简单,分选效率高,且有效分选粒度可达0.25mm,如果煤泥可选性极难或要求分选下限低于0.25mm,可设置煤泥重介质旋流器,分选下限可达0.10mm。不脱泥工艺的缺点是要求设计者具有较高的技术水平,设计不当或管理不善会造成介耗高。目前国华科技拥有的技术,可以实现在煤泥含量高达60%时不脱泥分选,分选指标和介耗均达到满意的指标。
       2.2.2 两产品与三产品重介质旋流器的选择    三产品重介质旋流器在大型、高效、简化方面的巨大优势已被公认,但有人误认为其二段排矸分选密度的可调节性及对中煤和矸石量含量的适应性上逊于两段两产品重介质旋流器。
       ⑴关于排矸段分选密度的可调节性。有人认为:两段两产品重介质旋流器排矸段的分选密度不受精煤段的影响,可任意调节。但他们忽略了一个十分重要的问题:磁选机精矿悬浮液的密度只有2.0~2.1kg/L,高密度悬浮液的制备、特别是维持非常困难,密度一般低于1.6kg/L,很难达到1.75kg/L。
因此,当分选密度>1.6kg/L,特别是>1.75kg/L时,两产品重介质旋流器几乎无法做到,更谈不上“可调节性”,要想杜绝矸石带煤,必须采用三产品重介质旋流器,利用其一段旋流器对悬浮液的浓缩作用,大幅度提高进入第二段旋流器的介质密度,以1.4kg/L左右低密度悬浮液系统完成2.1kg/L以上的高密度排矸任务。
       ⑵关于对中煤和矸石量含量的适应性。只要三产品重介质旋流器第二段结构参数的设计适用于所选煤质,处理量与两产品重介质旋流器无明显差异。
       ⑶为了保证高密度的工作悬浮液非磁性物含量不超限,排矸用两产品重介质旋流器选前必须脱泥,劣势更为明显。
       2.2.3 重介质旋流器有压给料和无压给料方式的选择   
       ⑴相对于有压给料,无压给料方式的原煤不经泵打,矸石泥化现象和次生煤泥量大为减少。
       ⑵有压给料旋流器的原煤给入高密度的外旋流,细粒精煤因难以进入内旋流而易损失于重产物中。三产品重介质旋流器一段底流量较大,精煤损失尤其严重。
       ⑶无压给料旋流器的入料介质与煤完全分开,不受原料煤性质变化的干扰,悬浮液密度等参数易于准确测控,产品质量稳定。
       2.2.4 分级重介与混合重介的选择    分级重介就像当年的分级跳汰一样,有人主张按13(10)mm,甚至再按3(1)mm分级(也有称作脱泥)入选,认为这样既能提高分选精度,又符合等λ即最大产率原则。
       等λ原则讲的是从两种或两种以上不同可选性的入选原煤中选出某规定灰分的综合精煤时,为获得最高精煤产率所应遵循的原则。该原则是:按其精煤分界灰分(λ)相等的条件,选定各种煤的分选密度,使综合精煤产率最大化。在实际生产中,煤质是不断变化的,各粒级煤的分界灰分无法及时确定,等λ分级入选也就无法实现。但统计结果显示:随着粒度的减小,在等分界灰分条件下,绝大多数原煤的理论分选密度也随之升高。而旋流器亦与其他重选设备一样,被分选物料粒度越小,实际分选密度越高,趋于最高产率原则。因此,混合重介的实际分选效果与分级重介相当,但投资和成本却大大降低。
       就像混合跳汰淘汰分级跳汰一样,混合重介也必将很快淘汰分级重介。
       根据以上分析,对于大型炼焦煤选煤厂应优先采用不脱泥、不分级混合无压给料三产品重介质旋流器分选工艺,可以大大简化工艺流程、降低建设投资,实现高效、低消耗生产。
       3 设备选择
       大型现代化选煤厂规模大,应选择大型、高效设备,尽量减少设备台数,方便工艺布置,减少占地面积,尽量做到每个工序选择一台设备。设备选型计算入料量时务必结合煤质的变化趋势,每种设备均按可能的最大量选择。值得一提的是,目前国内选煤设备进步很快,研发了一批技术水平达到国际领先、先进水平、单机处理能力能满足年处理3.0Mt选煤厂生产系统需要的大型设备,有的可以替代进口设备,可以选用,既可降低投资,也能降低生产成本。
       高度的自动化水平,减少劳动定员,只设巡视岗位,是大型现代化选煤厂必备的条件,目前除PLC处理器、部分传感器需要进口外,其它设备及软件国内均可配套,完全满足生产需要。
       4 工艺布置
       传统工艺布置采用多层结构,一般5-6层,物料靠自流进入下一环节,设备台数少、占地面积小。安装时,设备从每层窗户进入,再水平运输至安装位置,检修设备时,更换下来的配件通过设备上方的起重设备起吊放在地面,再通过水平运输至提升孔,新配件通过相反的顺序更换,比较费时费力。
       上世纪90年代,我国引进了澳大利亚技术,建设了晋城成庄选煤厂、天府三汇坝选煤厂,布置采用模块式结构,以后又陆续建设了多座类似选煤厂。国内选煤工作者在引进技术的基础上,结合中国国情,创造了钢筋混凝土模块式布置形式、大厅式低厂房结构布置形式,检修量大的设备尽量采用平铺式布置,通过厂房上部的桥式起重机进行整机安装和检修,大大缩短了安装时间,检修起吊方便。
       传统多层结构布置形式的优点是设备台数少、占地面积小、投资较低,缺点是设备安装、检修起吊不方便,层数多,用人多。
       模块式或大厅式低厂房结构布置形式的优点是设备安装、检修起吊方便,层高低,层数少,视野开阔,缺点是部分物料需要用泵反复提升,设备采用平铺式布置,占地面积大,投资稍大。
       大型现代化选煤厂布置建议采用模块式或大厅式低厂房结构布置形式,尽管投资稍高,但设备维护和检修费方便,厂房内空间开阔、视觉美观。
 

 
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