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第十二讲煤炭洗选

本讲的主要内容是与煤炭洗选相关的煤炭概况（煤的形成、种类、物化特性等）、煤炭洗选技术与工艺（跳汰、重介、旋流器等工艺特点）、煤炭洗选行业的新技术与新工艺。

煤炭是我国最主要的能源，在已探明的化石能源资源总量中，煤炭占94.3%，石油和天然气仅占5.7%。

我国又是煤炭生产和消费大国，在一次能源消费结构中，煤炭约占70%。

长期以来，国内70%的燃料和工业动力、60%的化工原料和60%的民用商品能源，都是由煤炭提供的。

随着国民经济和社会的发展，能源需求不断增加，对煤炭的需求量也将越来越大，在今后50年内我国以煤炭作为主要能源的格局不会有根本性变化。

大量的原煤直接燃烧造成的煤烟型为主的大气污染，严重制约了我国国民经济的持续健康发展。

2002年我国烟尘排放量为1012Mt，SO2排放量为1926Mt，酸雨面积已超过国土面积的30%，而燃煤造成的烟尘和SO2排放量分别占到70%和85%。

为了减少环境污染，提高煤炭的转化燃烧率，国家和用户对煤炭质量和品种的要求日趋严格，使围绕煤炭洁净加工与利用的洁净煤技术形成蓬勃发展的态势。

发展选煤是保护环境的需要，是煤炭工业可持续发展战略的重要组成部分。

众所周知，我国是煤炭生产和消耗大国，在一次能源构成中煤炭占据3/4的高额比重，而且这样的态势直到21世纪初叶不会改变。

然而，大量燃用煤炭已引起严重的环境问题，且将随煤炭生产量和消耗量的增加而日趋严重。

选煤是洁净煤技术的源头和基础，是现阶段最为成熟，最为经济的手段。

因此，在洁净煤技术起步时期，首先要加速发展选煤。

洗选煤市场份额的增大，将为选煤的发展拓宽道路。

以市场经济为主体的产煤国家的多年经验证明，在市场经济条件下，对于多数煤矿来说，选煤厂是不可缺少的生产环节。

选煤是使用物理、物理化学方法，将原煤分成不同质量、规格产品的加工过程。

选煤可以出去煤中的杂质，包括矸石和50%~70%的硫，提高煤炭产品的质量、增加煤炭品种、减少无效运输、提高热效率、节约能源、减少SO2、NOx和烟尘的排放量。

选煤还是综合利用资源，提高煤炭企业经济效益的重要手段。

因此，选煤已成为煤炭工业现代化生产中不可缺少的重要环节和洁净煤技术中的源头技术，是煤炭深加工的基础和前提。

我国选煤工业起步较晚，20世纪50年代才开始建立起自己的选煤工业，经历了两次快速发展时期。

20世纪70年代以“洗煤保钢”为主要内容的选煤大发展，是原煤入选比例由1970年的10%增长到1980年的17%，基本满足了我国钢铁工业对炼焦煤质的要求;2000年以来，选煤工业进入新的快速发展时期。

到2005年，我国原煤入选比例达到33%。

一、与选煤相关的煤炭概况

1、煤炭的形成及组成

煤是有远古死亡植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过地质化学作用形成的有机生物岩，它是主要由C、H、O、N等元素组成的有机成分和少量矿物杂质一起构成的复杂混合物，即煤是由有机组分和无机组分两部分构成。

无机组分包括水分和矿物杂质，它们构成煤的不可燃部分，在多数情况下，它们是对煤的加工利用起不良影响的有害部分。

煤中的有机组分主要是由C、H、O、N、S等元素构成的具有不规则构造的空间聚合体，其基本结构单元是以缩合芳香烃为主体，在其侧链上带有官能团的大分子。

它是煤的主要成分，也是煤炭加工利用的主要对象。

2、煤炭的煤化种类

根据成煤物质以及成煤条件的不同，可以把煤划分为三大类：

腐植煤、残植煤和腐泥煤。

腐植煤是由高等植物经过成煤过程中复杂的生化和地质变化作用生成。

它是自然界分布最广，蕴藏量最大的煤。

近代的煤炭利用及化学加工主要是建立在腐植煤基础上。

腐植煤根据煤化程度（即成煤植物在生物、地质化学作用下达到的化学成熟程度）的不同，可区分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。

其中烟煤是自然界中最重要、分布最广、品种最多的煤种。

残植煤是由高等植物残骸中对生物化学作用最稳定的组分富集而成，在自然界中的储量很少。

腐泥煤主要由湖沼或浅水海湾中藻类等低等植物形成。

其储量大大低于腐植煤类，故工业作用不大。

3、煤炭主要指标

（1）水分：

内在水分与表面水分为煤炭全水分。

不论何种水分增高，都使发热量下降，热量损失增加。

燃烧过程每蒸发1kg水，约需600kcal热量。

洗选不能改变煤的内在水分，但可脱出大部分表面水分。

原煤、筛选煤或洗选煤的表面水分均不得超过8%。

过高的表面水分即影响使用价值又给用户安全运行造成威胁。

（2）灰分

煤炭燃烧后，不可燃的矿物残渣是煤的灰分。

煤中灰分的测定是将一克分析煤样在815+10℃的温度下完全燃烧，剩下残渣的重量百分率即为式样的灰分。

煤灰几乎全部来源于煤中的矿物质，但煤在燃烧时，矿物质大部分被氧化、分解，并失去结晶水，因此，煤灰的组成和含量与煤中矿物质的组成和含量差别很大。

我们一般说的煤的“灰分”实际上就是煤灰产率。

煤中的矿物质有内在矿物质和外在矿物质之分。

内在矿物质又包括两部分，即植物本身所含的矿物质和煤生成过程中进入煤中的矿物质。

外在矿物质是指在煤的开采过程中，煤矿的顶板、底板和夹石层的煤矸石混入煤中所形成的物质。

其化学组成较为复杂，主要包括Si、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K、S和P等元素，它们常以碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、硫化物、氯化物及氧化物等形式存在。

外来矿物质可用洗煤的方法去除。

在能量转化的过程中，煤灰是有害物质，灰含量多不仅其分解时要多消耗热量，而且在排渣时还会带走更多的余热，在燃烧过程中，沉积在受热面上可能会造成腐蚀和导致传热效率降低。

煤中的灰分对炼焦过程有较大的影响，煤中的灰分每增加0.8%，则导致焦炭中的灰分增加1%，焦炭的强度下降2%。

灰分高的焦炭用作高炉炼铁时，则降低高炉的热效率和助剂的消耗量，因此炼焦多采用灰分小的洗精煤做原料。

所以原煤灰分大于25%时洗选加工，排除矸石。

易洗煤的产品灰分在15%左右或更低，难洗煤的产品灰分在20%∽24%之间。

（3）硫分

硫在煤中以三种形式存在，即有机硫、硫铁矿硫（黄铁矿和白铁矿硫等形式存在的硫）和硫酸盐硫。

硫在煤中含量变化范围较大，一般为0.1%—5%。

硫虽能燃烧放热，但它确实极为有害的成分。

煤中硫分是煤烟中SOX和NOX的直接来源，还会造成设备腐蚀、堵灰和泄漏，严重影响设备运行的经济性和安全性。

低、中、高硫煤中硫分分别小于1%、1%~3%、大于3%。

（4）发热量

煤的发热量是指单位质量的煤完全燃烧后放出的热量。

在煤燃烧的过程中，煤中的矿物质大多数都需要热量进行分解，所以煤中矿物质越多（灰分产率越高），煤的发热量越低，一般没得灰分产率每增加1%，其发热量降低约370J/g。

当煤风化以后，煤中氧含量显著中增加，碳、氧含量降低，导致煤的发热量降低。

4、我国煤炭的煤质特征

我国煤炭以低灰和低中灰煤为主，占65%以上。

其中，特低灰煤（灰分<10%）占21.6%；低中灰煤（10%~20%）占43.9%；中灰煤（20%—30%）占32.7%；中高和高灰煤占1.8%。

我国煤炭硫分较低，以特低硫和低硫煤为主，占56.07%；低中硫和中硫煤占32.46%；中高硫煤占8.27%；特高硫煤占3.2%。

我国的煤炭分类方案于1958年试行，1986年10月又颁布了新的分类国家标准。

新的煤炭国家分类标准，首先根据煤的变质程度将所有煤分为无烟煤、烟煤、褐煤三大类。

对无烟煤和褐煤，再按照煤化程度和工业利用途径，又各分为3个和2个小类，即无烟煤一号（WY1），无烟煤二号（WY2），无烟煤三号（WY3）和褐煤一号（HM1），褐煤二号（HM）。

烟煤按照煤化程度和黏结性能，范围贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中黏煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤等12小类

5、我国煤炭资源的概况

我国煤炭资源的探明储量为114.5Gt（109t），占全球总额的13.90%。

中国是以煤炭为主要能源的国家，在全部一次能源的消费的构成中煤炭占了70%。

中国与煤炭有关的行业数量是世界上主要产煤国中数量最多、最全的。

主要用途包括发电、冶金、建材、化工、工业炉窖、碳素、民用等多种行业。

中国煤炭资源的分布遍及全国28个省区，煤种分类包括了褐煤、烟煤、无烟煤等所有品种。

二、煤炭洗选煤技术与工艺

（一）洗选工艺流程

煤炭加工、矸石处理、材料和设备输送等构成了矿井地面系统。

其中地面煤炭加工系统由受煤、筛分、破碎、选煤、储存、装车等主要环节构成。

是矿井地面生产的主体。

1、受煤：

受煤是在井口附近设有一定容量的煤仓，接受井下提升到地面的煤炭，保证井口上下均衡连续生产。

2、筛分：

用带孔的筛面把颗粒大小不同的混合物料分成各种粒极的作业叫筛分。

筛分所用的机器叫筛分机或者筛子。

在选煤厂中，筛分作业广泛地用于原煤准备和处理上。

按照筛分方式不同，分为干法筛分和湿法筛分。

3、破碎：

把大块物料粉碎成小颗粒的过程叫做破碎。

用于破碎的机器叫做破碎机。

在选煤厂中破碎作业主要有以下要求：

（1）适应入选颗粒的要求；精选机械所能处理的煤炭颗粒有一定的范围度，超过这个范围的大块要经过破碎才能洗选。

（2）有些煤快是煤与矸石夹杂而生的夹矸煤，为了从中选出精煤，需要破碎成更小的颗粒，使煤和矸煤分离

（3）满足用户的颗粒要求，把选后的产品或煤快粉碎到一定的粒度

物料粉碎主要用机械方法，有压碎、劈碎、折断、击碎、磨碎等几种主要方式。

4、选煤：

是利用与其它物质的不同物理、物理－化学性质，在选煤厂内用机械方法去处混在原煤中的杂质，把它分成不同质量、规格的产品，以适应不同有户的需求。

按照选煤厂的位置与煤矿的关选煤厂可以分为：

矿井选煤厂、群矿选煤厂、中心选煤厂和用户选煤厂；我国现有的洗煤厂大多是矿井洗煤厂。

现代化的洗煤厂是一个由许多作业组成的连续机械加工过程。

5、存储：

为调节产、运、销之间产生的不平衡，保证矿井和运输部门正常和均衡生产而设定的有一定容量的煤仓，接受生产成品煤炭，保证能顺利出厂，进入最后的装车阶段。

6、装车：

包括装车仓、定量装车系统、平车和外运专用线等。

（二）煤炭洗选方法

煤炭洗选是利用煤和杂质（矸石）的物理、化学性质的差异，通过物理、化学或微生物分选的方法使煤和杂质有效分离，并加工成质量均匀、用途不同的煤炭产品的一种加工技术。

按选煤方法的不同，可分为物理选煤、物理化学选煤、化学选煤及微生物选煤等。

物理选煤是根据煤炭和杂质物理性质（如粒度、密度、硬度、磁性及电性等）上的差异进行分选，主要的物理分选方法有①重力选煤，包括跳汰选煤、重介质选煤、斜槽选煤、摇床选煤、风力选煤等。

②电磁选，利用煤和杂质的电磁性能差异进行分选，这种方法在选煤实际生产中没有应用。

物理化学选煤—浮游选煤（简称浮选），是依据矿物表面物理化学性质的差别进行分选，目前使用的浮选设备很多，主要包括机械搅拌式浮选和无无机械搅拌式浮选两种。

化学选煤是借助化学反应使煤中有用成分富集，除去杂质和有害成分的工艺过程。

目前在实验室常用化学的方法脱硫。

根据常用的化学药剂种类和反应原理的不同，可分为碱处理、氧化法和溶剂萃取等。

微生物选煤是用某些自养性和异养性微生物，直接或间接地利用其代谢产物从煤中溶浸硫，达到脱硫的目的。

物理选煤和物理化学选煤技术是实际选煤生产中常用的技术，一般可有效脱除煤中无机硫（黄铁矿硫），化学选煤和微生物选煤还可脱除煤中的有机硫。

目前工业化生产中常用的选煤方法为跳汰、重介、浮选等选煤方法，此外干法选煤近几年发展也很快。

一般来说，选煤厂由以下主要工艺组成。

（1）原煤准备：

包括原煤的接受、储存、破碎和筛分。

（2）原煤的分选：

目前国内的主要分选工艺包括跳汰-浮选联合流程；重介-浮选联合流程；跳汰-重介-浮选联合流程；块煤重介-末煤重介旋流器分选流程；此外还有单跳汰和单重介流程。

（3）产品脱水：

包括块煤和末煤的脱水，浮选精煤脱水，煤泥脱水。

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（4）产品干燥：

利用热能对煤进行干燥，一般在比较严寒的地区采用。

（5）煤泥水的处理。

我国现行的选煤厂主要有以下几种工艺：

①大于0.5mm级的煤，一般用跳汰、重介选或跳汰重介组合分选；②小于0.5mm级的煤，一般用浮选或煤泥重介选；③特大块煤一般采用手选或动筛选，或者重筛选。

（三）洗选工艺

1、跳汰选煤

跳汰选煤是主要的煤炭分选工艺，它的优点在于工艺流程简单、设备操作维修方便、处理能力大且有足够的分选精确度；另外，跳汰选煤入料粒度范围宽，能处理15mm—150mm粒级原料煤。

跳汰选煤的适应性较强，主要应用于洗选中等难选到易选的煤种。

是否采用跳汰方法选煤关键看原煤的可选性，原则上中等可选、易选的和极易选原煤都应采用跳汰选煤方法。

难选煤是用跳汰选还是用重介选，应通过技术经济比较来确定，对极难选煤，应采用重介选煤方法，以求得高质量和高效益在我国使用较多的国产跳汰机有SKT、X系列系列筛下空气室跳汰机。

XSKT系列跳汰机采用液压托板排料方式，跳汰面积为4m2~45m2；系列跳汰机跳汰面积为60m2~40m2，采用无溢流堰深仓式稳静排料方式，可避免已分层物料撞击或翻越溢流堰造成二次混杂。

总的来看，跳汰技术的发展是朝着设备大型化。

降低制造和运行成本更加精确地实现分选。

提高单机及系统的自动化程度等方向进行。

因此，来很长一段时间内，跳汰选仍将在我国选煤行业中居优势地位。

在垂直脉动的介质中按颗粒密度差别进行选煤过程。

跳汰选煤的介质是水或空气，个别的也用悬浮液。

选煤中以水力跳汰的最多。

跳汰机是利用跳汰分选原理将入选原料按密度大小分选为精煤、中煤和矸煤等产品设备。

2、浮选技术

浮选工艺是利用矿物表面的物理化学性质的差别分选矿物颗粒的作业过程，是一种应用非常广泛的选煤方法。

生产实践证明，不同粒级的煤泥在浮选中的速度和可浮性存的较大的差异。

因此，浮选工艺的一个发展方向是，采用分级入浮方式处理可使不同粒级的煤泥得到合理有效地处理，一般可将煤泥分为3个级别，即粗粒级（+0.25）中等粒级（0.25mm0.045mm）高灰细泥（—0.045），近年来我国研制成功的筛网旋流器为煤泥分级浮选或分级处理流创造了条件。

另外，对浮选剂的研发也得到了一定的发展，浮选剂的主要作用是提高煤粒表面疏水性和煤粒在气泡上黏着的牢固度，在矿浆中促使形成大量气泡，防止气泡兼并和改善泡沫的稳定性使煤粒有选择性地黏着气泡而上浮，调节煤与矿物杂质的表面性质，提高煤泥的浮选速度和选择性。

近年来对煤泥浮选的药剂进行了很多研究，除了各类捕收剂和起泡剂外主要致力于两个方面：

一是煤泥浮选促进剂，二是复合浮选药剂。

在这两个方面，国内外的专家学者通过不懈努力已经取得了丰硕成果

3、浅槽重介选煤

（1）基本原理：

分选机内悬浮液通过2个部位给入分选槽内。

下部给入的为上升流，通过布流板进入槽内，使其分散均匀。

上升流是保持悬浮液稳定、均匀，同时有分散入料作用。

侧面给入的为水平流。

通过布料箱的反击和限制，可使水平流全宽、均匀地进入槽内。

水平流的作用是保持槽体上部悬浮液密度稳定，同时形成由入料端向排料端的水平介质流，对上浮精煤起输运作用。

当入料煤入分选槽后，在调节挡板作用下全部浸入悬浮液中。

此时，开始分层。

精煤等低密度物浮在上层，矸石等高密度物沉到槽子底部。

下沉过程中，与矸石混杂的低密度物由于上升流的作用而在充分分散后继续上浮。

在水平流作用下，浮在上部的低密度物由排料溢流口排出成为精煤产品。

在刮板作用下，沉到槽底的高密度物由机头溜槽排出成为矸石产品，从而完成分选过程。

由于浅槽分选机的分选长度短，煤和矸石在悬浮液中的停留时间很短，大约是普通跳汰机的1／5—1／8，是动筛跳汰机的1／2—1／3。

同时煤和矸石在浅槽内的运动十分平稳，可以认为是相对静态分选，煤和矸石在悬浮液中很少相互挤压摩擦，因此可以最大限度的提高设备的分选精度，减轻分选作业产生的次生煤泥量。

（2）该工艺的优点

①分选上限高、入料粒级宽（100～13／6mm），能有效减少大块入料的破碎率，降低能耗，并降低最终产品水分。

②单台设备通过能力大，对煤质波动适应性，能及时排除大量矸石，可简化工艺，减少厂房体积及基建投资。

③分选精度及产品回收率高。

④有效分选时间短，次生煤泥量低，最大限度地减轻矸石泥化程度。

自动化程度高，悬浮液密度可自动调节。

⑤结构简单，易于操作维护，易损件更换方便。

（3）该工艺的缺点

①由于低密度物的运输和溢流完全依靠水平流的横冲力，所以要求的循环介质量较大，造成介质循环泵和精煤脱介环节的能力较大，功耗相对较高。

②完全依靠水平流的冲动排料，造成较大粒度的物料无法分选，所以其分选上限较低，最大为100mm。

增加了原料煤的加工任务。

③更换重介浅槽分选机链时，多人在狭小空间（宽1500mm）内作业，很容易产生磕手碰脚现象和其它安全隐患。

④运转中频繁出现断链，链片磨损严重，寿命短，一般仅为3个月。

4、重介旋流器

（1）基本原理：

两产品重介质旋流器是在离心力场条件下进行分选的设备，其本身没有运动部件，结构非常简单。

，其基本工作原理也很简单：

固、液悬浮液在一定的压力下从人料口切线给入旋流器，在器壁的导流作用下，悬浮液剧烈旋转，并同时沿着器壁向下做螺旋运动，形成向下的外螺旋流；外螺旋流在向下运动的过程中，由于锥段渐渐收缩，流动阻力增大，到达底流口附近后，迫使外螺旋流中除部分流体从底流口流出外，大部分流体转而向上运动，在内部形成向上的回流，即内螺旋流，并从溢流管流出。

在旋流器内的旋转流场中，悬浮液中密度大的颗粒在离心力的作用下容易沉降到器壁附近，并随外螺旋流从底流口排出，而密度小的颗粒由于沉降速度较小，则随着大部分液体形成的内螺旋流从溢流口排出，从而使悬浮液中的不同密度物料得到分选。

（2）主要工艺及其比较：

重介质旋流器按照入水的先后分为有压和无压，按照产出的产品数量，分为两产品和三产品。

我国三产品重介质旋流器技术飞速发展并日趋完善，而两产品重介质旋流器技术则相对滞后，而在国外，两产品技术相对成熟。

两产品重介质旋流器的结构存在一个弱点，即该设备一旦制造完毕，旋流器锥比即被固定。

这样，一些分选条件（如分选密度，溢流量，精煤产品灰分等）也就基本固定了，允许的波动范围不能太大。

模块式选煤厂主分选设备为两产品有压重介旋流器。

由于设备体积小，工艺系统简单，设备布置能形似模块式。

有压重介质旋流器虽有设备磨损率大、能耗大的缺点，但其入料压力稳定，分选效果相对稳定，并能降低相当大的厂房高度。

图12-1重介旋流器洗选原理示意图

（3）影响旋流器分选效果的因素：

主要包括结构、原料、操作等3个因素。

因外形管口等结构已经固定，入选原煤性质基本变化不大，在实际生产中，影响分选的主要因素是操作因素，为此，就液固比、处理量、放料压力、悬浮液中煤泥量等参数可进行分析

5、螺旋分选机

为了降低介质消耗，脱泥粒度突破0.5mm，出现了0.75，1，甚至2mm的筛缝，因此，在重选和浮选之间便存在了一个有效分选粒度的缺口，即2～0.25mm粗煤泥的分选。

螺旋分选机正好可以弥补这一缺口。

矿浆由分配器进入螺旋溜槽后，颗粒群在槽面上的运动过程中，重矿物沉降速度快，沉人液流下层，轻矿物则浮于液流上层；接着，轻、重矿物沿横向展开，沉于下层的重矿物沿收敛的螺旋线逐渐移向内缘，浮于上层的轻矿物沿扩展螺旋线逐渐移向中间偏外区域；不同密度的矿粒沿各自的回转半径运动，轻重矿物沿横向从外缘至内缘均匀排列，设在排料端部的截取器将矿物带沿横向分割成精、矸两个部分，使其通过各自的排料管排出，从而完成分选过程。