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中国矿业大学学报990 52 3 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 煤炭洗选脱硫研究 谢广元 欧泽深 摘要 简述了我国煤炭洗选脱硫现状及各种洗选脱硫方法，介绍了研制成功的煤炭洗 选脱硫两大关键设备无压给料重介旋流器和旋流微泡浮选柱的工作原理、脱硫性 能及脱硫工艺与应用实践，无压给料旋流器给料方式独特，介质入口曲线选择合理， 抗耐磨性能好；旋流微泡浮选柱柱体高度低，两段式结构设计新颖，微泡发生器的节 能性及体外配置工作可靠性大大提高，两者配合使用对煤炭的全粒级洗选脱硫可达到 满意的脱硫效果. 关键词 洗选脱硫，重介旋流器，浮选柱 中图分类号 T D 943 Reseach on Coal Washing Desulfurization Xie Guangyuan Ou Zeshen Department of Energy Utilization and Chemical Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008） Abstract Different s of coal washing desulfurization are introduced. The operation principle and function as desulfurization, the process and commercial application of the cylindrical cyclone and flotation column are presented. They are the key equipment for desulfurization and can obtain satisfied result as desulfurization for all size fractions of coal in China. Key words washing desulfurization, cylindrical cyclone, flotation column 煤的脱硫是人们多年关注的问题，我国高硫煤炭资源的特点是煤中硫大多以黄 铁矿为主，无机硫占2 / 3，通过物理方法洗选脱除50 ～8 0 的无机硫分. 以低硫煤为 主，小于1的低硫煤占6 0 以上，硫分大于2 . 0 的中高硫和高硫煤占全国煤炭总储量 的14左右. 我国生产高硫煤的矿井分布在2 1个省（自治区），目前已形成2 亿t 的生产 规模，而且比较集中在川、贵、鲁和中南某些地区，华北深部煤层含硫也高. 商品煤硫 分平均为1. 1左右. 1994年国有重点煤矿全国商品煤销量中中高硫及高硫煤销量占总销 量的9. 1［1］. 大量燃用高硫煤使上述地区大气污染及酸雨严重. 据统计，我国每年向大 气排放的烟尘及SO 2中分别有7 0 和90 是由燃煤引起的. 高硫煤炼制焦炭也严重影响钢 铁企业的产品质量和经济效益. 用选煤方法脱硫降灰以减少对大气污染的费用均为燃烧 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 1／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 31 中国矿业大学学报990 52 3 后处理的1/ 10 . 因此我国应优先发展煤炭洗选脱硫. 1 煤炭洗选脱硫传统方法简介 煤炭脱硫方法主要有物理洗选和化学方法两大类，由于化学脱硫方法费用昂贵， 操作条件苛刻，且常改变煤的性质，甚至产生二次污染，至今尚未见产业化. 物理洗选 能脱除50 ～8 0 的无机硫及大部分灰分，经济实用，是脱硫首选方法. 物理洗选中有 重选、磁选、电选、浮选、选择性絮凝油团选等，但由于磁选、电选、选择性絮凝等 方法成本高，分选条件要求苛刻，均未见大规模产业化. 实际在工业上应用的只有重选 和浮选法. 重选和浮选联合脱硫降灰是目前国内外最经济有效的方法. 一方面，由于煤中 黄铁矿的密度约3. 2 ～4. 0 k g / d m 3，而净煤的密度一般小于1. 5～1. 6 k g / d m3，对于大多 数煤炭，无机硫的含量随煤的密度升高而升高，为获得硫分和灰分合格的精煤，常需 把分选密度降得很低，此时煤的重选可选性将成为难选或极难选. 常规的重选法中的跳 汰、摇床、螺旋等已不适用，此时重介法最为适用. 在常规降灰选煤工艺中，入料上限 多为50 m m 或更高，而脱硫时为使煤中黄铁矿得以充分解离，必须预先使煤粉碎到一 定的粒度，甚至达到微米级，此时常规的块煤重介法也不适用了. 由于硫铁矿嵌布粒度 的原因，破碎解离必然大大增加了加工成本，从经济的角度，更为可取的办法是将煤 破碎到一定粒度（小于2 5 m m 或13 m m 或更细）. 此时采用末煤重介旋流器进行脱硫最 为有效. 末煤重介旋流器的分选粒度下限对灰分可达0 . 3～0 . 2 m m ，对硫分可达0 . 1 m m ， 小直径煤泥重介旋流器的分选下限对灰分可达0 . 2 ～0 . 1 m m ，对硫分可达0 . 0 7 4 m m 左 右，但都不可能达到接近0 的粒限，而此时能经济适用于分选细粒和超细粒煤的方法非 浮选莫属. 但常规浮选选择性不高，主要原因由于黄铁矿的疏水性及煤与黄铁矿的结合 体及机械夹带，黄铁矿的微粒被水带入精煤，造成脱硫效果不明显. 在此基础上发展起 来的微泡浮选柱不仅提高了分选效率而且分选粒度范围进一步延伸到微米级. 特别适用 于超细粒物料的分选和煤与黄铁矿的分离［2 ］. 可见将煤破碎到经济的粒度采用重选法 中末煤重介旋流器和浮选法中微泡浮选柱是煤炭深度脱硫降灰的最佳选择. 2 煤炭洗选脱硫新技术研究与实践 中国矿业大学矿物加工工程研究中心积十多年的经验，研究开发了煤炭洗选脱硫 的关键技术设备，即无压给料圆筒重介旋流器和旋流微泡浮选柱. 2 . 1 圆筒重介旋流器工作原理与脱硫效果 末煤重介旋流器在国外种类很多，传统的荷兰圆锥型（D SM 型）、美国圆筒型 （D W P型）两产品或多产品. 目前倒锥型、英国沃塞尔型，它们各有特色，技术水平大 致达到分选精度Ep 值在0 . 0 2 ～0 . 0 6 ，规格为直径150 ～1 2 0 0 m m ，单台处理能力5～2 50 t / h ，介耗0 . 5～1. 0 k g / t 之间，介质密度自动控制精度为0 . 0 1～0 . 0 0 5 k g / d m 3，煤介比 在1∶3. 5～1∶5 之间. 国内传统使用的是圆锥型（D SM 原型），我们研制成功的无压给 料圆筒型（D W P原型）旋流器首次在中梁山选煤厂脱硫降灰示范工程中成功应用，满 足了高硫煤脱硫和难选煤降灰的分选要求［3］. 其工作原理如图1所示. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 2 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 31 中国矿业大学学报990 52 3 图1 圆筒型重介旋流器原理 Fi g . 1 Sc h e m a t i c d i a g r a m o f t h e c y l i n d r i c a l h e a v y -m e d i u m c y c l o n e 该圆筒型旋流器是一段圆管，与水平呈2 5～30 倾斜安装. 煤与重悬浮液分开给入. 重悬浮液（常用磁铁矿粉配制）由下端切线泵入，在圆筒内高速旋转，中间形成空气 柱，入选原煤由上端的中心给料管给入，在筒内随重悬浮液旋转，高密度的硫铁矿与 矸石由上部的矸石口排出，脱硫后的精煤由下端的精煤管排出. 新研制的圆筒重介旋流器在综合其它重介旋流器优点的基础上，具有以下突出的 优点 1 独特的给料方式. 物料能靠自重产生旋转，以一定的初始旋转速度给入旋流器， 保证了给料的流畅和旋流器内空气柱的连续畅通，从而有利于提高旋流器的处理能力 和分选精度. 2 介质入口曲线的选择. 目前市场上的重介旋流器介质入口曲线绝大多数都采用切 线方式. 这种方式容易导致介质与迎面的器壁直接撞击，从而引起局部紊流和局部磨损. 在H M CC-40 0 旋流器的设计中我们采用了平滑过渡方式，使得介质缓慢地直接过渡到 圆周流，大大降低了流动中的能量损失. 由于减少了正面冲击，从而大大降低了介质入 口的局部磨损. 3 使用寿命进一步提高. 旋流器采用两段（介质给入口与重产物口）对称设计，这 样旋流器在使用一段时间（一般为1～2 a ）后可将两端颠倒使用，从而给旋流器的制 造、安装和使用、维修带来很多方便. 4 解决了旋流器安装、维修和更换过程中管道的连接方位问题. H M CC-40 0 旋流器 中部采用松套法兰，以保证根据实际安装需要进行调整. 轻产物口也以松套形式与轻产 物集料箱连接. 该旋流器具有以下几种规格 见表1 表1 圆筒旋流器规格 T a b l e 1 Sp e c i f i c a t i o n s o f c y l i n d r i c a l c y c l o n e s 型 号H M CC-30 0 H M CC-40 0 H M CC-50 0 处理能力/ t . h -1 2 5～3040 ～507 0 ～8 0 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 3／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 31 中国矿业大学学报990 52 3 表2 为H M CC-40 0 型在中梁山选煤厂生产中的脱硫效果. 表2 圆筒旋流器对13～0 . 5 m m 跳汰脱硫效果 T a b l e 2 Ef f e c t o f d e s u l f u r i z a t i o n o f c y l i n d r i c a l c y c l o n e o n 13～0 . 5 m m c o a l f r o m j i g 分选指标其它指标其它指标 粒级/ m m Ep 值入料量50 t / h w A 原煤2 6 ～30 13～60 . 0 35 0 . 1含量6 1 w S原煤 3. 5 6 ～30 . 0 40 数量效率 8 8 ～91 w A 精煤11 3～0 . 50 . 0 6 4脱硫率45～50 w S精煤1. 2 ～1. 4 由此可见，该圆筒旋流器对于0 . 5 m m 以上物料分选精度高，具有明显的分选脱硫 作用. 另外，生产实践还表明该圆筒旋流器具有以下显著特点 1 煤是无压中心给入, 沿外螺旋流排出, 硫铁矿和矸石与旋流器壁接触时间短、磨损 小、寿命长. 2 介质泵只泵送合格介质, 不泵送煤, 因而介质泵、管道、阀门等磨损小, 寿命长, 且 次生煤泥少. 3 分选精度高，脱硫率高. 单机处理能力大， 比同直径圆锥旋流器大30 ～50 . 4 设备配置容易，节省厂房体积和基建费用. 5 介质系统简单，易自动控制，操作方便，运行可靠. 2 . 2 旋流微泡浮选柱的分选原理及脱硫性能 旋流微泡浮选柱由于其结构的独创性，因而具有很高的选择性，从而可以改善浮 选的脱硫效果［2 ］. 其结构原理如图2 所示. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 4／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 31 中国矿业大学学报990 52 3 图2 微泡浮选柱原理图 Fi g . 2 Sc h e m a t i c d i a g r a m o f t h e m i c r o b u b b l e f l o t a t i o n c o l u m n 该浮选柱包括粗选段、精选段和扫选段. 精选段的顶部设有泡沫喷淋装置和精矿收 集槽，给矿管位于柱高的约2 / 3处，尾矿从柱体底部排出. 若干个气泡发生器于柱体外配 置，便于维修和更换，用循环泵将矿浆从粗选段底部抽出加压，喷入气泡发生器，吸 入空气并粉碎成气泡，同时，由于压力降低而析出大量微泡，然后沿切线或以一定角 度进入扫选段. 含气液固三相的循环矿浆在扫选段作回旋运动，气泡和已矿化的气絮团向中心移 动并上升进入粗选段，气泡与从上部给入的矿浆中矿粒逆向碰撞而矿化，气泡在柱体 内不断上升矿化并受到清洗，清除夹带的黄铁矿及高灰物质. 精选段较厚的泡沫层及冲 洗水的喷洗作用进一步清洗混入的黄铁矿和高灰矿物，综合起来在一个柱体内完成了 粗选、精选和扫选三个作用，使浮选柱获得较高质量的精煤和可燃体回收率. 该设备的研制吸收了国际上先进的逆流式浮选柱的优点，其创造性和先进性在 于 1 浮选分离与旋流力场重力分离相结合，实现快速高效分离. 2 体外配置的自吸式高效节能微气泡发生器，不易堵塞，气泡质量好，工作稳 定，检修方便. 3 吸收充填式浮选柱精选优点，克服其易堵塞缺陷的新型两段式柱体结构设计， 提高分选精度，且大大降低柱体高度. 图3和表3为用大屯选煤厂煤泥在直径2 0 0 m m 高3. 5 m 的浮选柱中的试验结果. 该试验 表明在浮选柱内，沿高度造成明显的灰分和硫分梯度. 从⑧点到精煤溢流口点，灰分 降低了2 7 . 55，从⑧点至尾矿排出口⑨点灰分提高了35. 11，显然在浮选柱的浮选段 和旋流段，脱硫降灰分选作用非常明显. 图3 采样点分布 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 5／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 31 中国矿业大学学报990 52 3 Fi g . 3 D i s t r i b u t i o n o f s a m p l i n g p o i n t s 表3 沿柱高采样结果 T a b l e 3 a s h a n d s u l f u r o f s a m p l e s 样 品 w B/ A d St , d 入料2 0 . 37 0 . 7 4 ‧精煤6 . 8 1 0 . 51 ①16 . 6 7 0 . 6 8 ② 入料口 18 . 7 2 0 . 7 6 ③2 0 . 51 0 . 8 1 ④2 0 . 380 . 7 9 ⑤2 2 . 6 80 . 8 5 ⑥2 4. 37 0 . 8 5 ⑦30 . 481. 10 ⑧34. 36 1. 0 0 ⑨尾煤6 9. 47 1. 55 表4为浮选柱对各个选煤厂煤泥浮选的试验结果. 表4 浮选柱试验结果 T a b l e 4 Re s u l t s o f f l o t a t i o n c o l u m n e x p e r i m e n t w B/ 厂名 入料精煤尾煤 A d St , d A d St , dA d St , d 大屯2 2 . 99 0 . 92 8 . 0 4 0 . 52 6 0 . 41 1. 90 夏桥30 . 7 2 3. 35 7 . 46 2 . 7 0 6 0 . 99 4. 30 蒋庄36 . 49 2 . 15 7 . 7 6 0 . 8 4 7 1. 34 3. 7 4 中梁山 19. 36 1. 37 9. 91 1. 2 5 7 2 . 2 2 2 . 0 1 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 6 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 32 中国矿业大学学报990 52 3 从表4中可以看出浮选柱不仅具有显著的降灰作用，而且脱硫效果也较明显. 目前 该浮选柱已经商业化，并已形成了直径1 0 0 0 , 1 50 0 , 2 0 0 0 和3 0 0 0 m m 的系列，如表5所示. 表5 各种浮选柱的规格 T a b l e 5 T h e d i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n s o f f l o t a t i o n c o l u m n s 直径/ m m1 0 0 01 50 02 0 0 03 0 0 0 矿浆量/ m 3. h -12 0 ～30 50 ～8 0 10 0 ～150 18 0 ～2 50 干煤量/ t . h -1 251015 电机功率/ k W1337557 5 生产实践表明，该浮选柱具有以下特点 1 结构简单，柱体短，占地面积小； 2 单位容积处理能力大，分选精度高，完全适用小于0 . 5 m m 的煤泥浮选，尤其适 于细粒及超细粒的分选，因而最有利于脱硫； 3 动力消耗小节能约1/ 3； 4 维修量小，运行稳定可靠. 2 . 3 煤炭洗选脱硫工艺与实践 中梁山矿务局选煤厂入选原煤为高硫难选主焦煤. 由于所用的跳汰浮选工艺与原 煤的可选性不相适应，该厂自196 0 年建厂以来，一直未生产出合格（w A a d 12 . 5，w St ，d 1. 5）的精煤，产品只能降为动力用煤，不但大大浪费了国家资源，严重影响 了企业的经济效益. 1992 年我们与中梁山矿务局合作，对已运行了30 a 的中梁山选煤厂 进行了系统技术改造，将跳汰粗精煤破碎到13 m m 以下进入H M CC-40 0 圆筒旋流器精 选，煤泥采用浮选柱建成了能力1 m t / a 的跳汰重介浮选联合流程，并于1993年7 月1 日投入生产，从而结束了该厂不能生产冶炼精煤的历史（见图4）. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 7 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 32 中国矿业大学学报990 52 3 图4 跳汰重介浮选联合脱硫流程 Fi g . 4 Jo i n t d e s u l f u r i z a t i o n f l o w s h e e t o f j i g g i n g -d e n s e m e d i u m s e p a r a t i o n f l o t a t i o n 该系统中对重介产品分别进行脱介，并在稀介质系统中设置了粗煤泥回收系统， 分别回收高、低灰煤泥；然后将灰分较高的高灰煤泥筛下水直接引入浮选尾煤系统， 该部分高灰煤泥中还汇集了绝大多数解离出来的黄铁矿，毫无疑问，这部分物料直接 排入浮选尾矿，对降低总精煤硫分是非常有益的. 圆筒重介旋流器分选下限低的突出优 点，有效地防止浮选入料的跑粗，在几乎不增加生产成本并有效地实现对大于0 . 5 m m 物料脱硫降灰作用的同时，还使浮选入料的灰分和硫分分别由原来的19和1. 8 5降至 15和1. 35，入浮煤泥量减少1/ 3，从而大大改善了浮选条件，降低了生产成本，提高 了总精煤质量. 3 结 论 鉴于我国高硫煤脱硫的迫切需要，物理洗选脱硫是最经济有效的方法，符合我国 国情. 研制成功的无压给料圆筒型末煤重介旋流器和旋流微泡浮选柱是洗选脱硫中的关 键技术和设备. 两者配合使用，可以高精度、高效率地实现对煤炭的全粒级（几乎从入 料粒度上限到0 ）的洗选脱硫，工艺流程简单，运行稳定可靠，脱硫效果显著，经济效 益好. 第一作者简介 谢广元，男，196 2 年生，工学硕士，副教授 作者单位中国矿业大学能源利用与化学工程系 江苏徐州2 2 10 0 8 参 考 文 献 1 李学俊. 我国的脱硫和选硫技术. 煤炭加工与综合利用， 1993（6 ） 56 ～58 2 欧泽深. 高硫煤洗选脱硫的最佳工艺微泡浮选柱与重介质旋流器的合理配合. 见 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 8 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 32 中国矿业大学学报990 52 3 范维唐主编. 洁净煤技术国际研讨会论文集. 北京煤炭工业出版社，1997 . 16 5～16 9 3 谢广元. 新型H M CC-40 0 圆筒重介旋流器的研究及应用. 煤炭加工与综合利用，1996 4 6 2 ～6 4 收稿日期 1999-0 1-2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 3. h t m （第 9／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 32