1 前言

随着我国炼焦煤资源的减少，煤炭质量不断下降，含矸量高于50%的原煤已较常见，高达70%的亦不罕见。为满足大型、特大型选煤生产系统急需超大处理能力、超强排矸能力以及高效节能重介质旋流器的要求，北京国华科技集团在3GHMC(3HMC)系列无压(有压)给料三产品重介质旋流器的经验基础上，2014年成功研发出超大处理能力和排矸能力的S－3GHMC系列超级重介质旋流器。

2 S－3GHMC型超级旋流器的结构与工作原理

S－3GHMC型超级旋流器结构形式如图1所示。

图1  S-3GHMC型超级旋流器结构示意

S－3GHMC型超级旋流器基本遵循3GHMC型系列无压给料三产品重介质旋流器的工作原理和基本结构形式，由第一段圆筒形和第二段圆筒圆锥形旋流器串联组成。其工作过程是重悬浮液以设定的工作压力沿切线方向进入第一段旋流器，原料煤则从另一端沿轴线以无压自重方式给入，在离心力作用下，密度大于重悬浮液密度的物料向旋流器器壁方向移动，在外螺旋流的轴向速度作用下沿切向进入第二段圆筒圆锥形旋流器，而密度小于重悬浮液密度的物料则趋向空气柱，并随着中心内螺旋由溢流管排出；经过离心力场浓缩的密度较高、粒度较粗的重介质随同第一段的中、高密度物料一起进入第二段旋流器，分选过程基本与第一段类似，最后，高密度物料从底流口排出，而中密度物料则从第二段溢流口排出，从而完成分选过程。

3 超级无压给料重介质旋流器技术特点

为了大幅度提高重介质旋流器的处理能力，超级无压给料重介质旋流器具有以下技术特点：

(1) 减小旋流器内的阻力，确保入料、排料通畅及原料煤中不同密度物料以更准确和快捷的路线分别进入旋流器内的高、低密度区；

(2) 在确保高精度分选的前提下，根据原料煤可选性等级和精煤质量要求适当提高入料的固液比；

(3) 通过对无压给料三产品重介质旋流器结构形式、结构参数的优化，大幅度调整一、二段旋流器直径比和二段旋流器锥比；

(4) 取消二段旋流器分选密度在线调节装置；

(5) 依据入料量、排矸量和入料最大粒度，加大入料口、排矸口的面积，特别是一、二段旋流器连接口尺寸，以减小入料、出料的阻力损失，基本杜绝了过大块堵塞旋流器的事故。

4 超级旋流器在仲恒选煤厂的应用效果

贵州盘县仲恒选煤厂设计处理能力1.5Mt/a，原使用3GHMC1200/850型不脱泥无压给料三产品重介质旋流器入选50～0mm粒级原料煤，2016年底实施技术改造，采用S－3GHMC440/260超级旋流器取代3GHMC1200/850型三产品重介旋流器。随后并对S－3GHMC440/260型进行了单机工艺技术指标测试。

4.1 粒度特征

原料煤粒度组成见表1，粒度特性曲线如图2所示。

表1  原料煤粒度组成

图2  大于0.50 mm粒级原料煤粒度特性曲线

由表1、图2可知：

(1) 原料煤灰分高达52.39%，属高灰分煤；

(2) 大于25mm粒级为主导粒级，产率为31.20%，且含有大量矸石，灰分高达78.20%；

(3) 粒度特性曲线呈凹形，总体上来看，原料煤仍然偏细。

4.2 可选性计算

原料煤密度组成见表2，可选性曲线如图3所示。

表2  大于0.50 mm综合粒级计算原料煤密度组成

图3  大于0.50 mm综合粒级计算原料煤可选性曲线

由表2、图3可知：

(1) 大于1.90kg/L密度级产率近60%，灰分高至85.64%，说明煤层围岩和夹矸碳化程度轻，含矸量特大，属劣质煤。

(2) 浮物曲线基本是由2条斜率不同的斜直线所组成的曲线，曲线的弧形段在1.40～1.45kg/L之间，这也是确定精煤数质量的合理区间。

(3) 精煤产率低，当重选精煤灰分9.33%时，理论精煤产率仅为27.80%，此时理论分选密度为1.43kg/L，δ±0.1含量(扣矸)32.97%，属难选等级。

5 工艺指标

参照《选煤用重介质旋流器工艺性能试验方法及判定规则》(GB/T35054—2018，下同)，对仲恒选煤厂超级重介质旋流器单机测试的工艺指标进行如下简要分析。

5.1 原料煤及选后产物密度组成

原料煤及选后产物密度组成见表3。从表3可看出：

表3  原料煤及选后产物密度组成

(1) 从高含矸、灰分为56.98%的劣质煤中分选出了产率为26.67%、灰分为9.33%的优质炼焦精煤，而且精煤中不混杂任何大于1.55kg/L密度级的高灰分物质，表征精煤质量良好；

(2) 中煤里混杂大于1.80kg/L密度级矸石量微乎其微，中煤灰分仅为32.92%，发热量良好；

(3) 矸石中不混杂大于1.60kg/L密度级的煤炭，灰分高达83.29%，实属纯矸石。

5.2 数量效率

精煤数量效率是最为直观反映一段旋流器分选精度的工艺指标。其定义是灰分相同条件下，实际精煤产率与理论精煤产率的百分比值；中煤数量效率是最为直观反映二段旋流器分选精度的工艺指标。其定义是灰分相同条件下，实际中煤产率与理论中煤产率的百分比值。

由图3可查得，理论精煤产率为27.80%，则精煤数量效率η_1c=95.94%。由表3可计算出二段旋流器入料的密度组成(见表4)，据表4可绘制二段入料的中煤产率与灰分关系曲线（如图4）。

表4  二段旋流器入料的密度组成

图4  二段入料中煤产率与灰分关系曲线

由图4查得：当中煤灰分为32.92%时，理论中煤产率为10.86%，实际中煤产率为9.92%，则二段旋流器中煤数量效率为91.35%；二段入料灰分高达76.48%，在很多选煤厂视为可废弃的矸石，该厂从其中分选出了13.53%(占二段入料)的灰分为32.92%的优质中煤；表现了二段旋流器高效分选的性能。

5.3 可能偏差

产物中某一密度级的数量与原料煤中该密度级数量的百分比值称为分配率。超级旋流器的一、二段分配率见表5。

表5  超级旋流器的分配率

分配曲线是不同密度级在某一产物中的分配率的图示，是表示分选效果的特征曲线，超级旋流器的分配曲线见图5。从该图可直观看出这2条曲线的中段是趋向于垂直的线段。在理想条件下，分配曲线是通过分配密度的垂直于横坐标的直线，在单机测试中获得的分配曲线越趋向于垂线，则表征分选精度越高，其量化指标为可能偏差。

图5  分配曲线

可能偏差是表示分选精度的指标，其计算方法是分配曲线上相应分配率为75%和25%的密度值之差的一半。分配密度是分配曲线上相当于分配率50%的密度。由图5查得，重介质旋流器一段实际分选密度为1.41kg/L，二段分选密度为1.708kg/L，一段可能偏差E_pm1=0.022kg/L，二段可能偏差E_pm2=0.034kg/L。这2个可能偏差值是极小的。

5.4 选后产物的浮沉指标

《选煤用重介质旋流器工艺性能试验方法及判定规则》中要求按照《煤炭浮沉试验方法》(GB/T478最新版本)对重介质旋流器分选的精煤、中煤、矸石进行浮沉试验的4项指标作了规定，也作为判定分选精度的指标。各指标定义如下：

中煤带矸石量(%)：中煤产物在密度为1.80kg/L重液中沉物产率；

精煤带矸石量(%)：精煤产物在密度为1.80kg/L重液中沉物产率；

矸石带煤量(%)：矸石产物在密度为1.80kg/L重液中浮物产率；

中煤带精煤量(%)：中煤产物在密度为分选密度的重液中浮物产率。

根据表3可知：中煤带矸石量为4.68%，精煤带矸石量为0；矸石带煤量为0.79%，中煤带精煤量为4.35%，均是先进的指标。S－3GHMC440/260型超级无压给料三产品重介质旋流器工艺性能评定报告见表6。

表6  重介质旋流器工艺性能评定报告表

表6所列指标表明：S－3GHMC型超级旋流器对仲恒选煤厂难选煤分选效果良好，对于大于0.5mm综合粒级原料煤，该旋流器一、二段的可能偏差值分别为0.022kg/L、0.034kg/L；精煤数量效率为95.94%，中煤数量效91.35%；高于《选煤用重介质旋流器工艺性能试验方法及判定规则》的界定；精煤带矸等4项指标也均小于判定规则，精煤带矸、矸石带煤小于1.0%、中煤带精不大于5.0%；表明分选精度高。

6 数据可靠性

为保证可能偏差值的可靠性，《煤用重选设备工艺性能评定方法》(GB/T15715—2014)在煤样进浮沉试验时，明确要求配置7个以上密度级的重液。本次重介质旋流器单机检测的试验中配置了10个密度级，提高了数据的精度。

在本次单机检查试验的全过程中，严格遵守相关操作的要求，尽量减少试验误差。对于选煤厂重介分选，试验均方差σ应小于临界值1.40。本试验的均方差计算表见表7。

表7  均方差计算表

计算可得σ=0.46，小于临界值1.40，说明数据准确、可靠、可信、有效。

7 技术经济指标

7.1 处理能力

重介质旋流器的处理能力主要取决于一段旋流器直径D，且与D的2.2次方成正比。因此国内外习惯用k值来表征重介质旋流器处理能力特征。经检索，国内外知名品牌三产品重介质旋流器的k值列于表8。

表8  国内外知名品牌三产品重介质旋流器的系数k值

表8显示S－3GHMC型超级旋流器的k值为408，是国内外知名品牌三产品重介质旋流器平均k值200的2.04倍，是我国著名品牌3GHMC型的1.81倍，表明S－3GHMC型具有超大处理能力特征。

仲恒选煤厂原先使用的是3GHMC1200/850型重介质旋流器，其一段旋流器内径为1200mm，二段旋流器圆柱筒内径为850mm，实际处理能力为284t/h，而取代它的S－3GHMC440/260型超级旋流器一段旋流器内径为1000mm，二段旋流器圆柱筒内径为820mm，设备体积减小了，而实际处理量为408t/h，提高了43.7%。

超级旋流器的入料及各产品的过流断面，经优化均已增大，保证了处理量的提高，尤其是一段旋流器与二段旋流器连接管更为通畅，提高了排矸能力，可从根本上杜绝过大块物料的堵塞事故。

7.2 吨煤电耗

重介质旋流器的吨煤电耗是指单位时间内合格介质泵正常工作的用电量(kW·h)与入选原料煤量(t)的比值。

经实测，技改后仲恒选煤厂S－3GHMC440/260型旋流器吨煤电耗0.93kW·h，技改前3GHMC1200/850型旋流器吨煤电耗为1.09kW·h，吨煤电耗降低0.16kW·h，节能17.2%。

8 结语

仲恒选煤厂成功应用S－3GHMC型超级旋流器后，其生产指标优异，处理能力得到大幅度提升，根本上杜绝了旋流器堵塞事故的发生，生产时间得以延长，系统的可靠性大大提高；增大了入料粒度上限；在原煤入选量提高的同时，精煤产率得到了提高，节约了资源；降低了吨煤电耗，节约了吨煤加工成本，符合国家“节能降耗”优质高产的大政方针。S－3GHMC型超级旋流器的成功应用，在给仲恒选煤厂带来巨大经济社会效益的同时，也对整个选煤行业起到了示范作用。

◎作者简介：汤义春(1988—)，女，安徽全椒人，2011年毕业于安徽理工大学矿物加工工程专业，工学学士，北京国华科技集团有限公司工程师。

◎引用格式：汤义春，丁光耀，徐国鹏，等.S－3GHMC440/260型超级旋流器在仲恒选煤厂的应用［J］．煤炭加工与综合利用，2020(2)：1－6．