2.2　煤炭的物理凈化法

迄今為止，物理凈化法是唯一工業化的煤炭凈化方法，我國廣泛采用的重介質選煤、跳汰法和浮選法都屬于物理凈化方法。把產品與廢渣分離的分選過程是煤炭物理凈化系統的中心環節，一般主要包括三個過程，即煤的預處理、煤炭的分選、產品的脫水，當然還必須包括煤的裝運、水處理和廢渣的處置過程。值得注意的是，所有這些工藝過程，均仍有排放各種污染物的可能性。圖2-3概略地表示了煤炭物理凈化的各種過程。

煤炭物理凈化系統的凈化效率是系統脫除雜質的效率和原煤熱能回收率的函數。通常這兩者之間是難于同時達到的。目前，凈化主要以產品的標準化和脫灰為目的，但脫硫也越來越被重視，煤炭凈化技術按工藝可以分為五個等級［30］。

1級：破碎與篩分，用滾筒碎選機、破碎機、篩子以控制上限粒度和脫除大塊矸石。

2級：粗粒煤的洗選，把煤破碎并篩分，然后用9.5mm篩子進行篩選。大于9.5mm的煤用跳汰機或重介質分選槽進行濕法分選；<9.5mm的煤粒不經洗選，直接與粗粒產品混合。

3級：粗粒煤及中粒煤的分選。將煤破碎，用濕法篩分把煤分成三種粒度級。大于9.5mm的煤，按粗粒煤洗選流程進行分選；9.5～0.63mm的煤用水力旋流器、分選搖床或重介質旋流器進行分選；≤0.63mm的煤經過脫水，然后和凈煤一起發運，或者作為廢渣排出。

4級：粗粒、中粒和細粒煤的分選，將煤破碎，然后采用濕法篩分把煤分成三種或更多的粒度級，各級粒度的煤按各自流程進行分選；<6.4mm的煤需進行熱力干燥以控制產品的水分。

5級：其工藝與4級相同，不同之處是，為了滿足市場對產品的不同要求，生產兩種或三種不同性質的凈化煤。

目前這5級凈化方法均已在工業上得到應用，不管是煉焦、供暖和工業鍋爐、發電鍋爐，還是煤炭氣化或液化，都是物理方法凈化煤的市場。

選煤方法的確定主要取決于煤的可選性和產品質量要求，也要考慮煤的種類、粒度、地區水資源條件、能夠獲取的設備技術水平以及技術經濟上的合理性等其他因素。下面將詳細介紹幾種典型的工藝。

2.2.1　重介質選煤

重介質選煤是用密度介于煤與矸石之間的重液或懸浮液作為分選介質的選煤方法。目前國內外普遍采用磁鐵礦粉與水配制的懸浮液作為選煤的分選介質［25］。作為主導選煤方法的重介質選煤技術以其對煤質適應能力強、入選粒度范圍寬、分選效率高、易于實現自動控制、單機處理能力大等優點，近年來得到了大力推廣應用。重介質選煤主要應用于排矸、分選難選和極難選煤，其用于高硫煤脫硫是最有效的。重介質選煤還是當前對難選和極難選煤進行分選的最合適、最先進的選煤方法。

重介質選煤的基本原理是阿基米德原理，即浸沒在液體中的顆粒所受到的浮力等于顆粒所排開的同體積的液體的重量。因此，如果顆粒的密度δ大于懸浮液密度ρ，則顆粒下沉；δ小于ρ，顆粒上浮；δ等于ρ時，顆粒處于懸浮狀態。當顆粒在懸浮液中運動時，除受重力和浮力作用外，還將受到懸浮液的阻力作用。對最初相對懸浮液作加速運動的顆粒，最終將以其末速相對懸浮液運動。顆粒越大，相對末速越大、分選速度越快、分選效率越高。可見重介質選煤是嚴格按密度分選的，顆粒粒度和形狀只影響分選的速度，這也就是重介質選煤之所以是所有重力選煤方法中效率最高的原因［25］。塊煤重介質分選機分選效率可達95％，重介質旋流器分選效率約90％。

目前，在重力場中分選時，塊煤重介質分選粒度上限一般為300mm，最大可達1000mm，下限為3～6mm。我國選煤廠多采用重介質選難選煤，在聯合流程中用重介質選塊煤、末煤或中煤再選。

重介質旋流器選煤是在離心力場中完成的，此時重力的作用相對慣性力可忽略。在重介質旋流器中，顆粒一方面受到離心力的作用；另一方面受到懸浮液對顆粒的推力作用，同樣可以達到上述的目的。重介質旋流器分選不脫泥原煤或煤泥時，分選深度可達0.15mm，對于0.2mm的煤泥，其分選精度優于跳汰；對0.1～0.2mm的煤泥，重介質旋流與浮選相近。

實現重介質選煤的設備叫做重介質分選機。重介質分選機的種類很多，如塊煤重介質分選機分為斜輪分選機、立輪分選機和筒型分選機等，末煤重介質分選機有重介質旋流器等。

我國常用的分選機有三種：

一是斜輪重介質分選機，是目前我國選塊煤應用最廣的一種設備。斜輪分選機的優點是：分選精度高；選粒度范圍寬，分選粒度上限為200～300mm，最大可達1000mm，下限為6～8mm；處理量大，槽寬1m的分選機，處理量為50～80t/h；所需懸浮液循環量少，約0.7～1.0m3/t入料；分選槽內介質比較穩定，分選效果良好。其缺點是外形尺寸大、占地面積大、出兩種產品。

二是立輪重介質分選機，是目前應用較廣泛的分選機。立輪重介質分選機的優點是入選上限大、分選效果好、設備結構簡單、運轉可靠。其缺點是立輪高度較大，當采用下降介質流和上升介質流時，懸浮液的循環量較大。

三是重介質旋流器，是目前重介質選煤應用最廣的一種分選設備。其優點有：①處理能力大；②對原煤變化的適應性強；③選煤流程組合靈活以適應不同的工藝要求。在重介質旋流器選煤技術方面，我國已經自主研制開發了一系列大直徑的重介質旋流器，如三產品重介質旋流器最大直徑已達到1.5m，部分技術和指標已經達到并超過世界領先水平。

以上介紹的是濕法重介質選煤方法，重介質選煤還可以用于干法選煤。

2.2.2　跳汰法

跳汰的基本原理是：煤層在脈動的液體中，由于液體周期性的上下運動，交替地膨脹和收縮，導致煤粒按比重由頂至底依照逐漸增加的順序進行分層，從而達到分選的目的。脈動液體通常為水，并用空氣或活塞來產生脈動。典型的跳汰機設有如下系統：產生和控制周期性上沖-下降運行的機械系統；原煤的輸送和喂入系統；凈煤和廢渣的分離和運出系統。

實現跳汰分選過程的設備叫跳汰機。目前跳汰機大致可分為三大類，一種是活塞式，跳汰機活塞室中活塞的往復運動引起水的運動；二是動篩式，將有煤層的跳汰箱在靜止水中上下運動；三是無活塞式（空氣脈動式），將機體制成“U”形，通過對“U”形機體的封閉端壓入或放出壓縮空氣而引起水的往復運動。

該工藝被廣泛使用的一個原因是其可以適合于各種不同可選性的原煤，對寬篩分或窄篩分均可，塊煤、末煤也適用，流程簡單，投資少，設備操作、檢修和維護方便，有很強的處理能力，成本低，在一定條件下有足夠的分選精度。圖2-4示出了跳汰機一般工作原理［31］。

跳汰機中最常用的是無活塞式跳汰機。按壓縮空氣室和跳汰機的相對位置可以將無活塞式跳汰機分為兩類：篩側空氣室跳汰機和篩下空氣室跳汰機。無活塞式跳汰機最典型的是如圖2-5所示的鮑姆跳汰機［32］，通過空氣的脈動來實現跳汰的效果，改變脈動室空氣排放速度的控制方法由于易于調節和實現而得到廣泛應用。

跳汰選煤流程分為兩類：分級入選和不分級入選流程。在我國多數廠采用不分級入選流程。圖2-6所示為不分級跳汰流程［31］。在我國大多數選煤廠采用主、再選聯合流程，可以是中煤破碎后再選，但破碎中煤往往產生大量煤泥，灰分又較高。因此，中煤是否破碎再選要有試驗依據，主要依據夾矸煤含量和精煤解離量多少而定。當前多數選煤廠用中煤直接再選流程。圖2-7所示為分級跳汰流程［31］。分級跳汰選前準備作業比較復雜，不分級跳汰的效果并不比分級入選遜色，在分級入選的條件下，由于分級和除塵作業效率不高，所以不分級入選優點更為突出。但對于塊煤與末煤可選性相差較大時，從獲取最大精煤回收率的原則出發，可考慮分級入選問題。

跳汰機的應用已走過了發展-完善-成熟的階段，近年來，隨著重介質選煤工藝的大力推廣，跳汰選煤工藝所占比例在下降，跳汰機的發展創新也相對緩慢。現階段追求的目標是設備大型化、智能化，提高單機處理能力、分選效率、控制裝置的靈敏準確性及檢測裝置的精確性和整機的可靠性。

2.2.3　浮游選煤

浮游選煤又稱浮選，它是利用煤和礦物質的表面物理化學性質的差別及對水呈現不同的潤濕性，分選細粒煤（<0.5mm）的選煤方法。浮選是在氣、固、液三相的系統中完成的，它能有效處理的物料粒度范圍恰是一般重力選煤方法效率低、分選速度慢甚至無效果的粒度范圍。因此，浮選的出現使煤炭全粒級分選得以實現。隨著采煤機械化程度不斷提高，煤礦開采深度加大，原煤中<0.5mm的粉煤量也越來越多，一般可達20％以上，因此回收這部分精煤更加重要，浮選作為煤泥分選的有效方法也就得到更為廣泛的應用［33］。

從煤和礦物質的表面性質來看：煤的表面是非極性的，其表面的未飽和鍵是分子鍵，而礦物質的表面主要是極性的。因此它們的表面與強極性的水分子作用的程度不同，煤顆粒表面分子與極性分子之間的作用力比水分子之間的力要弱許多；而礦物質顆粒表面與水分子的作用力在一定范圍內要超過水分子之間的作用力。煤的表面所具有的這種不易被水潤濕的性質叫做疏水性，礦物質表面所具有的這種易被水潤濕的性質為親水性。

浮選工藝是利用上述性質來實現煤的浮選的。將煤與水混合成煤漿，并以一定的方式將氣泡鼓入煤漿中。對于親水性很強的礦物質，氣相無法排開液相；而對于親水性很弱的煤（疏水性強的煤），氣相可以排開液相。在實際的洗選過程中，由于煤漿中煤和礦物質各自的潤濕特性，當煤粒與氣泡發生碰撞時，氣泡易于排開其表面薄且容易破裂的水化膜，使煤粒黏附到氣泡的表面，從而進入泡沫產品；礦物質表面與氣泡碰撞時，顆粒表面的水化膜很難破裂，氣泡很難附著到礦物質顆粒的表面上。因此礦物質留在礦漿中，從而實現了煤粒與礦物質的分離。

用于浮選的設備主要根據充氣方式來進行分類，一般分為機械攪拌式浮選機和非機械攪拌式浮選機。目前應用較廣泛的幾種煤泥浮選技術包括機械攪拌式浮選機、噴射式浮選機和旋流-靜態微泡柱分選設備。為了提高煤的可浮性、擴大煤與礦物質潤濕性差別、促使空氣在礦漿中的彌散、形成小而穩定且不易兼并的氣泡，通常在浮選過程中加入一些藥劑，如起泡劑、捕收劑和調整劑。

浮選技術的發展歷史短，但發展較快，應用前景較好。浮選的應用廣泛，雖然浮選較跳汰法、重介質選煤工藝成本高，但仍然是處理小于0.5mm的煤泥的重要方法。浮選藥劑的選擇和應用是提高煤泥浮選效果最重要的環節之一。當浮選易浮煤時，可以選擇浮選活性略低些的捕收劑，但浮選表面疏水性差的煤時，應使用浮選活性高的藥劑。當分選細泥含量高的煤泥時，就應選擇具有良好選擇性的藥劑，必要時還需添加調整劑。起泡劑的選擇應視煤泥中所含高灰分細泥的數量及浮選機的充氣情況而定。對細泥含量高的煤泥，不宜采用起泡率高、氣泡直徑小、壽命長的起泡劑，以便減少細泥被泡沫層機械夾帶，提高浮選的選擇性。在浮選粗粒含量高的煤泥時，宜采用起泡率高、氣泡直徑小、壽命長的起泡劑，這有助于顆粒與氣泡間的固著。但是，由于捕收劑和抑制劑的使用對環境有影響，浮選技術尚未完全達到潔凈煤技術的要求［34］。

2.2.4　干法選煤

目前，在選煤領域普遍采用基于水的濕法分選方法，如跳汰法、重介質法等，雖然它們的分選效率高，但耗水量大，投資及生產費用高，對于干旱缺水地區、高寒地區的煤炭以及易泥化煤炭就難以進行有效分選。干法選煤主要是利用煤與矸石的物理性質差別進行分選，它的分選方法有風選、摩擦選、磁選、電選、空氣重介質流化床等。上述干法選煤技術在工業生產中應用較多的主要有風選和空氣重介質流化床。

傳統的風力分選包括風力搖床和風力跳汰，以空氣作為分選介質，使物料在強烈的上升氣流場中進行分選，適用于易選煤的排矸。復合式干法選煤是我國在風力搖床的基礎上獨創的一種新型選煤方法，綜合了搖床和風力分選的優點，實用性強，投資及加工費用較低。目前關于復合式干法分選的研究重點主要放在了工業應用的可行性和實際應用效果上，對分選機理方面研究較少，缺乏能指導生產實際的理論。

空氣重介質流化床選煤的原理是應用氣-固流化床的擬流體性質，在一種叫做流化床的專門裝置中形成一種具有一定密度的、均勻的氣-固懸浮體。一般由小粒徑重密度的重介質（砂子、磁鐵礦粉、石灰石粉等）加入流化床，使這些極細的重介質通過垂直上升氣流的作用在床內得以分散和流化懸浮，在適宜的條件下，床層將形成具有均勻一致穩定密度的氣-固懸浮體，這樣在床層內就形成了類似濕法分選時所采用的重液的分選工況。其處理煤炭粒度下限為6mm，要求入選煤的外在水分<2％。雖然空氣重介質流化床在干法選煤工藝中處于領先地位，但實際應用還受多種因素制約。

干法選煤技術的理論研究重點是分選機理，從而掌握提高分選精度的控制機制，發展方向是進一步拓寬技術適應性和設備可靠性［35］。

2.2.5　典型的選煤工藝

選煤的工藝主要針對不同的產品要求進行選擇，從用途方面講，主要有用于煉焦選煤和動力選煤兩種。煉焦煤的選煤主要任務是最大限度地回收質量合格的精煤，目前主要采用跳汰、重介質選和浮選的聯合工藝。而動力煤的主要目的是控制排灰，因此其工藝系統一般趨于簡單，通常不設復雜的煤泥浮選系統。

典型的煉焦煤精選工藝流程有：跳汰、煤泥浮選；跳汰、中煤重介質旋流、煤泥浮選；塊煤重介質選、末煤跳汰、煤泥浮選；塊煤重介質選、末煤重介質旋流、煤泥浮選；跳汰粗選、重介質旋流精選、煤泥浮選；塊煤跳汰、末煤重介質旋流、煤泥浮選；全重介質旋流器主、再選，煤泥浮選工藝流程。典型的動力煤分選工藝流程有：塊煤重介質選矸；塊煤跳汰；塊煤重介質選、末煤跳汰和跳汰選工藝流程。

對于大型煉焦選煤廠，應盡可能提高產品的回收率，一般采用塊煤重介質分選機、末煤重介質旋流器；三產品重介質分選機和三產品重介質旋流器兩種工藝，以最高的分選精度達到最高的產率。后者流程如圖2-8所示［36］。

對于中、小型煉焦煤選煤廠，宜采用簡單、高效、投資少的工藝流程，適宜此類條件的有重介質旋流分選0～50mm原煤的工藝。該工藝流程單一，分選效率高，不分級不脫泥入選，投資少，建廠快。具體工藝如圖2-9所示［37］。

對于動力煤選煤，應根據不同粒級的可選性及用戶要求靈活選擇與之相適應的重介質選煤工藝。一般來說，除易選煤和極易選煤外，可以采用重介質選煤工藝和跳汰選煤工藝，但總體上講前者經濟效益好于后者。對于易選煤，采用跳汰選煤工藝即可。跳汰選煤工藝流程如圖2-10所示［38］。