2.2　煤炭的物理净化法

迄今为止，物理净化法是唯一工业化的煤炭净化方法，我国广泛采用的重介质选煤、跳汰法和浮选法都属于物理净化方法。把产品与废渣分离的分选过程是煤炭物理净化系统的中心环节，一般主要包括三个过程，即煤的预处理、煤炭的分选、产品的脱水，当然还必须包括煤的装运、水处理和废渣的处置过程。值得注意的是，所有这些工艺过程，均仍有排放各种污染物的可能性。图2-3概略地表示了煤炭物理净化的各种过程。

煤炭物理净化系统的净化效率是系统脱除杂质的效率和原煤热能回收率的函数。通常这两者之间是难于同时达到的。目前，净化主要以产品的标准化和脱灰为目的，但脱硫也越来越被重视，煤炭净化技术按工艺可以分为五个等级［30］。

1级：破碎与筛分，用滚筒碎选机、破碎机、筛子以控制上限粒度和脱除大块矸石。

2级：粗粒煤的洗选，把煤破碎并筛分，然后用9.5mm筛子进行筛选。大于9.5mm的煤用跳汰机或重介质分选槽进行湿法分选；<9.5mm的煤粒不经洗选，直接与粗粒产品混合。

3级：粗粒煤及中粒煤的分选。将煤破碎，用湿法筛分把煤分成三种粒度级。大于9.5mm的煤，按粗粒煤洗选流程进行分选；9.5～0.63mm的煤用水力旋流器、分选摇床或重介质旋流器进行分选；≤0.63mm的煤经过脱水，然后和净煤一起发运，或者作为废渣排出。

4级：粗粒、中粒和细粒煤的分选，将煤破碎，然后采用湿法筛分把煤分成三种或更多的粒度级，各级粒度的煤按各自流程进行分选；<6.4mm的煤需进行热力干燥以控制产品的水分。

5级：其工艺与4级相同，不同之处是，为了满足市场对产品的不同要求，生产两种或三种不同性质的净化煤。

目前这5级净化方法均已在工业上得到应用，不管是炼焦、供暖和工业锅炉、发电锅炉，还是煤炭气化或液化，都是物理方法净化煤的市场。

选煤方法的确定主要取决于煤的可选性和产品质量要求，也要考虑煤的种类、粒度、地区水资源条件、能够获取的设备技术水平以及技术经济上的合理性等其他因素。下面将详细介绍几种典型的工艺。

2.2.1　重介质选煤

重介质选煤是用密度介于煤与矸石之间的重液或悬浮液作为分选介质的选煤方法。目前国内外普遍采用磁铁矿粉与水配制的悬浮液作为选煤的分选介质［25］。作为主导选煤方法的重介质选煤技术以其对煤质适应能力强、入选粒度范围宽、分选效率高、易于实现自动控制、单机处理能力大等优点，近年来得到了大力推广应用。重介质选煤主要应用于排矸、分选难选和极难选煤，其用于高硫煤脱硫是最有效的。重介质选煤还是当前对难选和极难选煤进行分选的最合适、最先进的选煤方法。

重介质选煤的基本原理是阿基米德原理，即浸没在液体中的颗粒所受到的浮力等于颗粒所排开的同体积的液体的重量。因此，如果颗粒的密度δ大于悬浮液密度ρ，则颗粒下沉；δ小于ρ，颗粒上浮；δ等于ρ时，颗粒处于悬浮状态。当颗粒在悬浮液中运动时，除受重力和浮力作用外，还将受到悬浮液的阻力作用。对最初相对悬浮液作加速运动的颗粒，最终将以其末速相对悬浮液运动。颗粒越大，相对末速越大、分选速度越快、分选效率越高。可见重介质选煤是严格按密度分选的，颗粒粒度和形状只影响分选的速度，这也就是重介质选煤之所以是所有重力选煤方法中效率最高的原因［25］。块煤重介质分选机分选效率可达95％，重介质旋流器分选效率约90％。

目前，在重力场中分选时，块煤重介质分选粒度上限一般为300mm，最大可达1000mm，下限为3～6mm。我国选煤厂多采用重介质选难选煤，在联合流程中用重介质选块煤、末煤或中煤再选。

重介质旋流器选煤是在离心力场中完成的，此时重力的作用相对惯性力可忽略。在重介质旋流器中，颗粒一方面受到离心力的作用；另一方面受到悬浮液对颗粒的推力作用，同样可以达到上述的目的。重介质旋流器分选不脱泥原煤或煤泥时，分选深度可达0.15mm，对于0.2mm的煤泥，其分选精度优于跳汰；对0.1～0.2mm的煤泥，重介质旋流与浮选相近。

实现重介质选煤的设备叫做重介质分选机。重介质分选机的种类很多，如块煤重介质分选机分为斜轮分选机、立轮分选机和筒型分选机等，末煤重介质分选机有重介质旋流器等。

我国常用的分选机有三种：

一是斜轮重介质分选机，是目前我国选块煤应用最广的一种设备。斜轮分选机的优点是：分选精度高；选粒度范围宽，分选粒度上限为200～300mm，最大可达1000mm，下限为6～8mm；处理量大，槽宽1m的分选机，处理量为50～80t/h；所需悬浮液循环量少，约0.7～1.0m3/t入料；分选槽内介质比较稳定，分选效果良好。其缺点是外形尺寸大、占地面积大、出两种产品。

二是立轮重介质分选机，是目前应用较广泛的分选机。立轮重介质分选机的优点是入选上限大、分选效果好、设备结构简单、运转可靠。其缺点是立轮高度较大，当采用下降介质流和上升介质流时，悬浮液的循环量较大。

三是重介质旋流器，是目前重介质选煤应用最广的一种分选设备。其优点有：①处理能力大；②对原煤变化的适应性强；③选煤流程组合灵活以适应不同的工艺要求。在重介质旋流器选煤技术方面，我国已经自主研制开发了一系列大直径的重介质旋流器，如三产品重介质旋流器最大直径已达到1.5m，部分技术和指标已经达到并超过世界领先水平。

以上介绍的是湿法重介质选煤方法，重介质选煤还可以用于干法选煤。

2.2.2　跳汰法

跳汰的基本原理是：煤层在脉动的液体中，由于液体周期性的上下运动，交替地膨胀和收缩，导致煤粒按比重由顶至底依照逐渐增加的顺序进行分层，从而达到分选的目的。脉动液体通常为水，并用空气或活塞来产生脉动。典型的跳汰机设有如下系统：产生和控制周期性上冲-下降运行的机械系统；原煤的输送和喂入系统；净煤和废渣的分离和运出系统。

实现跳汰分选过程的设备叫跳汰机。目前跳汰机大致可分为三大类，一种是活塞式，跳汰机活塞室中活塞的往复运动引起水的运动；二是动筛式，将有煤层的跳汰箱在静止水中上下运动；三是无活塞式（空气脉动式），将机体制成“U”形，通过对“U”形机体的封闭端压入或放出压缩空气而引起水的往复运动。

该工艺被广泛使用的一个原因是其可以适合于各种不同可选性的原煤，对宽筛分或窄筛分均可，块煤、末煤也适用，流程简单，投资少，设备操作、检修和维护方便，有很强的处理能力，成本低，在一定条件下有足够的分选精度。图2-4示出了跳汰机一般工作原理［31］。

跳汰机中最常用的是无活塞式跳汰机。按压缩空气室和跳汰机的相对位置可以将无活塞式跳汰机分为两类：筛侧空气室跳汰机和筛下空气室跳汰机。无活塞式跳汰机最典型的是如图2-5所示的鲍姆跳汰机［32］，通过空气的脉动来实现跳汰的效果，改变脉动室空气排放速度的控制方法由于易于调节和实现而得到广泛应用。

跳汰选煤流程分为两类：分级入选和不分级入选流程。在我国多数厂采用不分级入选流程。图2-6所示为不分级跳汰流程［31］。在我国大多数选煤厂采用主、再选联合流程，可以是中煤破碎后再选，但破碎中煤往往产生大量煤泥，灰分又较高。因此，中煤是否破碎再选要有试验依据，主要依据夹矸煤含量和精煤解离量多少而定。当前多数选煤厂用中煤直接再选流程。图2-7所示为分级跳汰流程［31］。分级跳汰选前准备作业比较复杂，不分级跳汰的效果并不比分级入选逊色，在分级入选的条件下，由于分级和除尘作业效率不高，所以不分级入选优点更为突出。但对于块煤与末煤可选性相差较大时，从获取最大精煤回收率的原则出发，可考虑分级入选问题。

跳汰机的应用已走过了发展-完善-成熟的阶段，近年来，随着重介质选煤工艺的大力推广，跳汰选煤工艺所占比例在下降，跳汰机的发展创新也相对缓慢。现阶段追求的目标是设备大型化、智能化，提高单机处理能力、分选效率、控制装置的灵敏准确性及检测装置的精确性和整机的可靠性。

2.2.3　浮游选煤

浮游选煤又称浮选，它是利用煤和矿物质的表面物理化学性质的差别及对水呈现不同的润湿性，分选细粒煤（<0.5mm）的选煤方法。浮选是在气、固、液三相的系统中完成的，它能有效处理的物料粒度范围恰是一般重力选煤方法效率低、分选速度慢甚至无效果的粒度范围。因此，浮选的出现使煤炭全粒级分选得以实现。随着采煤机械化程度不断提高，煤矿开采深度加大，原煤中<0.5mm的粉煤量也越来越多，一般可达20％以上，因此回收这部分精煤更加重要，浮选作为煤泥分选的有效方法也就得到更为广泛的应用［33］。

从煤和矿物质的表面性质来看：煤的表面是非极性的，其表面的未饱和键是分子键，而矿物质的表面主要是极性的。因此它们的表面与强极性的水分子作用的程度不同，煤颗粒表面分子与极性分子之间的作用力比水分子之间的力要弱许多；而矿物质颗粒表面与水分子的作用力在一定范围内要超过水分子之间的作用力。煤的表面所具有的这种不易被水润湿的性质叫做疏水性，矿物质表面所具有的这种易被水润湿的性质为亲水性。

浮选工艺是利用上述性质来实现煤的浮选的。将煤与水混合成煤浆，并以一定的方式将气泡鼓入煤浆中。对于亲水性很强的矿物质，气相无法排开液相；而对于亲水性很弱的煤（疏水性强的煤），气相可以排开液相。在实际的洗选过程中，由于煤浆中煤和矿物质各自的润湿特性，当煤粒与气泡发生碰撞时，气泡易于排开其表面薄且容易破裂的水化膜，使煤粒黏附到气泡的表面，从而进入泡沫产品；矿物质表面与气泡碰撞时，颗粒表面的水化膜很难破裂，气泡很难附着到矿物质颗粒的表面上。因此矿物质留在矿浆中，从而实现了煤粒与矿物质的分离。

用于浮选的设备主要根据充气方式来进行分类，一般分为机械搅拌式浮选机和非机械搅拌式浮选机。目前应用较广泛的几种煤泥浮选技术包括机械搅拌式浮选机、喷射式浮选机和旋流-静态微泡柱分选设备。为了提高煤的可浮性、扩大煤与矿物质润湿性差别、促使空气在矿浆中的弥散、形成小而稳定且不易兼并的气泡，通常在浮选过程中加入一些药剂，如起泡剂、捕收剂和调整剂。

浮选技术的发展历史短，但发展较快，应用前景较好。浮选的应用广泛，虽然浮选较跳汰法、重介质选煤工艺成本高，但仍然是处理小于0.5mm的煤泥的重要方法。浮选药剂的选择和应用是提高煤泥浮选效果最重要的环节之一。当浮选易浮煤时，可以选择浮选活性略低些的捕收剂，但浮选表面疏水性差的煤时，应使用浮选活性高的药剂。当分选细泥含量高的煤泥时，就应选择具有良好选择性的药剂，必要时还需添加调整剂。起泡剂的选择应视煤泥中所含高灰分细泥的数量及浮选机的充气情况而定。对细泥含量高的煤泥，不宜采用起泡率高、气泡直径小、寿命长的起泡剂，以便减少细泥被泡沫层机械夹带，提高浮选的选择性。在浮选粗粒含量高的煤泥时，宜采用起泡率高、气泡直径小、寿命长的起泡剂，这有助于颗粒与气泡间的固着。但是，由于捕收剂和抑制剂的使用对环境有影响，浮选技术尚未完全达到洁净煤技术的要求［34］。

2.2.4　干法选煤

目前，在选煤领域普遍采用基于水的湿法分选方法，如跳汰法、重介质法等，虽然它们的分选效率高，但耗水量大，投资及生产费用高，对于干旱缺水地区、高寒地区的煤炭以及易泥化煤炭就难以进行有效分选。干法选煤主要是利用煤与矸石的物理性质差别进行分选，它的分选方法有风选、摩擦选、磁选、电选、空气重介质流化床等。上述干法选煤技术在工业生产中应用较多的主要有风选和空气重介质流化床。

传统的风力分选包括风力摇床和风力跳汰，以空气作为分选介质，使物料在强烈的上升气流场中进行分选，适用于易选煤的排矸。复合式干法选煤是我国在风力摇床的基础上独创的一种新型选煤方法，综合了摇床和风力分选的优点，实用性强，投资及加工费用较低。目前关于复合式干法分选的研究重点主要放在了工业应用的可行性和实际应用效果上，对分选机理方面研究较少，缺乏能指导生产实际的理论。

空气重介质流化床选煤的原理是应用气-固流化床的拟流体性质，在一种叫做流化床的专门装置中形成一种具有一定密度的、均匀的气-固悬浮体。一般由小粒径重密度的重介质（砂子、磁铁矿粉、石灰石粉等）加入流化床，使这些极细的重介质通过垂直上升气流的作用在床内得以分散和流化悬浮，在适宜的条件下，床层将形成具有均匀一致稳定密度的气-固悬浮体，这样在床层内就形成了类似湿法分选时所采用的重液的分选工况。其处理煤炭粒度下限为6mm，要求入选煤的外在水分<2％。虽然空气重介质流化床在干法选煤工艺中处于领先地位，但实际应用还受多种因素制约。

干法选煤技术的理论研究重点是分选机理，从而掌握提高分选精度的控制机制，发展方向是进一步拓宽技术适应性和设备可靠性［35］。

2.2.5　典型的选煤工艺

选煤的工艺主要针对不同的产品要求进行选择，从用途方面讲，主要有用于炼焦选煤和动力选煤两种。炼焦煤的选煤主要任务是最大限度地回收质量合格的精煤，目前主要采用跳汰、重介质选和浮选的联合工艺。而动力煤的主要目的是控制排灰，因此其工艺系统一般趋于简单，通常不设复杂的煤泥浮选系统。

典型的炼焦煤精选工艺流程有：跳汰、煤泥浮选；跳汰、中煤重介质旋流、煤泥浮选；块煤重介质选、末煤跳汰、煤泥浮选；块煤重介质选、末煤重介质旋流、煤泥浮选；跳汰粗选、重介质旋流精选、煤泥浮选；块煤跳汰、末煤重介质旋流、煤泥浮选；全重介质旋流器主、再选，煤泥浮选工艺流程。典型的动力煤分选工艺流程有：块煤重介质选矸；块煤跳汰；块煤重介质选、末煤跳汰和跳汰选工艺流程。

对于大型炼焦选煤厂，应尽可能提高产品的回收率，一般采用块煤重介质分选机、末煤重介质旋流器；三产品重介质分选机和三产品重介质旋流器两种工艺，以最高的分选精度达到最高的产率。后者流程如图2-8所示［36］。

对于中、小型炼焦煤选煤厂，宜采用简单、高效、投资少的工艺流程，适宜此类条件的有重介质旋流分选0～50mm原煤的工艺。该工艺流程单一，分选效率高，不分级不脱泥入选，投资少，建厂快。具体工艺如图2-9所示［37］。

对于动力煤选煤，应根据不同粒级的可选性及用户要求灵活选择与之相适应的重介质选煤工艺。一般来说，除易选煤和极易选煤外，可以采用重介质选煤工艺和跳汰选煤工艺，但总体上讲前者经济效益好于后者。对于易选煤，采用跳汰选煤工艺即可。跳汰选煤工艺流程如图2-10所示［38］。