淺析重介質旋流器選煤機理及影響因素

摘要：重介質選煤具有分選效率高、分選精度高、密度調節范圍寬、適應性強、分選粒度范圍廣、生產過程容易實現自動化等特點，適于難選煤和極難選煤，而得到廣泛應用。重介質選煤工藝的優劣在很大程度上決定著重介質選煤的效率與經濟性，重介質選煤工藝的研究與優化是選煤領域關注的重要課題。本文簡要介紹了重介質旋流器的原理和特性，并對其分選效果的影響因素做了定性分析和探討。

關鍵詞:重介質 旋流器 分選效果

煤炭洗選利用是煤炭生產和綜合利用的重要環節，是實現煤炭清潔生產、節能減排、可持續發展的前提條件。近年來，我國在重介質選煤工藝和設備等方面取得了可喜的進步。重介質選煤工藝包括:重介質排矸、塊末煤重介質分選、跳汰中煤或精煤再選等。目前，我國已經掌握了重介質選煤技術，能自行設計大中型重介質選煤工藝的選煤廠。尤其是在重介質旋流器選煤技術方面，自主研制開發了一系列大直徑的三產品重介旋流器，某些技術和指標已經達到或者超過世界領先水平。

1 重介質選煤設備的發展概況

為了滿足煤炭需求的增加，解決原煤質量貧、細、雜的現狀，當前選煤設備的研制開發，主要朝著增大設備處理能力、提高分選效率的方向發展。根據分選原理的不同，重介質選煤設備主要分為兩類:第一類是重介分選機，是在重力場中分選，第二類是重介質旋流器，是在離心力場中分選。

1.1 重介質分選機

我國已經研制出雙錐形重介分選機、斜輪重介分選機、立輪重介分選機。斜輪重介分選機是由分選槽、斜提升輪、六角輪、傳動裝置等部件組成，其優點有:分選效率高；懸浮液的循環量少，密度比較穩定分選粒度范圍寬，上限可達1000mm。立輪重介分選機的分選機理與斜輪分選機基本相同，不同的地方是；立輪分選機的提升輪垂直安裝在分選槽內，分選時采用水平流和下降流，即合格懸浮液從給料端以水平方式給入分選機，在分選槽底部的排料閘門排出部分懸浮液。

1.2 重介質旋流器

我國從1965年開始研制開發重介旋流器，重點是擴大旋流器的入料上限和降低分選下限。多年來經科研人員的努力，現在旋流器的入料上限已經達到50mm，分選下限已降到0.04-0.05mm，基本實現50-0mm不脫泥全部入洗。重介質旋流器選煤的優點:分選粒度范圍寬，分選效率高，工藝流程簡單，投資少，操作方便，容易實現自動化，處理能力大等。

1.3 常見的重介質選煤設備

目前常見的重介質分選設備有:分選大于6mm或13mm的塊煤斜輪重介質分選機和立輪重介質分選機，分選末煤的重介質旋流器。立輪重介分選機的類型比較多，常見的有德國太斯卡型、波蘭的DIsA型，我國自行設計研制的JL型。重介質旋流器有:圓錐形重介質旋流器(例如荷蘭DSM型)，圓筒形重介質旋流器(例如美國DwP型)，圓筒圓錐形重介質旋流器(例如三產品型)。

2 重介質旋流器選煤原理與特性

重介質旋流器是一種結構簡單，無運動部件和分選效率高的選煤設備。由于旋流器本身無運動部件，因而其分選過程完全是靠自身的結構參數與外部操作參數的靈活配合來實現最佳分選精度，這是旋流器選煤與其它選煤方法截然不同的突出特征。在重介質旋流器分選過程中，物料和懸浮液以一定壓力沿切線方向給入旋流器，形成強有力的旋渦流；液流從入料口開始沿旋流器內壁形成一個下降的外螺旋流；在旋流器軸心附近形成一股上升的內螺旋流；由于內螺旋流具有負壓而吸入空氣，在旋流器軸心形成空氣柱；入料中的精煤隨內螺旋流向上，從溢流口排出，矸石隨外螺旋流向下，從底流口排出。空氣柱的形成機理為：由于底流管和溢流管直接與大氣連通，進入旋流器的兩相流以強烈的螺線渦運動，當切線速度增大到臨界速度時，旋流器各出口產生一定的阻力，形成內部的旋轉流場，引起軸向負壓，空氣由溢流管和底流管進入旋流器，在軸向負壓驅動和流體對流傳輸的共同作用下逐漸發展成為貫通的空氣柱。當顆粒密度大于懸浮液密度時，顆粒在懸浮液中半徑為r處所受合力為正值，顆粒被甩向外螺旋流；否則，顆粒被甩向內螺旋流；從而把密度大于介質的顆粒和密度小于介質的顆粒分開。在旋流器中，離心力比重力大幾倍到幾十倍，因而大大加快了分選速度，并改善了分選效果。

重介質旋流器選煤特性顯著。其旋流器結構多樣化，按其分選產品數分為兩產品重介質旋流器、三產品重介質旋流器等；按分選物料的給入方式可分為有壓和無壓兩類。另外，其選煤工藝多樣化，即針對不同的原料煤特點和產品結構需求，靈活地將原料煤脫泥、煤泥重介、浮選、粗煤泥回收等工藝與重介質旋流器工藝進行組合，以取得低投入高產出的效果。由于重介質旋流器選煤的特點，其適用范圍非常廣泛，可適應各煤種、不同可選性的煤質條件。尤其對其它選煤方法難以精選的難選、極難選煤、煤泥含量大的末煤，能達到精確分選的效果。

3 重介質旋流器分選效果的影響因素

3.1 入料煤質特性

重介質旋流器是一個封閉的、相對容積很小的分選容器。對于兩產品旋流器，有一個入口兩個出口，其進入和排出的瞬間體積流量相等。底流口和溢流口排量的分配，在一定的條件下是基本固定的，但當入選原煤的密度組成發生變化時，例如高密度物含量增加，那么要求底流固體排出量增加，溢流固體排出量相對減少，但底流口的排放能力有限，因而會將一部分中等密度的煤顆粒和重介質擠向溢流口排出，使實際分選密度升高。因此，入選原煤密度組成的變化會引起旋流器分選密度的波動，結果必定降低綜合分選效率。

3.2 旋流器的結構參數

重介質旋流器直徑的選擇應該符合處理能力的要求，對應于某一個最低的礦漿體積通過量，應滿足分選離心力的要求，使要分離的重產物從底流口排出。值得注意的是，選擇直徑較大的旋流器雖然可以改善分選效率，但卻可能造成浪費。旋流器圓筒段的高度增大，旋流器的總容積和總長度都增加，在一定范圍內對分選有利。過短會增加入料短路進入溢流的幾率，影響輕產物質量。底流口直徑與入料中重產物（砰石或中煤）的比例有關。增大底流口。在相同條件下會降低實際分選密度，精煤產率相應降低。底流口減小則會相應提高實際分選密度。溢流口直徑通常與底流口直徑保持一定比例關系。在其他條件不變的情況下，溢流口直徑縮小會降低實際分選密度，使部分原本應進入溢流的輕顆粒從底流口排出。入料口的形式和直徑對分選有重要影響。目前多數重介質旋流器采用螺旋線或漸開線入口，入料口尺寸增大，若超過旋流器的處理能力（特別是重產物排出能力），分選效率會受到損失；入料口尺寸減小，則會降低入料粒度上限。

3.3 重介質懸浮液的穩定性

保持重介懸浮液的質量和穩定性對重介質分選系統的正常運行至關重要。重懸浮液在旋流器內的濃縮對分選效率影響很大，磁鐵礦粉粒度較粗時會發生過分的濃縮。為保持良好的分選，介質的濃縮度愈小愈好。在實際生產中，除了避免使用太粗的磁鐵礦粉，并使循環介質中保持一定量的煤泥外，有時還可以往介質中添加少量粘土或一些天然的或人工合成的穩定劑。

3.4 循環介質量

重介質旋流器的容積很小，重介質和煤在其中的停留時間基本相同，只不過數秒鐘的時間。為保證有效分選所必需的液固比，重介質旋流器的循環介質量相對較大。不同粒度和密度的原煤，循環介質量一般在噸原煤3~5倍，對于三產品重介質旋流器而言，循環介質量有時還可能超出此上限。重介質旋流器的分選效率受液固比的影響較大。

3.5 重介質的入口壓力

原則上，重介質的入口壓力應使旋流器內產生足夠的離心力，使密度高于分選密度的重顆粒能進入底流。增加入口壓力將增大旋流器內產生的離心力，提高細粒重產物在底流中的回收率，但是也增強了懸浮液在旋流器中的濃縮。同時，由于入口壓力增加，旋流器的礦漿通過量隨之加大，從而減少了礦漿在旋流器內的停留時間，增大了溢流排出量，導致實際分選密度略有提高。