基于粒度效應的重介質旋流器分選效果研究

張志軍，賈紅偉，溫亞培，楊小霞，佟震陽

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京100083)

基于粒度效應的重介質旋流器分選效果研究

張志軍，賈紅偉，溫亞培，楊小霞，佟震陽

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京100083)

為了研究不同粒度在重介質旋流器中的分選效果，分析了旋流器入料和產品的粒度和密度組成，計算了各粒級的可能偏差和錯配物指標，對比了各粒級物料的分選效果。結果表明：各粒級物料的分選效果有所區別，粒度為13～6mm分選效果最好，粒度較大或較小均會使分選效果變差。粒度為13～6mm時，可能偏差為0.043，錯配物總量為1.6%；粒度大于13mm時，分選效果變差，可能偏差增大，錯配物總量增大至1.7%；粒度小于6mm時，分選效果下降明顯，可能偏差超過0.050，錯配物總量上升至2.0%以上。粒度為13～6mm時，分選效果最好，粒度較大或較小均會使得分選效果變差。

重介質旋流器；粒度效應；分選效果；可能偏差；錯配物

隨著重介質選煤新工藝、新設備的不斷出現以及重介質旋流器、脫介篩、離心機等選煤設備的大型化，重介質旋流器選煤工藝得到了飛速的發展，重介質旋流器選煤已成為首選工藝[1-3]。重介質旋流器具有單位體積處理量大，分選精度高，分選粒度下限低、適應性強等優點，但仍存在分選效率難以滿足要求的問題[4-6]。

為了提高重介質旋流器選煤的分選效率，諸多學者[7-8]對旋流器進行了研究，主要集中在顆粒運動軌跡和密度場研究兩個方面，側重于優化旋流器結構和參數。

針對重介質旋流器選煤的分選效率問題，本文從入料粒度入手，通過對某煉焦煤選煤廠重介質旋流器的入料和產品進行分析，對比不同粒度煤顆粒的分選效果，研究重介質旋流器分選過程中的粒度效應。

1 實 驗

1.1 旋流器分級實驗

試驗對象為某煉焦選煤廠脫泥工藝的兩產品重介質旋流器，旋流器直徑為1400mm，圓錐角為20°，安裝傾角為30°，處理量為500～700t/h，入料粒度為50～1mm，旋流器溢流產品為精煤，底流為尾煤產品。

1.2 粒度篩析

為研究入料及產品的粒度組成，現場采取兩產品重介質旋流器入料、精煤和尾煤產品進行篩分實驗，得到50～25mm、25～13mm、13～6mm、6～3mm、3～1mm共5個粒度級別的產品，計算各粒級的產率和灰分。

1.3 密度分布實驗

為研究入料及產品的密度分布情況，分別對重介質旋流器入料、精煤和尾煤產品的各個粒度級別產品進行浮沉實驗，浮沉試驗的密度級為-1.30g·cm-3、1.30～1.40g·cm-3、1.40～1.50g·cm-3、1.50～1.60g·cm-3、1.60～1.80g·cm-3、+1.80g·cm-3共6個密度級，并計算各個密度級的產率和灰分。

1.4 分選效果評定方法

為了分析對比不同粒度級物料在重介質旋流器中的分選效果，采用可能偏差和錯配物指標作為評定指標。

1.4.1 可能偏差評定方法

可能偏差是基于分配曲線的評價指標，而分配曲線與分配率有密切關系。分配率取決于設備的性能，還與入料粒度組成、分選密度有關。本試驗選擇同一設備與同一分選密度，則可能偏差僅與入料粒度相關。可能偏差適合對設備性能評價，有一定的客觀性和對比性[9]。

1.4.2 錯配物指標評定方法

錯配物指標是從產品角度來評價分選效果的指標，與設備運行條件和產品的浮沉特性密切相關，能反映產品的分選精度，具有一定的針對性。可能偏差和錯配物指標均可作為不同粒度在重介質旋流器中分選效果的評定指標。

2 結果與討論

2.1 粒度組成分析

兩產品重介質旋流器的入料、精煤和尾煤產品的篩析試驗結果見表1。

表1 產品粒度組成

由表1可知，旋流器的入料中各粒級含量隨著粒度的減小而減小，50～25mm含量最多，為27.98%；3～1mm含量最少，為11.56%。入料灰分隨著粒度的減小而減小。精煤產品中13～6mm含量最高，為25.04%，灰分接近精煤產品總灰分；50～25mm產率相對較低；25～13mm灰分最低，為9.37%；6～3mm和3～1mm的灰分均高于精煤產品總灰分。從精煤各粒級產品灰分來看，13～6mm分選效果與整體分選效果相近，+13mm粒級灰分偏低，-6mm灰分偏高。

2.2 密度分布分析

兩產品重介質旋流器的入料、精煤和尾煤產品的浮沉試驗結果分別見表2～4。

從表2～表4可知，入料中各粒級主要密度級為1.30～1.40g·cm-3，精煤產品中各粒級主要密度級也均為1.30～1.40g·cm-3，入料和精煤產品的各粒度級中，1.30～1.40g·cm-3密度級的含量對粒度的減小而逐漸減小。尾煤產品中50～25mm最低密度級為1.50～1.60g·cm-3，沒有低密度物料混入尾煤中，但隨著粒度的減小，低密度級產品混入到尾煤中的比例增大，3～1mm有少量-1.30g·cm-3密度級的物料進入尾煤產品中?？梢姡６仍叫。兔芏燃壩锪蠐p失越大，分選效果越差。

2.3 分選效果評價

2.3.1 可能偏差評定

通過灰分平衡計算，可求得旋流器精煤產率為66.83%，尾煤產率為33.17%。為比較各粒度級分配效果，計算各粒度級在精煤和尾煤中的分配率，結果見表5。

從表5可知，50～25mm粒級在精煤中分配率最低，為56.16%；3～1mm在精煤中分配率最高，為77.54%。由此可知，粒度越小，物料在精煤中分配率越高。

表2 入料密度分布

表3 精煤密度分布

表4 尾煤密度分布

表5 各粒級在精煤和尾煤中的分配率

根據各粒級篩分、浮沉試驗結果計算分配率，分粒級繪制分配曲線，各粒級的分配曲線圖1。

根據圖1可得到各粒度級分配曲線的特征參數，通過分析計算得到各粒級的分選效果的可能偏差，結果見圖2。

圖1 重介質旋流器各粒級的分配曲線

圖2 各粒級可能偏差

從圖2可知，13～6mm粒級可能偏差最小，為0.0430。粒度小于13mm時，可能偏差隨粒度減小而增大，3～1mm達到最大，為0.0540。粒度大于13mm時，可能偏差隨粒度增大而增大，50～25mm達到最大，為0.0525。由此可知，最佳粒度在13～6mm之中，粒度增大或減小均會使得可能偏差增大，分選效果降低。

2.3.2 錯配物總量

通過繪制各粒級錯配物曲線，可得到試驗煤樣各粒級的錯配物指標，結果見表6。

表6 各粒級錯配物指標表

由上表可知，13～6mm錯配物總量最小，為1.60%。粒度增大，污染物含量減小，最小為0.20%，同時損失物增大，最大可達1.50%，錯配物總量略有增高，為1.70%；粒度減小，污染物含量無變化而損失物增多，使得錯配物總量增加，損失物最多為3～1mm粒級，為1.50%。等誤密度隨粒度的減小而逐漸降低，從1.56g·cm-3降低至1.51g·cm-3。

2.4 分選效果分析

離心力場中顆粒在徑向上受到的作用力主要有向心浮力、離心力與介質阻力[10]，其在半徑r處的沉降速度v如式(1)所示。由于礦粒尺寸較大，按牛頓-雷廷智公式[11]計算，可得式(2)。

(1)

(2)

式中：χ為球形系數；d為礦粒直徑；ψ是阻力系數；δ和ρ分別為顆粒密度和流體密度，g·cm-3；ω為半徑r處的角速度，rad/s；顆粒的徑向沉降速度與半徑及流體切向速度和密度有關，同時與顆粒的粒度和密度有關。

現場的重介質旋流器非垂直安裝，一般為小傾角水平放置，在同一半徑處，相同密度的顆粒，顆粒粒度決定著徑向沉降速度的大小。大顆粒的徑向速度受其自身重力影響較大，導致大顆粒易進入旋流器零速包絡面的外環，造成精煤損失物較多，使得分選效果變差。小顆粒受介質粘度的影響，在分選過程中密度效應不太明顯，不足以使得顆粒進入到相應的產品中去，造成精煤的污染或者損失。

3 結 論

1)各粒級物料的分選效果有所區別，以13～6 mm粒級的分選效果最好，可能偏差最小為0.043；粒度減小，可能偏差變大；粒度增大，可能偏差也增大。

2)13～6mm錯配物總量最少，污染物含量與損失物含量相近。粒度增大，錯配物總量略有增加，其中污染物含量減小，損失物含量增大；粒度變小，錯配物總量增加，其中污染物含量不變，損失物含量增大。

3)小粒級分選效果差是因為小顆粒受介質粘度的影響，在分選過程中密度效應不太明顯；而大粒級分選效果差是因為大顆粒在分選過程中受其自身重力影響較大。

[1] 楊周.重介質選煤工藝分析及發展研究[J].能源與節能，2014(10)：54-55.

[2] 齊正義.旋流器選煤技術現狀[J].選煤技術，2006(2)：52-54.

[3] 張文軍，歐澤深.重介旋流器分選系統的可靠性研究[J].煤炭科學技術，2000，28(11)：30-32.

[4] 張新民，李振濤.有壓大直徑兩產品重介旋流器的應用探討[J].煤炭工程，2013(11)：13-15.

[5] 劉峰.重介質旋流器選煤技術的現狀及在我國的新發展[J].選煤技術，2004(4)：1-8.

[6] 劉峰.我國跨世紀選煤科學技術的發展[J].選煤技術，1999(1)：1-6.

[7] 張力強，劉仕寬.重介質旋流器的發展及研究現狀[J].選煤技術，2007(4)：137-139.

[8] 郭秀軍.重介質旋流器的結構參數對分選效果及能耗影響的研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2005.

[9] 武思源.重介質選煤設備工藝性能評價指標的研究[J].選煤技術，2014(3)：88-91.

[10] 董連平，高建川，楊宏麗，等.分級旋流器分選作用與分選旋流器分級作用的試驗研究[J].煤炭學報，2014，39(5)：954-960.

[11] 謝廣元.選礦學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2005：117-118.

Separation performance of dense medium cyclone based on grain size effect

ZHANG Zhi-jun，JIA Hong-wei，WEN Ya-pei，YANG Xiao-xia，TONG Zhen-yang

(School of Chemical & Environmental Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

In order to study theeffect of grain size on separation performance of dense medium cyclone，the particle size and density distributions of feed and products of cyclone were carried out，and then the probable error and misplaced material content of each size fraction were calculated and comparative analyzed.The results show that each size fraction had different separation performance.The size fraction of 13～6mm was got the best separation performance，and the larger size and the smaller size were got the worse separation.The size fraction of 13～6mm was got the best separation performance，the values of probable error andtotal misplaced material were 0.043 and 1.6%，respectively.At the grain size greater than 13mm，the separationperformance became poorer，and the values of probable error became larger，and total misplaced material was increased to 1.7%.At the grain size less than 6mm，the separationperformance became poorer obviously，and the values of probable error was greater than 0.050，and total misplaced material was increased to more than 2.0%.The size fraction of 13～6mm was got the best separation performance，and the larger size and the smaller size were got the worse separation.

dense medium cyclone；grain size effect；separation performance；probable error；misplaced material

2014-12-10

北京市自然科學基金項目資助(編號：3154037)；高等學校博士學科點專項科研基金項目資助(編號：20130023120022)

張志軍(1984-)，男，河北邯鄲人，博士，講師，從事礦物加工工程方面的研究。E-mail：zzjun1984@126.com。

TD 94

A

1004-4051(2015)06-0101-04