三錐角水介質旋流器在跳汰工藝中的應用

張運起，崔廣文，沈笑君，張 玉，趙建軍，徐東升

（1.山東科技大學化學與環境工程學院，山東 青島 266590;2.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022;3.山東華恒礦業有限公司，山東 新泰 271202）

山東能源新汶礦業集團有限公司華恒選煤廠是一座設計處理能力為1.20 Mt/a的礦井型煉焦煤選煤廠，其主要產品結構為“六級”冶煉精煤、洗混煤、尾煤泥等，其中精煤灰分在8%以下，屬于優質氣肥煤。自建廠以來，該廠經過多次改造，目前的生產工藝為:原煤進入跳汰機分選，精煤由弧形篩和高頻篩脫水，篩下水經煤泥泵送至濃縮旋流器;旋流器底流由高頻篩回收粗煤泥，高頻篩篩下水和濃縮旋流器溢流進入浮選分選;浮選精煤經壓濾脫水后混入精煤，浮選尾煤則進入耙式濃縮機處理。由于華恒選煤廠采用單一跳汰分選方式，因而分選精度較低，分選粒度下限較高，對于0.2～3 mm粒級這部分粗煤泥的分選效果差［1］。隨著采煤機械化程度的提高，選煤廠入廠原煤中粉煤的含量越來越高，加之華恒煤礦地質條件的變化，導致原煤質量逐漸惡化，特別是入選原煤中的粗煤泥含量逐漸增加，粗煤泥的灰分也隨之變高［2］。原有工藝對粗煤泥采用煤泥旋流器濃縮、高頻篩脫水脫泥回收的處理方式已無法滿足生產的要求，致使生產中精煤灰分波動大，且灰分過高，嚴重影響了精煤的質量。

為了解決上述問題，華恒選煤廠采用4臺φ 500 mm三錐角水介質旋流器對粗煤泥系統進行改造，以對粗煤泥進行有效分選。

1 三錐角水介質旋流器結構與工作原理

粗煤泥的高效率分選是選煤行業的技術難題。煤泥重介質旋流器、TBS干擾床分選機、螺旋分選機和水介質旋流器等是最常用的粗煤泥分選設備［3］，但這些設備均存在自己的優勢和不足。相對而言，水介質旋流器具有結構簡單、無運動部件、生產成本低的優勢，但分選精度和分選效率偏低［4－7］。為此，山東科技大學自主研發了三錐角水介質旋流器，該設備繼承了傳統水介質旋流器的優點，同時通過其獨特的三段錐角結構設計，提高了分選精度和分選效率。

如圖1［8］所示，三錐角水介質旋流器主要由溢流管、入料管、筒體、錐體和底流口組成。其中錐體分為三段，每段設定不同的錐角及錐面長度，由第一段到第三段錐角逐漸減小;溢流管直徑與旋流器筒體直徑之比偏大，溢流管下端與底流口的距離較小［9－10］。

圖1 三錐角水介質旋流器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of hydrocyclone with three taper angles

工作時，物料以一定壓力沿切線方向由入料管進入筒體，在筒體中形成了向下運動的外螺旋流和向上運動的內螺旋流;在離心力的作用下，入料中不同密度和粒度的顆粒形成干擾沉降層，高密度顆粒進入外螺旋流，低密度顆粒進入內螺旋流;在外螺旋流到達第一段錐體時，第一段錐體的錐角較大，干擾床層底部的高密度粗顆粒向下的軸向速度急劇減小，導致干擾床層底部的高密度粗顆粒在第一段圓錐部分聚集而產生較致密的底層，外螺旋流中的低密度顆粒進入內螺旋流由溢流管排出，部分低密度細顆粒填充在干擾床層孔隙間，隨較致密的底層進入到第二段錐體;第二段錐體的錐角和半徑減小，使外螺旋流切向速度增大，底層物料受到強烈切向速度的沖擊松散開來，從而發生析離，底層中低密度顆粒會透過松散的床層進入到內螺旋流從溢流管排出;進入第三段錐體后，干擾床層被破壞，混雜在高密度粗顆粒間隙的低密度細顆粒在內螺旋上升流的作用下通過溢流管排出［11－14］。

2 粗煤泥分選系統改造

根據三錐角水介質旋流器的特點，結合技術指標和實驗室數據，基于華恒選煤廠設備和管道布置情況，本著節約投資的原則，充分利用了原系統的煤泥桶、泵管道和篩分設備對華恒選煤廠原粗煤泥回收系統進行了改造，將系統原有的粗煤泥濃縮旋流器組更換成4臺φ 500 mm的三錐角水介質旋流器 (2臺生產，2臺備用)，使粗煤泥進入兩臺三錐角水介質旋流器分選。經三錐角水介質旋流器分選后的溢流由弧形篩和高頻篩脫水脫泥后，篩上產品混入精煤，篩下煤泥水進入浮選系統;底流則返回主選跳汰機再次分選。

粗煤泥分選系統改造后，華恒選煤廠的生產工藝得到了很好地完善，形成了原煤跳汰機分選，粗煤泥三錐角水介質旋流器分選，細粒煤泥浮選的聯合工藝流程 (圖2)。改造后，粗煤泥在跳汰分選之后，又進入三錐角水介質旋流器分選，經過兩次分選，粗精煤灰分完全可滿足生產要求。

圖2 改造后的選煤工藝流程Fig.2 The modified coal preparation process

3 改造效果

3.1 生產技術指標

在正常生產的情況下，采取了華恒選煤廠三錐角水介質旋流器入料、溢流和底流各產品煤樣。結合三錐角水介質旋流器分選下限和現場生產的實際情況，本次現場試驗主要針對＞0.18 mm的粗煤泥進行灰分和產率等方面的分析。

從表1可以看出:

(1)入料粒度組成以0.28～0.9 mm粒級為主，占＞0.18 mm粒級煤樣的63.79%;入料各粒級灰分隨著粒度減小而增大，入料＞0.18 mm粒級累計灰分為10.59%。

(2)通過三錐角水介質旋流器分選后，溢流中＞0.18 mm粒級灰分可降至6.17%，即使在細粒煤泥含量大，高頻篩脫泥效率降低時，也完全可以滿足精煤灰分要求;溢流中＞0.9 mm粒級的煤僅為6.05%，遠低于底流中＞0.9 mm粒級的含量，說明三錐角水介質旋流器還具有一定的分級作用，使底流顆粒較粗。

(3)從溢流和底流各粒級的灰分來看，溢流各粒級灰分均低于底流各粒級灰分，分選效果明顯。但是三錐角水介質旋流器底流＞0.18 mm粒級的累計灰分仍然較低，僅為24.33%，說明底流損失了一部分精煤。考慮到顆粒較粗，產量較少，改造中將底流返回跳汰機再次入選，從而保證了精煤產率。

表1 三錐角水介質旋流器入料、溢流和底流篩分試驗結果Table 1 Sieve analysis of feed，overflow and underflow from hydrocyclone with three taper angles %

為了評定三錐角水介質旋流器的分選精度，對溢流和底流產品進行了小浮沉試驗，并根據試驗結果制出了分配曲線，如圖3所示。從圖3中可以查得實際分選密度為1.44 g/cm3，計算得到三錐角水介旋流器分選粗煤泥的可能偏差 (Ep)為0.095，分選不完善度(Ⅰ)為0.216?？梢?，該三錐角水介質旋流器具有較高的分選精度。

圖3＞0.18 mm粒級重產物分配率曲線Fig.3 Distribution curve of+0.18 mm heavy material

3.2 應用效果

粗煤泥分選系統改造之后，華恒選煤廠粗精煤灰分能夠穩定在8%以下，且精煤產率有所提升。為了了解華恒選煤廠粗精煤系統改造效果，對比了華恒選煤廠改造前后20 d內的生產指標。表2為20 d內的平均生產指標，圖4為20 d內的粗精煤灰分變化趨勢圖，圖5為20 d內的最終精煤產率變化趨勢圖。

表2 改造前后20 d內生產指標平均值對比Table 2 The comparative analysis of production indexes in 20 days before and after modification %

從表2可以看出，華恒選煤廠改造前后最終精煤灰分均在6.4%左右，灰分較低，相差不大;改造前粗精煤平均灰分為10.31%，比要求灰分8%高了2.31個百分點，必須通過降低跳汰精煤的灰分，減少入選量，來保證最終精煤灰分，這樣就使精煤產率減少;改造后粗精煤平均灰分7.30%，完全滿足最終精煤灰分要求。

圖4 改造前后20 d內粗精煤灰分變化趨勢圖Fig.4 The ash variation diagram of coarse coal slime in 20 days before and after modification

圖5 改造前后20 d內最終精煤產率變化趨勢圖Fig.5 The yield variation diagram of clean coal in 20 days before and after modification

從圖4中可以看出，改造前粗精煤灰分出現了17%以上的高灰情況，灰分大都在8%以上;改造后，粗精煤灰分穩定，且大部分在8%以下。并且表2顯示，改造后粗精煤灰分合格率近90%，改造前粗精煤灰分合格率僅不到10%。

從表2和圖5中可以看出，改造后最終精煤產率明顯高于改造前，最終精煤平均產率提高了4.85個百分點。原因在于，粗精煤得到有效分選后，粗精煤灰分得到保證，跳汰精煤灰分可以適當提高，從而使最終精煤產率大大提高，使企業經濟效益顯著提高。

4 結語

華恒選煤廠應用三錐角水介質旋流器對粗煤泥分選系統進行改造，不僅完善了該廠的選煤工藝，并且有效解決了該廠粗精煤灰分偏高和波動大的問題，提高了精煤產率，可為企業帶來良好的經濟效益。三錐角水介質旋流器結構簡單，配套工藝簡捷，改造費用低廉，使用效果良好，為新建選煤廠粗煤泥分選系統建設與老廠粗煤泥系統改造提供了一條切實可行的技術途徑，在粗煤泥分選領域具有良好的應用前景。

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