重介質旋流器選煤技術研究進展

叢日紅

(神華神東煤炭集團 洗選中心，陜西 榆林719315)

煤炭是我國的重要能源和資源，在各領域得到了廣泛應用，支撐著我國經濟的長期中高速發展和社會進步[1]。由于之前煤炭行業的粗放式發展，帶來了嚴重的環境污染，因此煤炭利用在一定程度上被限制。隨著國家環保政策的嚴格實施，煤炭的潔凈利用和高品質產品的開發顯得尤為迫切。在煤炭加工利用方法中，選煤是最經濟、最有效的方法，也是煤炭后續清潔利用的基礎。由于采煤機械化的不斷提高、煤田地質的不斷惡化及用戶對產品質量要求的不斷提高，選煤技術也在不斷革新。

近年來，重介質選煤技術發展尤為迅速。重介質選煤技術是以阿基米德原理為指導，利用煤與矸石的密度差異進行分選的技術，具有分選效率高、分選精度高等特點。在各類選煤廠中，重介質選煤技術所占比例在50%以上。隨著選煤生產現場的需要和重介質選煤技術的發展，重介質分選設備不斷涌現，如早期的斜輪重介質分選機、立輪重介質分選機，現階段的重介質旋流器、淺槽重介分選機、干法重介質流化床等。其中，重介質旋流器以分選速度快、分選效率高的特點，在選煤廠得到了廣泛應用[2-4]。文章總結了重介質旋流器技術的研究進展，并分析了其存在問題和發展前景，以期指導下一步的研究和實踐。

1 重介質旋流器

1.1 結構組成

荷蘭國家礦山局于1939年設計出第一臺圓柱-圓錐形重介質旋流器，此后各國開始持續研發，不斷對其進行改進與創新[5-6]。我國對重介質旋流器的研究較晚，起步于1970年左右，但這方面的研發速度較快，在之后的較短時間內研制出三產品重介質旋流器、微細介質和非磁性介質的重介質旋流器。

重介質旋流器主要由基架、入料管、溢流管、底流口、溢流室等組成。在重介質旋流器工作時，在強大的旋流力場作用下，沿切線方向高速進入旋流器的原料和重介懸浮液分成向下的外螺旋流和向上的內螺旋流，它們分別在旋流器的內壁和軸心處產生。溢流室和底流口均是物料排出通道，但所排物料的密度存在差異。低密度物料所受離心力小，在軸心處聚集后以螺旋流方式上升，通過溢流室排出；高密度物料在強大的離心力作用下，沿內壁以螺旋流方式向下運動，通過底流口排出[7]。重介質旋流器結構示意圖如圖1所示。

圖1 重介質旋流器結構示意圖

馬亭亭[8-11]等通過在重介質旋流器上安裝磁場線圈，強化了設備分選效果。張睿[12-13]等開發了濃密旋流器，并研究了硅鐵重介懸浮液的特性及重介懸浮液在濃密旋流器中的作用規律。中煤科工集團唐山研究院有限公司開發了高分選密度重介質旋流器，采用低密度懸浮液實現了高密度物料的分選，設備能耗、損耗均降低，使用壽命得到延長[14]。這些新研究為重介質旋流器技術的發展提供了新思路。

1.2 基本分類

根據產品數目、給料方式、安裝方式、機體結構和形狀，重介質旋流器可以分成不同的類型，具體見表1。

表1 重介質旋流器分類[3]

2 重介質旋流器相關理論

2.1 工作原理

重介質旋流器主要根據煤與矸石的密度差異及其所受離心力的不同，實現煤與矸石的分離。就不同密度的礦石顆粒而言，密度小于重介懸浮液密度的礦石顆粒在離心力作用下向旋流器中心移動，并在內旋流中不斷向上旋轉，最后通過溢流口排出；密度大于懸浮液密度的礦石顆粒向外運動，在外旋流作用下從底流口排出。重介質旋流器工作原理如圖2所示。

在重介質旋流器內，礦石顆粒受到的離心力和沉降速度計算式分別為：

(1)

(2)

式中：F為礦石顆粒所受的離心力；Vc為礦石顆粒的沉降速度；K1、K2為系數；H為重介質旋流器的入料壓頭；d為礦石顆粒的直徑；D為重介質旋流器的直徑；μ為粘滯系數；δ為礦石顆粒的密度；Δ為重介懸浮液密度；g為重力加速度。

由式(1)、式(2)可知：礦石顆粒在重介質旋流器內所受的離心力、沉降速度與筒體直徑成反比，與入料壓頭成正比，同時還與礦石顆粒的直徑、密度、粘滯系數及重介懸浮液密度有關。

圖2 重介質旋流器工作原理示意圖

2.2 重介懸浮液的穩定性

重介質旋流器內重介懸浮液的穩定性是保證物料分選效果的前提。韋魯濱等[15]系統研究了密度在1.45～1.80 g/cm3之間、煤泥含量在0～30%之間的重介懸浮液流變特性，考察了固體體積分數和煤泥含量對重介懸浮液流變特性的影響。研究結果表明：常規重介懸浮液為假塑性流體，當固體體積含量一定時，隨著煤泥含量的增加，重介懸浮液的稠度系數近似線性減小，冪律指數增大；當煤泥含量一定時，隨著重介懸浮液體積分數的增加，稠度系數近似線性增大，冪律指數減小。李大虎等[16]研究了固體體積濃度和煤泥含量對重介懸浮液流變特性的影響，并建立了重介懸浮液黏度預測模型。研究結果表明：當煤泥含量不變時，重介懸浮液黏度隨固體體積濃度的增加而增大；當固體體積濃度不變時，重介懸浮液黏度隨煤泥含量增加而減小。

3 重介質旋流器分選過程的流場測試與模擬手段

3.1 流場測試手段

由于重介質旋流器內的流場不透明，并且顆粒運動速度較快，采用常規方法無法描述設備內流體的運動行為。隨著PIV(Particle Image Velocimetry)、密度示蹤劑、超聲相控陣等的興起，給重介質旋流器內的流體運動行為研究提供了機會。

PIV屬于光學測量設備，可用于測量透明、稀流體內顆粒的運動行為，也可與Fluent軟件聯合使用，用于選擇模型和驗證模擬結果。與PIV相比，密度示蹤劑使用條件相對寬松，可用于不透明、稠流體的測量，也可在實際生產過程中使用。IZERDEM D等[17]采用密度示蹤劑對土耳其一座重介質選煤廠的重介質全分選流程進行了研究，并對介質桶和重介質旋流器內顆粒的運動行為進行了重點研究；他們自主開發出選煤廠模擬器，用于計算選煤廠的質量平衡。

3.2 流場模擬

重介質旋流器內的物料分選涉及空氣、水、煤、磁鐵礦顆粒等多相介質，而各種介質的尺寸、密度等屬性變化較大。同時，設備內存在旋渦湍流、空氣柱、介質與煤顆粒的分離等行為，流動非常復雜，要想準確描述這一過程非常困難，一般需要對模型進行簡化處理[18]。CFD(Computational Fluid Dynamics)是常用的流體模擬軟件，在研究中得到了廣泛應用。近年來，CFD與其他軟件的聯合使用正在興起，如 CFD-DEM(Discrete Element Method)、CFD-LPT(Lagrangian Particle Tracking)等方法逐漸得到應用。

王祥震[19]針對三產品重介質旋流器存在中煤帶精煤的問題，設計出三段重介質旋流器，并采用CFD軟件進行了數值模擬，確定了第二段溢流管末端尺寸。鄧建軍等[20]對無壓三產品重介質旋流器流場分析得出：旋流器一段流場不受二段底流口直徑影響，但二段底流口直徑對旋流器二段流場、空氣柱直徑和壓力梯度有較小影響。位革老等[21]對一種新型復合型煤泥旋流器內的流場進行了模擬，發現在較大的軸向和切向、徑向速度影響下，煤泥能夠在徑向有效分層并在軸向分離，從而完成細煤泥分級和粗煤泥分選。劉峰等[22]對1000/700無壓給料三產品重介質旋流器流場進行了數值模擬，發現旋流器中心處存在一個負壓區；在同一水平截面上，切向速度隨著半徑的減小先增大后減小，最大值出現在接近空氣柱和溢流管壁處。

4 存在問題與展望

重介質旋流器具有分選粒級寬、分選精度高、分選效率高等特點，適用于難選煤、極難選煤的分選，是目前選煤廠應用較多的選煤設備[23]。隨著煤炭資源的不斷開采，原煤煤質逐漸變差，分選設備及其配套設備的適應性有待提高，因此必須對現有重介質旋流器技術進行升級，以適應新的發展需要。綜合考慮，重介質旋流器技術需要在以下六方面實現突破：

(1)深入研究重介質旋流器選煤的基礎理論。基礎理論研究是設備研制和工藝發展的基礎，因此應著重研究重介質旋流器分選粗細粒煤炭的基礎理論，這是重介質旋流器選煤基礎理論突破的關鍵。

(2)拓展重介質旋流器的分選下限。目前，重介質旋流器的分選下限已經較低，如果能進一步降低分選下限，則能對浮選劑用量大、生產成本高、脫水難度大的煤泥處理作業起到改善作用。

(3)探索研制大排矸型三產品重介質旋流器。重介質旋流器的研究應著眼于制造能夠實現大排矸的三產品重介質旋流器，以滿足矸石含量較高原煤的分選要求。

(4)研發新型高效復合型重介質旋流器。重介質旋流器是分選過程中的核心設備，直接決定原煤分選結果，并決定選煤廠的經濟效益。將電場力、磁場力及其他復合力場組合到重介質旋流器中，對提高設備分選效率具有重要意義。

(5)開發新型高效介質凈化和回收設備。應開發高密度大顆粒的高效磁選設備、透篩率更高的大振幅脫介篩，以實現介質的高效回收和循環利用，降低系統介耗和生產成本。

(6)重視新材料的研究與開發。磁鐵礦的密度在4.50 g/cm3左右，其硬度也很大，導致設備內襯磨損嚴重，需要不斷及時更換。因此，研發出新型耐磨材料對降低生產成本，提高設備使用壽命有著重要意義。