重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)研究進(jìn)展

叢日紅

(神華神東煤炭集團(tuán) 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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，支撐著我國經(jīng)濟(jì)的長期中高速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步[1]。由于之前煤炭行業(yè)的粗放式發(fā)展，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此煤炭利用在一定程度上被限制。隨著國家環(huán)保政策的嚴(yán)格實(shí)施，煤炭的潔凈利用和高品質(zhì)產(chǎn)品的開發(fā)顯得尤為迫切。在煤炭加工利用方法中，選煤是最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法，也是煤炭后續(xù)清潔利用的基礎(chǔ)。由于采煤機(jī)械化的不斷提高、煤田地質(zhì)的不斷惡化及用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，選煤技術(shù)也在不斷革新。

近年來，重介質(zhì)選煤技術(shù)發(fā)展尤為迅速。重介質(zhì)選煤技術(shù)是以阿基米德原理為指導(dǎo)，利用煤與矸石的密度差異進(jìn)行分選的技術(shù)，具有分選效率高、分選精度高等特點(diǎn)。在各類選煤廠中，重介質(zhì)選煤技術(shù)所占比例在50%以上。隨著選煤生產(chǎn)現(xiàn)場的需要和重介質(zhì)選煤技術(shù)的發(fā)展，重介質(zhì)分選設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如早期的斜輪重介質(zhì)分選機(jī)、立輪重介質(zhì)分選機(jī)，現(xiàn)階段的重介質(zhì)旋流器、淺槽重介分選機(jī)、干法重介質(zhì)流化床等。其中，重介質(zhì)旋流器以分選速度快、分選效率高的特點(diǎn)，在選煤廠得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。文章總結(jié)了重介質(zhì)旋流器技術(shù)的研究進(jìn)展，并分析了其存在問題和發(fā)展前景，以期指導(dǎo)下一步的研究和實(shí)踐。

1 重介質(zhì)旋流器

1.1 結(jié)構(gòu)組成

荷蘭國家礦山局于1939年設(shè)計(jì)出第一臺(tái)圓柱-圓錐形重介質(zhì)旋流器，此后各國開始持續(xù)研發(fā)，不斷對其進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新[5-6]。我國對重介質(zhì)旋流器的研究較晚，起步于1970年左右，但這方面的研發(fā)速度較快，在之后的較短時(shí)間內(nèi)研制出三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器、微細(xì)介質(zhì)和非磁性介質(zhì)的重介質(zhì)旋流器。

重介質(zhì)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(zhì)旋流器工作時(shí)，在強(qiáng)大的旋流力場作用下，沿切線方向高速進(jìn)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(nèi)螺旋流，它們分別在旋流器的內(nèi)壁和軸心處產(chǎn)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(qiáng)大的離心力作用下，沿內(nèi)壁以螺旋流方式向下運(yùn)動(dòng)，通過底流口排出[7]。重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

馬亭亭[8-11]等通過在重介質(zhì)旋流器上安裝磁場線圈，強(qiáng)化了設(shè)備分選效果。張睿[12-13]等開發(fā)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(guī)律。中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司開發(fā)了高分選密度重介質(zhì)旋流器，采用低密度懸浮液實(shí)現(xiàn)了高密度物料的分選，設(shè)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(zhì)旋流器技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

1.2 基本分類

根據(jù)產(chǎn)品數(shù)目、給料方式、安裝方式、機(jī)體結(jié)構(gòu)和形狀，重介質(zhì)旋流器可以分成不同的類型，具體見表1。

表1 重介質(zhì)旋流器分類[3]

2 重介質(zhì)旋流器相關(guān)理論

2.1 工作原理

重介質(zhì)旋流器主要根據(jù)煤與矸石的密度差異及其所受離心力的不同，實(shí)現(xiàn)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(dòng)，并在內(nèi)旋流中不斷向上旋轉(zhuǎn)，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(yùn)動(dòng)，在外旋流作用下從底流口排出。重介質(zhì)旋流器工作原理如圖2所示。

在重介質(zhì)旋流器內(nèi)，礦石顆粒受到的離心力和沉降速度計(jì)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(shù)；H為重介質(zhì)旋流器的入料壓頭；d為礦石顆粒的直徑；D為重介質(zhì)旋流器的直徑；μ為粘滯系數(shù)；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(zhì)旋流器內(nèi)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(shí)還與礦石顆粒的直徑、密度、粘滯系數(shù)及重介懸浮液密度有關(guān)。

圖2 重介質(zhì)旋流器工作原理示意圖

2.2 重介懸浮液的穩(wěn)定性

重介質(zhì)旋流器內(nèi)重介懸浮液的穩(wěn)定性是保證物料分選效果的前提。韋魯濱等[15]系統(tǒng)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?jǐn)?shù)和煤泥含量對重介懸浮液流變特性的影響。研究結(jié)果表明：常規(guī)重介懸浮液為假塑性流體，當(dāng)固體體積含量一定時(shí)，隨著煤泥含量的增加，重介懸浮液的稠度系數(shù)近似線性減小，冪律指數(shù)增大；當(dāng)煤泥含量一定時(shí)，隨著重介懸浮液體積分?jǐn)?shù)的增加，稠度系數(shù)近似線性增大，冪律指數(shù)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(yù)測模型。研究結(jié)果表明：當(dāng)煤泥含量不變時(shí)，重介懸浮液黏度隨固體體積濃度的增加而增大；當(dāng)固體體積濃度不變時(shí)，重介懸浮液黏度隨煤泥含量增加而減小。

3 重介質(zhì)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(zhì)旋流器內(nèi)的流場不透明，并且顆粒運(yùn)動(dòng)速度較快，采用常規(guī)方法無法描述設(shè)備內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)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(zhì)旋流器內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)行為研究提供了機(jī)會(huì)。

PIV屬于光學(xué)測量設(shè)備，可用于測量透明、稀流體內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為，也可與Fluent軟件聯(lián)合使用，用于選擇模型和驗(yàn)證模擬結(jié)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(shí)際生產(chǎn)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(zhì)選煤廠的重介質(zhì)全分選流程進(jìn)行了研究，并對介質(zhì)桶和重介質(zhì)旋流器內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了重點(diǎn)研究；他們自主開發(fā)出選煤廠模擬器，用于計(jì)算選煤廠的質(zhì)量平衡。

3.2 流場模擬

重介質(zhì)旋流器內(nèi)的物料分選涉及空氣、水、煤、磁鐵礦顆粒等多相介質(zhì)，而各種介質(zhì)的尺寸、密度等屬性變化較大。同時(shí)，設(shè)備內(nèi)存在旋渦湍流、空氣柱、介質(zhì)與煤顆粒的分離等行為，流動(dòng)非常復(fù)雜，要想準(zhǔn)確描述這一過程非常困難，一般需要對模型進(jìn)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(yīng)用。近年來，CFD與其他軟件的聯(lián)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(yīng)用。

王祥震[19]針對三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器存在中煤帶精煤的問題，設(shè)計(jì)出三段重介質(zhì)旋流器，并采用CFD軟件進(jìn)行了數(shù)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(chǎn)品重介質(zhì)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(fù)合型煤泥旋流器內(nèi)的流場進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)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(xì)煤泥分級和粗煤泥分選。劉峰等[22]對1000/700無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)旋流器中心處存在一個(gè)負(fù)壓區(qū)；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(xiàn)在接近空氣柱和溢流管壁處。

4 存在問題與展望

重介質(zhì)旋流器具有分選粒級寬、分選精度高、分選效率高等特點(diǎn)，適用于難選煤、極難選煤的分選，是目前選煤廠應(yīng)用較多的選煤設(shè)備[23]。隨著煤炭資源的不斷開采，原煤煤質(zhì)逐漸變差，分選設(shè)備及其配套設(shè)備的適應(yīng)性有待提高，因此必須對現(xiàn)有重介質(zhì)旋流器技術(shù)進(jìn)行升級，以適應(yīng)新的發(fā)展需要。綜合考慮，重介質(zhì)旋流器技術(shù)需要在以下六方面實(shí)現(xiàn)突破：

(1)深入研究重介質(zhì)旋流器選煤的基礎(chǔ)理論。基礎(chǔ)理論研究是設(shè)備研制和工藝發(fā)展的基礎(chǔ)，因此應(yīng)著重研究重介質(zhì)旋流器分選粗細(xì)粒煤炭的基礎(chǔ)理論，這是重介質(zhì)旋流器選煤基礎(chǔ)理論突破的關(guān)鍵。

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

(3)探索研制大排矸型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。重介質(zhì)旋流器的研究應(yīng)著眼于制造能夠?qū)崿F(xiàn)大排矸的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，以滿足矸石含量較高原煤的分選要求。

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

(5)開發(fā)新型高效介質(zhì)凈化和回收設(shè)備。應(yīng)開發(fā)高密度大顆粒的高效磁選設(shè)備、透篩率更高的大振幅脫介篩，以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的高效回收和循環(huán)利用，降低系統(tǒng)介耗和生產(chǎn)成本。

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