深錐形槽體對細粒煤干擾沉降分級實驗研究

史長亮，王勝楠，馬　嬌 ，王飛躍，趙繼芬

(1.河南理工大學化學化工學院，河南 焦作 454000；2.河南省礦產(chǎn)資源綠色高效開采與綜合利用重點實驗室，河南 焦作 454000；3.昆山浩興電子科技有限公司，江蘇 昆山 215300)

0　引　言

隨著我國采煤機械化程度的不斷提高、地質(zhì)條件的不斷惡化、高灰難選細粒煤的比例不斷增加[1-2]，在選煤工業(yè)中，一般把粒度介于0.3～3 mm難以通過浮選方法進行分選的細粒煤稱為粗煤泥[3-4]。粗煤泥能否高效分選仍是影響現(xiàn)場實際生產(chǎn)中的難點。分級作為分選的基礎，目前廣泛使用的水力分級旋流器[5-6]，并不是嚴格按照粒度進行分級，存在“底流夾細、溢流跑粗”的現(xiàn)象，分級效率偏低，影響分選[7-10]。因此，能否實現(xiàn)有效的細粒煤精確分級，是粗煤泥分選和利用成敗的技術關鍵。

王祥等[11]研發(fā)雙側溢流排料螺旋分級機。曾尚林等[12]提出的HL型水力分級機。位革老等[13]結合分級用旋流器和分選用旋流器的特點，提出了一種復合型煤泥旋流器。田忠坤[14]結合水力分級旋流器和粗煤泥干擾床分選機的特點，提出了一種MJXJ型粗煤泥分級分選機。Lewis[15]研究發(fā)明了水力分級機和丹麥FLSMIDTH(史密斯)公司[16]研發(fā)了The Krebs Gmax Cyclone。于進喜等[17]對比分析了粗煤泥分選設備的特點、分選效果和適用范圍，得出結論：基于徑向速度差為原理的螺旋流進行分級，需要較高入料壓力，增加了細粒煤過粉碎的概率，且并不嚴格按照粒度進行分級[18-20]；基于干擾分選原理的設備處理能力大，受煤質(zhì)影響小，分選效率高，有效分選密度范圍寬，具有較好的發(fā)展前景。因此，筆者以干擾沉降分級為原理進行粗煤泥分級樣機設計，提出無動力源的“圓柱+深錐形”兩段腔體結構設計，通過PLC編程自動控制入料流量、水流量、底流排放量，實現(xiàn)全自動化運行，以期降低產(chǎn)物的錯配量、解決實際生產(chǎn)過程粗煤泥分選難題。

本文重點通過煤泥分級實驗的開展，探討深錐形干擾沉降分級機分級參數(shù)(頂水給入形式、頂水給入量、給料濃度、給料速度) 對細粒煤分級效率的影響，確定該設備的最佳分級參數(shù)，為新型分級機的工業(yè)化應用奠定基礎。

1　實驗條件

1.1　試樣

實驗用煤取自河南煤化焦煤集團演馬礦選煤廠的落地末煤，<1.0 mm原煤質(zhì)量特征及粒度組成見表1和表2。由表1和表2數(shù)據(jù)可以判斷：試樣屬低硫、低中灰、高強度、難磨碎；不同粒級灰分差別較小、可作為級配摻和使用；<0.074 mm細顆粒含量為24.33%，全粒級實驗將增加分級過程的泥化程度，對分級效果影響較大。

表1　實驗用煤質(zhì)量特征分析表

表2　實驗用煤篩分實驗表

1.2　實驗裝備

深錐形干擾沉降分級系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1(b)深錐型干擾沉降分級機的主機體外形近似于漏斗狀，上部為深錐體(上圓直徑400.00 mm,下圓直徑100.00 mm，圓錐體高度259.80 mm),下部為圓柱體(直徑100.00 mm)，入料從機體的中部入料井給入，粗顆粒從底部排料口排出，細顆粒從上部溢流槽以溢流排出。

圖1　水力分級系統(tǒng)及深錐形分級機

1.3　實驗方法

市場分級設備對粗煤泥分級粒度區(qū)間較為寬泛，為更加精確評判此設備對物料適應范圍，考慮物料中粗細顆粒共存實際因素，以及煤泥中細粒煤泥化現(xiàn)象造成的極大干擾，本次實驗是基于表2數(shù)據(jù)設定寬粒級、窄粒級混合入料的分級實驗。寬粒級包括：A1級配，0.125～0.074 mm和1.0～0.5 mm；B1級配，0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm；C1級配，0.125～0.074 mm和0.5～0.25 mm。窄粒級混合入料包括：A2級配，0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm；B2級配，0.25～0.125 mm和0.5～0.25 mm；C2級配，0.5～0.25 mm和1.0～0.5 mm。

1.4　評價指標

實驗結果采用分級效率進行評價，計算公式見式(1)～(3)。

η=Ec+Ef-100%

(1)

(2)

(3)

式中：η為分級效率，%；Ec為粗粒物正配效率，%；Ef為細粒物正配效率，%；ru為底流產(chǎn)物產(chǎn)率，%；uc為底流產(chǎn)物粗粒物含量(占本級)，%；Fc，r為計算入料中粗粒物含量，%；Ff，r為入料中細粒物含量，%；uf為底流產(chǎn)物中細粒物含量(占本級)，%。

2　結果與討論

2.1　頂水給入形式的影響

實驗考察在頂水給入量為0.01 m3/s，給料速度為0.50 m/s，礦漿濃度為40%時，3種頂水形式對不同級配試樣分級效率η的影響，結果見圖2。

圖2　不同頂水給入形式對分級效率影響

圖2表明，底部頂水+中部頂水的給水方式下細粒煤的分級效率在整體上均優(yōu)于單獨的底部給水或中部給水；因為控制從不同位置分別給水，可使得細粒間的團聚和粗細顆粒之間的夾雜明顯減少，從而提高分級效率。同時，寬粒級混合入料(A1級配，B1級配，C1級配)的分級效率整體上要優(yōu)于窄粒級混合入料(A2級配，B2級配，C2級配)的分級效率，平均分級效率提高約23%。分級效率的峰值出現(xiàn)在B1級配給料方式、谷值出現(xiàn)在A2級配給料方式，即0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm兩個粒級的級配利于分級過程的進行，0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm兩個粒級的級配不利于分級過程進行。分析原因如下：粒級級配中細顆粒的出現(xiàn)會在分級過程出現(xiàn)細泥效應，使得溢流和底流中出現(xiàn)了較多的錯配，從而降低分級效率。

2.2　底部和中部給水量不同比值的影響

流量配比即為底部與中部給水量比值。控制頂水給入為底部和中部同時給水，頂水(底部+中部)流量總的大小限定為0.01 m3/s，底部和中部給水流量的比值分別為1∶1、2∶1、1∶2，在給料速度為0.50 m/s，礦漿濃度為40%，不同比值的底部和中部給水的流量大小對分級效率η的影響見圖3。

圖3　底部和中部流量配比對分級效率影響

圖3反映出在控制總的頂水流量前提下，底部和中部水流量不同配比對分級效率影響不大；寬粒級混合入料分級效率整體上同樣優(yōu)于窄粒級混合入料的分級效率；且寬粒級混合入料之間的分級效率差別較大，其中以 A1級配( 0.125～0.074 mm和1.0～0.5 mm兩個粒級混合)時因細泥效應的出現(xiàn)，分級效率較低，而B1級配和C1級配的入料方式進行時，分級效率較高，分別為60.26%和44.19%。

2.3　給料速度的影響

控制總的頂水給入量為0.01 m3/s(底部與中部為2∶1的流量配比)，在礦漿濃度為40%，給料速度分別為0.20 m/s、0.50 m/s、0.80 m/s和1.10 m/s時，分級效率η變化見圖4。

圖4表明，不同給料速度影響下，分級效率差別較大，最大值為65.02%，最小值為20.18%，給料速度取最小為0.20 m/s的分級效率最高，給料速度取最大1.10 m/s的分級效率最低。因為給料較慢可以保證煤泥顆粒在分級機內(nèi)進行充分沉降，而給料速度較快，受到的上升水流的沖擊力較大，一些顆粒還沒有進行充分沉降就被溢流或底流帶出，導致分級效率低下。在1.10 m/s速度下，不同混料方式的平均分級效率僅為27.12%。但實際生產(chǎn)過程中如果給料速度過低，則分級設備單位時間處理量降低，并不利于生產(chǎn)進行，以降低給料速度來提高分級效率的做法是不可取的。因此，權衡入料速度為0.50 m/s較合適。

2.4　給料礦漿濃度的影響

控制總的頂水給入量0.01 m3/s(底部與中部為2∶1的流量配比下)，在給料速度0.50 m/s，不同礦漿濃度為20%、40%和60%時對細粒煤分級效率η的影響結果見圖5。

圖4　不同給料速度對分級效率影響

圖5　不同礦漿濃度對分級效率影響

圖5表明，在給料速度一定時，較低的給料礦漿濃度因減少細顆粒之間的團聚和粗細粒之間的夾雜概率，利于充分分級。對不同混料方式的影響，礦漿濃度為20%和40%時，寬粒級混料的分級效率整體上優(yōu)于窄粒級混料，而當給料礦漿濃度為60%時，寬粒級混料的分級效率和窄粒級混料的分級效率差別不大，但分級效率較低，分級效率均值僅為25.82%。分析原因如下：在一定的顆粒組成下，顆粒的干擾沉降速度隨著入料濃度的增加而減小(入料濃度大，流體的粘滯性增強，介質(zhì)阻力增大，顆粒的干擾沉降速度下降)，導致了較多的顆粒的進入到溢流中，粗顆粒的錯配量增加，此時分級效率低下。因此，權衡適宜的給料礦漿濃度為40%，但受其他影響因素較明顯。

3　結　論

基于新型深錐形干擾沉降分級機，通過對頂水給入形式、底部中部頂水給入配比、給料速度以及給料濃度4個單因素對不同混合粒級細粒煤分級實驗研究，得出如下主要結論。

1) 不同影響因素下，寬粒級入料的分級效率整體上優(yōu)于窄粒級入料的分級效率。寬粒級對比中B1級配(即0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm兩個粒級)分級效率最高，分級效率接近65%，較A1級配、C1級配對應分級效率差別不大；窄粒級對比中A2級配(即0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm兩個粒級)分級效率最高，分級效率接近30%，較B2級配、C2級配對應分級效率差別較顯著。

2) 新型深錐形干擾沉降分級機采用底部中部頂水方式，在較低的給料速度及給料濃度條件下更有利于細粒煤的分級，但過低的給料速度和給料濃度會極大降低實際生產(chǎn)過程的處理量，因此,選取給料速度0.50 m/s、給料濃度40%較為合適。

3) 本文基于深錐形干擾沉降分級機的細粒煤分級系統(tǒng)的實驗研究有助于提高選煤廠粗煤泥分選精度，減少“底流夾細、溢流跑粗”現(xiàn)象發(fā)生概率。

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