中煤有壓再選三段重介質旋流器可行性試驗探究

曹 輝，申克忠，趙 龍，王祥震

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

重介質旋流器選煤具有分選精度高、分選原理簡單、易實現自動化、產出與投入比高、分選效率高、結構簡單、耐磨技術成熟等優點[1-3]，特別是三產品重介質旋流器可以利用單一密度系統實現三種產品的分選。與其他分選設備相比，三產品重介質旋流器作為分選難選煤和極難選煤的最佳選擇[4-5]， 得到了業內的廣泛認同，特別是煉焦煤選煤廠。近幾年隨著煤炭開采深度的加大以及機械化采煤技術的發展，煤炭洗選加工也面臨一些技術挑戰，隨著分選過程中錯配物含量的增加以及用戶對精煤產品質量要求的提高，三產品重介質旋流器在實際應用過程中不可避免地存在中煤夾帶精煤的問題，不僅降低了精煤產率，同時造成了資源的浪費。精煤數質量是選煤廠質量管理的核心，因此降低三產品重介質旋流器中煤里的精煤損失,實現精煤產率最大化是提高選煤廠經濟效益的主要途徑[6]。

1 中煤有壓再選三段重介質旋流器技術

目前中煤再選常用的方案主要有兩種：一是中煤破碎后，再利用重選回收；二是中煤細磨后，采用浮選回收[7-8]。以上兩種方法雖然都可以實現精煤回收，但是都需要新增中煤再選工藝，這樣不僅增加了選煤廠的工藝環節，同時也增加了投資成本。中煤有壓再選三段重介質旋流器的提出主要是解決選煤廠在不增加工藝環節的基礎上，利用中煤有壓再選三段重介質旋流器的第三段將中煤夾帶的精煤進行再回收，改善現存的三產品重介質旋流器中煤夾帶精煤的問題，從而提高精煤產率，增加選煤廠的經濟效益。

中煤有壓再選三段重介質旋流器的研究目前還是一個新的課題，此技術方法工藝簡單，投資成本低，具有非常大的研究價值。

2 中煤有壓再選三段重介質旋流器

2.1 三段重介質旋流器結構

1992年煤炭科學研究總院唐山研究院水介質旋流器課題組成功研究出了組合式旋流器與浮選聯合洗選工藝，在實驗室試驗以及觀音堂礦選煤廠工業試驗都取得了非常不錯的效果。組合式旋流器的結構如圖1所示[9]，入料原煤用渣漿泵以一定壓力沿切線打入組合式旋流器第一段，旋流器溢流口端設置一個溢流室，溢流物料進入溢流室后沿其切線開口進入第二段旋流器進行后續分選。

中煤有壓再選三段重介質旋流器就是在此基礎上進行開發和改進的，其中第二段旋流器的溢流出料進入第三段中煤再選旋流器是一個關鍵環節。

圖1 組合式旋流器結構示意圖

2.2 工作原理及技術特點

組合式旋流器的成功應用為第三段中煤再選旋流器與前兩段旋流器的組合方式提供了技術基礎。結合三產品旋流器的設計經驗以及組合式旋流器的成熟技術，設計的試驗模型如圖2所示，第二段旋流器的溢流口設置了溢流室，溢流室切線開口使溢流產物沿切線進入第三段中煤再選旋流器。

重懸浮液和物料混合后由入料口沿切線給入第一段旋流器，在旋流器內形成內、外螺旋流和中心空氣柱，物料在離心力場作用下實現分選[10]。精煤從第一段主選旋流器溢流管排出，中煤和矸石隨著重懸浮液沿切線進入第二段主選旋流器，在離心力場的作用下實現高密度的分選，矸石從第二段底流口排出，中煤在溢流管做螺旋上升運動。在第二段主選旋流器的溢流口設置一個溢流箱，將溢流箱沿旋流方向切向開口，把中煤與懸浮液沿切線引出并沿切線進入中煤再選旋流器，充分利用溢流的旋流余壓實現中煤再選。為了實現中煤在旋流器中的有效分選，必須保證進入中煤再選旋流器的懸浮液密度、壓力適宜，在中煤再選旋流器圓筒段常規入料口的鏡像對稱處設置與原旋流方向同向的補加介質或水管，調節分選懸浮液密度的同時，也補加了分選的壓力,最后經過再分選的中煤從底流口中出來，再選精煤從溢流管中出來[11-12]。

1—第一段主選旋流器入料口；2—第一段主選旋流器溢流管；3—第一段主選旋流器；4—第二段主選旋流器溢流室；5—第二段旋流器溢流室切線開口；6—二、三段旋流器連接變徑管；7—中煤再選旋流器溢流管；8—補介或補水管；9—中煤再選旋流器；10—中煤再選旋流器底流口；11—第二段主選旋流器底流口；12—第二段主選旋流器

圖2 三段重介質旋流器結構示意圖

Fig.2 Sketch of the structure of the 3-stage H.M. cyclone

三段重介質旋流器的技術特點主要是中煤不需要出系統，直接進入中煤再選旋流器，利用旋流余壓以及通過補水或補介來調節分選密度，補充分選壓力，從而實現中煤的有效分選，提高精煤產量。

3 試驗部分

3.1 試驗思路

為了對中煤有壓再選三段重介質旋流器的可行性進行探究，采用帶介質試驗，分別對各出料口進行取樣并測量密度，通過分析旋流器底流口和溢流口密度的差異來探究設備的可行性。試驗主要分為兩個部分：

(1)不加第三段中煤再選旋流器，保持入料密度不變，設置不同的入料壓力，測出第一段旋流器溢流口、第二段旋流器的底流以及溢流的密度。

(2)加上第三段中煤再選旋流器，將第三段補介或補水管關閉，保持入料密度和第一組試驗相同不變，設置和第一組試驗相同的三個不同入料壓力，分別測出各個取樣點密度。

對以上兩部分試驗數據進行比較分析，并結合理論對中煤有壓再選三段重介質旋流器的可行性進行驗證。

3.2 試驗系統

中煤有壓再選三段重介質旋流器初步試驗系統主要由混料桶、旋流器、渣漿泵、離心泵、控制柜、槽體以及測壓裝置等組成。試驗系統如圖3所示，此系統所有的出料都利用管道返回到混料桶。為了取樣方便，設置了①—⑤五個取樣點，試驗從這五個點取樣化驗。

1—槽體；2—離心泵；3—離心泵控制柜；4—入料渣漿泵控制柜；5—入料渣漿泵；6—混料桶；7—旋流器；8—補水或補介壓力表；9—補水或補介管開關閥門；10—入料壓力表；11—分流閥

①第一段旋流器溢流取樣點；②第二段旋流器底流取樣點；③第二段旋流器溢流取樣點；④第三段旋流器底流取樣點；⑤第三段旋流器溢流取樣點

圖3 試驗系統流程圖

Fig.3 Process flowsheet of the 3-stage cyclone test system

3.3 試驗步驟

3.3.1 不加第三段中煤再選旋流器試驗

在混料桶中配制密度為1.45 g/cm3的重懸浮液，通入高壓風使懸浮液充分攪拌。關閉高壓風,同時打開入料泵，調節入料泵的轉動頻率，使入料壓力分別穩定在0.06、0.08、0.10 MPa, 用密度壺在取樣點分別采集三個出口的懸浮液，測量密度并記錄。

3.3.2 加第三段中煤再選旋流器試驗

保持重懸浮液的密度為1.45 g/cm3不變，改變入料泵的轉動頻率，使得入料壓力穩定在0.06、0.08、0.10 MPa，進行三段重介質旋流器帶介質試驗，并進行取樣，記錄試驗數據。

4 試驗結果及分析

不加第三段中煤再選旋流器試驗時，一段旋流器溢流、二段旋流器底流以及二段旋流器的溢流密度在不同入料壓力下的變化結果見表1。加第三段中煤再選旋流器試驗時，一段旋流器溢流、二段旋流器底流，三段旋流器的入料即二段旋流器的溢流、三段旋流器的溢流及三段旋流器的底流密度在不同入料壓力下的變化結果見表2。

表1 兩段三產品重介質旋流器各出料口密度與壓力的關系

當入料壓力為0.06 MPa時，三段旋流器入料密度和底流密度相等，溢流沒有出料，出現這種現象的原因是入料壓力過小，通過裝在二、三段旋流器連接管處的壓力表的示數(為0.01左右)可知此壓力不足，中煤沒有分選。當壓力為0.08 MPa和0.10 MPa時，三段旋流器的溢流和底流均有物料，而且溢流和底流密度存在一定差異，雖然差異不大，但是入料壓力提高時，此密度差異有所增加。結合旋流器工藝參數以及結構參數對旋流器的分選效果可知，通過調整旋流器的結構參數以及增大分選壓力都可以使旋流器溢流和底流密度差異變大，從而實現高效率的分選[13-14]。

表2 三段重介質旋流器各出料口密度與壓力的關系

當入料懸浮液密度為1.45 g/cm3時，在同一入料壓力情況下，三段重介質旋流器第二段旋流器溢流密度即第三段旋流器的入料密度都高于入料懸浮液的密度，所以要想實現從中煤里回收精煤，必須將此密度降低到合適密度才能實現很好的分選效果[15]，所以可以確定第三段中煤再選旋流器需要在入料鏡像對稱的開口處補加適量的清水，這樣不僅可以降低分選密度，同時也可以解決中煤再選旋流器壓力不足的問題。將表1和表2的部分試驗數據繪制成變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4 旋流器溢流、底流密度與入料壓力的關系

由圖4(a)可知，當懸浮液入料密度為1.45 g/cm3時，第一段旋流器的溢流密度隨入料壓力的增大而出現增大的趨勢，但兩者密度差異很小；由圖4(b)可知，當懸浮液入料密度為1.45 g/cm3時，第二段旋流器的底流密度隨入料壓力的增大而出現增大的趨勢，此時兩者密度差異較第一段旋流器溢流密度差異較大；由圖4(c)可知，當懸浮液入料密度為1.45 g/cm3時，第二段旋流器的溢流密度隨入料壓力的增大而呈現增長的趨勢，此時兩者對比密度差異也比較小。

通過分析可知，在傳統三產品旋流器的基礎上串聯一個中煤再選旋流器會對前兩段旋流器的分選有一定的影響，但對第一段主選旋流器的影響較小，對第二段旋流器的影響并不是太大，可以通過調整第二段旋流器的溢流管大小以及其他結構參數將這種影響降到最低，同時由于選煤廠都是以精煤質量和產量為評價標準，所以只要第一段主選旋流器所受影響較小，不影響精煤質量和數量即可。

5 結語

在相同入料壓力和入料懸浮液密度的情況下，通過對比兩段三產品重介質旋流器和三段重介質旋流器各個出口處的密度的變化以及密度差異大小，驗證了三段重介質旋流器回收中煤里夾帶的精煤的可行性，同時為了降低中煤再選旋流器的分選密度，確定了第三段中煤再選旋流器與入料鏡像對稱開口處應該補加適量的清水的方案，中煤有壓再選三段重介質旋流器的初步試驗研究也為后續的結構參數優化研究奠定了基礎。

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