選煤廠重介質旋流器結構優化設計及其實踐應用

崔 鵬

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

引言

煤炭資源是我國整個能源結構體系中重要的構成部分，煤炭在礦井中被開采出來后還需要通過選煤廠選煤處理，可見選煤技術對煤炭產品的質量至關重要[1-2]。經過多年發展，當代選煤技術呈現出多樣化趨勢，但在眾多選煤技術中，傳統的重介質選煤方法表現出了很多優勢，比如選煤過程簡單、效率高、設備整體體積小等，在選煤廠中得到了非常廣泛的應用[3-4]。重介質旋流器是重介質選煤技術中的關鍵設備[5]，然而受到其結構制約，在實踐中也存在一些問題。這些問題對選煤過程產生了不良影響，使得設備能源消耗增高，選煤精度降低[6]。因此，有必要對傳統的重介質旋流器結構進行針對性的改進設計。

1 重介質旋流器的基本工作原理

圖1為重介質旋流器分選基本工作原理圖。重介質旋流器工作時，煤礦物料及懸浮液從入料口進入，沿旋流器內壁作切線運動。在重力以及離心力的綜合作用下，在旋流器外側形成明顯的外螺旋流，而在旋流器中心部位形成內螺旋流，其中外螺旋流向下運動，而內螺旋流向上運動。煤礦物料進入外螺旋流還是內螺旋流，主要取決于物料本身的密度與懸浮液密度之間的差值。如果煤礦物料密度比懸浮液密度大，則在離心力作用下進入外螺旋流。相反，如果煤礦物料密度比懸浮液密度小，則其離心力也相對較小，此時會進入內螺旋流。精煤密度相對較小會進入內螺旋流，從溢流口流出；矸石密度相對較大會進入外螺旋流從底流口流出。經由上述過程，采用重介質旋流器分選可達到選煤的目的。基于上述原理可以看出，懸浮液密度對最終的分選效果有直接影響。

圖1 重介質旋流器分選基本工作原理圖

2 重介質旋流器傳統結構存在的問題

受重介質旋流器傳統結構的影響，在對煤礦懸浮液進行分選時容易在內部形成空氣柱。雖然部分學者認為空氣柱不會對分選過程產生顯著的影響，但不可忽略的事實是，空氣柱的形成過程需要消耗一定的能量。已有研究表明：空氣柱在形成過程中需要消耗大約一半的流場能量，而能量的損耗會使重介質旋流器的能耗增加；溢流口部位存在空氣柱會導致溢流口部位精煤的流動空間被壓縮；空氣柱的位置、形狀、大小會隨機擺動，而隨意移動的空氣柱會導致旋流器內部的流場不穩定，容易出現紊流問題，會在一定程度上影響分選質量和效果。

3 新型重介質旋流器結構的優化設計

3.1 設計思路

在新型重介質旋流器中，煤礦物料及懸浮液從方形入料口切入旋流器內部，在離心力、重力、湍流擴散力等多個力的綜合作用下，按照密度大小沿徑向方向進行分離。基于這種工作流程，通過結構優化，盡可能避免形成空氣柱或者空氣柱的擺動，防止空氣柱造成的能量消耗及其對流場造成的不良影響。

3.2 結構參數的設計

根據選煤廠實際情況，將新型旋流器直徑大小設置為300 mm。由于旋鈕器上部區域為圓柱體，因此物料進入旋流器內部后開始做螺旋線運動，這種運動形式能有效避免空氣柱的擺動問題，保障旋流器流場的穩定性，從而提升煤礦物料的分選質量。入料口結構尺寸非常重要，該尺寸會影響物料及懸浮液進入旋流器內部時的速度，進而影響分選效果。在傳統的結構設計中，入料口為圓柱體且其直徑為旋流器直徑的0.08～0.25倍。根據傳統經驗，將方形進料口尺寸確定為45 mm×45 mm。

煤礦物料及懸浮液進入旋流器內部的速度，除受到入料口尺寸影響外，還會受到注入壓力的影響。當需要分離的顆粒尺寸越小時，就需要提供更大的離心力，也就需要更大的注入壓力。結合選煤廠實際情況，確定煤礦物料及懸浮液注入壓力為0.025 MPa以上。

在旋流器直徑及入口速度確定的情況下，旋流器筒體高度是另外一個影響分選效果的關鍵因素，直接決定分選時間。待分選的顆粒直徑越小則需要的分離時間越長。尤其是當顆粒尺寸在0.35 mm以下時，曳力會顯著上升，因此必須預留足夠的分離時間，才可達到預期的分選效果。但是分離時間過長會導致精煤密度過低，影響生產效率。所以必須科學設定分離時間，即需要合理設計旋流器筒體的高度。為了確定最優的旋流器筒體高度，利用FLUENT軟件建立了旋鈕器的模型，對分選過程進行了模擬仿真，并確定了入料顆粒直徑與旋流器筒體高度之間的關系，結果如圖2所示。從圖中數據變化趨勢可以看出，旋鈕器筒體高度主要受分離密度、入料顆粒直徑的影響，但前者影響相對較小，后者影響相對較大。由于選煤廠中入料顆粒大小為0.21 mm，所以確定的旋流器筒體高度為850 mm。

4 新型重介質旋流器的實踐應用

4.1 循環量的確定

根據上文設計研究的新型重介質旋流器結構參數，搭建了現場實物，結果如圖3所示。在設備調試階段，研究了旋流器循環量對入口壓力及內部流場穩定性的影響規律。結果發現，旋流器的循環量越小，則入口壓力越小。當循環量不超過35 m3/h、入口壓力不超過0.026 MPa時，由于壓力太小無法在旋流器內部建立穩定的流場。當循環量提升到35～50 m3/h時，對應的入口壓力在0.026～0.056 MPa，此時壓力比較合適，能夠在旋流器內部形成相對穩定的流場。但是當循環量進一步增大超過50 m3/h時，入口壓力相應增加，又無法在旋流器內部形成穩定流場，不利于分選過程。

圖2 不同入料直徑對應的旋流器筒體高度大小

圖3 新型重介質旋流器的現場圖

4.2 新舊旋流器的對比分析

表1為新舊兩種重介質旋流器的實踐應用效果對比分析。表中所示數據是在完全相同的參數條件下測量得到的，可以明顯看出，在其他技術條件相同的情況下，新型重介質旋流器的入口流量與舊設備相比較有了一定程度的提升，提升量大約為5.15%。而溢流口和底流口的流量卻出現了非常顯著的變化，此變化充分說明了通過對重介質旋流器結構的優化改進，改變了旋流器內部的流場結構，從而影響最終的分選效果。在能量損失方面，新型結構的能量損失有了一定程度的降低，降低程度約為17.6%。可見，新型重介質旋流器具有很好的節能效果。

表1 新舊旋流器的應用效果對比分析

5 結論

結合選煤廠實際情況，對重介質旋流器的結構參數進行優化設計。新型重介質旋流器的入口流量提升了約5.15%，能量損失降低了約17.6%，可見新型旋流器具有更好的分選效果，能源損耗更低。