同煤大地選煤公司重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

石 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程（大同）有限責(zé)任公司，山西 大同 037001）

1 概況

同煤大地選煤廠原煤年入洗量約為8700 萬t，原煤發(fā)熱量在23 MJ/kg 左右，矸石產(chǎn)率4.8%左右，精煤灰分5.2%左右。原煤經(jīng)過破碎篩分后，將粒徑為0.3～3.5 mm 的原煤通過重介質(zhì)旋流器進(jìn)行分選，產(chǎn)出精煤和矸石兩種產(chǎn)品。為提升選煤效果，要求分選偏差EP 不高于0.054 kg/L，數(shù)量效率不低于92.67%。目前選煤廠采用的常規(guī)大直徑有壓給料雙產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器性能無法滿足，對(duì)粒徑小于0.5 mm 的原煤分離效果非常差，而對(duì)0.5～1.0 mm 粒徑的原煤分離效果在85%左右，分離產(chǎn)品精度不高。為提升選煤效率，滿足選煤要求，進(jìn)行重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1-6]。

2 重介質(zhì)旋流器的分選原理

重介質(zhì)旋流器是根據(jù)阿基米德原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的一類礦物分選設(shè)備，外形結(jié)構(gòu)如圖1。被選礦物質(zhì)通過入料口進(jìn)入到旋流器內(nèi)，在高速入射速度作用下，在旋流器內(nèi)部受到重力和向心力作用，顆粒大小不同的礦物質(zhì)被分離開。內(nèi)部顆粒物受到的徑向力計(jì)算公式為：

圖1 重介質(zhì)旋流器雙螺旋結(jié)構(gòu)模型示意圖

式中：F為進(jìn)入重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的顆粒物受到的徑向力，N；V為顆粒物的等效體積，m3；ρ1為顆粒物的密度，kg/L；ρ2為懸浮液的密度，kg/L；v為顆粒物旋轉(zhuǎn)的切向速度，m/s；r為旋轉(zhuǎn)半徑，m。

通過顆粒物徑向力計(jì)算公式可以看出，進(jìn)入到重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的顆粒物受到的徑向力方向由顆粒物自身密度和懸浮液密度的差值決定。當(dāng)顆粒物密度大于懸浮液密度，則顆粒物向旋流器壁運(yùn)動(dòng)，反之，則向旋流器中心移動(dòng)，二者即分離。

顆粒物進(jìn)入旋流器內(nèi)部后，根據(jù)其與懸浮液密度的不同可以實(shí)現(xiàn)不同方向的徑向運(yùn)動(dòng)，但需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離，還需要依靠旋流器內(nèi)部的特殊雙螺旋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)较虿煌较蜻\(yùn)動(dòng)的顆粒物收集，并從不同的排料口排出。通過圖1 可以看出，旋流器內(nèi)部的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是溢流管和分離區(qū)的錐形設(shè)計(jì)兩部分。

3 新型重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

常規(guī)重介質(zhì)旋流器分選時(shí)，由于懸浮液和顆粒物的運(yùn)動(dòng)，會(huì)在旋流器內(nèi)部形成一個(gè)不穩(wěn)定的空氣柱，增加能耗的同時(shí)，還會(huì)影響旋流器的分選效率，這是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的。新型重介質(zhì)旋流器優(yōu)化思路為，通過對(duì)內(nèi)部流場模擬，設(shè)計(jì)一種新的旋流分選結(jié)構(gòu)[7-10]，降低內(nèi)部空氣柱能量，比重介質(zhì)密度高的顆粒物在離心力和流體曳力及湍流擴(kuò)散力等力共同作用下被拋到靠近旋流器器壁的區(qū)域并沿著器壁以螺旋流動(dòng)方式通過底端的重產(chǎn)物出口離開旋流器，比重介質(zhì)密度低的顆粒物從中間的輕產(chǎn)物出口排出。

根據(jù)同煤大地選煤廠原來使用的旋流器，結(jié)合原煤性質(zhì)和分選煤顆粒度，選擇直徑為300 mm 的FZJ1405 型旋流器進(jìn)行優(yōu)化改造。原料的入料線速度確定情況下，不同孔徑的入料口尺寸則會(huì)對(duì)旋流器內(nèi)部的流體軸向速度有明顯影響，而原料進(jìn)入旋流器內(nèi)部獲取的最佳軸線速度與粒度較小的顆粒物分離停留時(shí)間有關(guān)。通過流場模擬確定入料口為45 mm 的方形入料口。

原料入料線速度是顆粒物進(jìn)入到旋流器內(nèi)受到離心力的直接影響因素，而離心力是不同粒度顆粒物分離的關(guān)鍵，與原料入料線速度和旋流器直徑有關(guān)。通過模擬看出，粒度小于0.3 mm 的顆粒物由于受到流體曳力作用，分離需要的離心力很大，而過大的離心力會(huì)使得懸浮液過度分離。基于以上分析，直徑300 mm 的旋流器決定改用0.021 MPa 作為入料壓力動(dòng)力。

為了得到更好的分離效果，需要對(duì)旋流器的長度與分離效果的關(guān)系進(jìn)行研究。通過模擬發(fā)現(xiàn)，礦物分選過程中重介質(zhì)旋流器中流體和固體相互間的密度差是與器壁徑向距離的函數(shù)，而密度差是影響分離效果的核心參數(shù)，所以可以看出旋流器的分離效果和與器壁的距離之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。另外，阻礙沉降和湍流衰減也會(huì)在固體濃度較高的重介質(zhì)旋流器中起相當(dāng)大的作用。表1 列出了經(jīng)過模擬不同粒徑顆粒在旋流器直徑為300 mm，45 mm方形入口，入口壓力為0.021 MPa 下旋流器的最佳長度。

表1 不同粒徑下旋流器的模擬最佳長度

通過表1 模擬預(yù)測數(shù)據(jù)可以看出，重介質(zhì)旋流器的筒體長度由入料的最小分離粒徑?jīng)Q定，但需要說明的是，理論上粒徑為0.15 mm 的礦物質(zhì)也可以通過旋流器分離，但如果分離效率保證的情況下，要求入料的密度和線速度都非常高。分離粒徑小于0.3 mm 的礦物質(zhì)，效率最高的方法是浮選法。根據(jù)同煤大地選煤廠需求，最小粒徑為0.3 mm，因此旋流器長度選擇960 mm。優(yōu)化后的重介質(zhì)旋流器設(shè)備使用系統(tǒng)的流程如圖2。

圖2 優(yōu)化后重介質(zhì)旋流器設(shè)備系統(tǒng)流程圖

4 應(yīng)用效果

同煤大地選煤廠按照研究確定的重介質(zhì)旋流器參數(shù)，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，探究優(yōu)化后的重介質(zhì)旋流器的分選效果，試驗(yàn)原料為粒徑不大于2 mm的原煤顆粒與2 mm 密度示蹤劑。試驗(yàn)中分離密度采用密度壺測量，原料入口的流量和壓力的測量分別選用了精度滿足要求的電磁流量計(jì)和液體壓力表。根據(jù)同煤大地選煤廠原料煤的實(shí)際粒徑組成，在2 mm 的原煤顆粒中摻有14%左右的粒徑小于0.5 mm 的物料，同時(shí)將磁鐵礦粉與12%的煤泥混合配置懸浮液，介質(zhì)與原煤的比例約為5.2:1。將試驗(yàn)系統(tǒng)的入料密度控制在1.450 g/cm3，入料壓力為0.021 MPa。

通過測量旋流器分離后各出口的密度值繪制圖3。從測量結(jié)果中看出，分選密度不高于1.340 g/cm3時(shí)，旋流器的分離效果非常低。要提高分離效果，需要增加入料的線速度，而過大的入料線速度需要的能耗更大，且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性都是一種考驗(yàn)。分選密度高于1.340 g/cm3時(shí)，旋流器分選效果明顯。物料的分選密度為1.340 g/cm3，而試驗(yàn)系統(tǒng)的入料密度控制在1.450 g/cm3，說明優(yōu)化后的旋流器的分選密度是低于入料密度的。經(jīng)過試驗(yàn)可以看出，可能偏差EP 值為0.040，而改造目標(biāo)的要求分選偏差EP 不高于0.054 kg/L，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在滿足優(yōu)化后重介質(zhì)旋流器分選密度的情況下，分離效果不低于95%，高于目標(biāo)92.67%。

圖3 優(yōu)化后重介質(zhì)旋流器分離效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)語

通過對(duì)同煤大地選煤廠原煤粒徑組成和重介質(zhì)旋流器分選原理分析，為了提升原煤分選精度，對(duì)重介質(zhì)旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，形成以下結(jié)論：

（1）原料進(jìn)入旋流器內(nèi)部獲取的最佳軸線速度與粒度較小的顆粒物分離停留時(shí)間有關(guān)。通過流場模擬確定入料口為45 mm 的方形入料口。

（2）原料入料線速度是顆粒物進(jìn)入到旋流器內(nèi)受到離心力的直接影響因素，粒度小于0.3 mm 的顆粒物受到流體曳力作用，通過模擬確定直徑300 mm 的旋流器選用0.021 MPa 作為入料壓力動(dòng)力。

（3）入料線速度確定，原料進(jìn)入旋流器內(nèi)部獲取的最佳軸線速度與粒度較小的顆粒物分離停留時(shí)間有關(guān)。通過流場模擬確定入料口為45 mm 的方形入料口。

（4）選用入料密度為1.450 g/cm3進(jìn)行優(yōu)化后重介質(zhì)旋流器分選效果驗(yàn)證，可能偏差EP 值為0.040，分離效果不低于95%，滿足同煤大地選煤廠分選需求。