旋流器選煤的分選原理

本文主要介紹了旋流器選煤的分選原理，根據(jù)有壓給料重介旋流器及無(wú)壓給料重介旋流器在選煤行業(yè)的應(yīng)用情況，并對(duì)兩者優(yōu)缺點(diǎn)的分析和比較，闡明了在選煤設(shè)計(jì)中分別選取兩者的依據(jù)，揭示兩者分別匹配的不同工藝。 

關(guān)鍵詞：有壓給料；無(wú)壓給料；重介旋流器，選擇 

近年來(lái)，隨著煤炭資源的開(kāi)發(fā)和利用，易選煤，特別是煉焦煤逐漸減少，各大主產(chǎn)煤區(qū)都面臨著難選煤以及極難選煤的分選。面對(duì)這種情況，各種適應(yīng)難選和極難選煤的工藝和設(shè)備也相繼誕生，特別是重介旋流器的使用，簡(jiǎn)化了分選工藝，提高自動(dòng)化程度，易于操作、管理方便。尤其是對(duì)重介旋流器直徑的大型化，大大提高單臺(tái)處理能力，為選煤設(shè)計(jì)工藝布置的進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供了有利條件，從而大大降低了工程造價(jià)。但是，在重介選煤工藝設(shè)計(jì)中，面對(duì)有壓給料旋流器和無(wú)壓給料旋流器的選取，仍然是一個(gè)值得探討的話(huà)題。在此，針對(duì)兩者的選取進(jìn)行深入的探討。

1 兩種入料形式重介旋流器的概述及分選原理 

 通過(guò)對(duì)兩種入料形式的旋流器的簡(jiǎn)單介紹和入料過(guò)程分析，為后續(xù)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)比較提供理論基礎(chǔ)。

1.1 有壓給料重介旋流器及其入料過(guò)程 

 有壓給料重介旋流器從外形上來(lái)看，主要是圓筒圓錐形的配合。而從入料壓力來(lái)看，大體上分為兩種：一是原煤直接進(jìn)入混料桶，通過(guò)泵，將原煤和懸浮液的混合物以一定的壓力經(jīng)入料管沿切線(xiàn)方向給入旋流器的圓筒部分，入料壓力可達(dá)0.1Mpa以上。在給料過(guò)程中， 

物料粉碎現(xiàn)象嚴(yán)重，而且增加設(shè)備磨損，但是可以降低廠(chǎng)房高度。二是利用定壓箱給料，原煤和懸浮液在定壓箱中混合后靠自重進(jìn)入旋流器。定壓箱液面到旋流器入口的距離一般是旋流器直徑的9-11倍，以保證有足夠的壓力，否則壓力過(guò)低，離心力過(guò)小，影響分選效果，降低處理能力，但給料壓力穩(wěn)定。綜上所述，兩種方式各有特點(diǎn)，具體選用應(yīng)結(jié)合煤質(zhì)、廠(chǎng)房配置等綜合考慮。

1.2 無(wú)壓旋流器及其入料過(guò)程 

 無(wú)壓旋流器主要是圓筒形。給料首先給入緩沖漏斗，在自重的作用下通過(guò)給料緩沖漏斗沿旋流器中心給入，介質(zhì)則在旋流器的底端延切線(xiàn)給入，從底至頂形成一股上升旋渦流，輕產(chǎn)物在漩渦中心向下流，從溢流口（下部）流出，重產(chǎn)物重產(chǎn)物沿筒壁上升從底流口（上部）排除。該入料方式要求廠(chǎng)房較高，管路磨損較小。

1.3 重介旋流器的分選原理 

介質(zhì)懸浮液在離心力場(chǎng)的作用下，在旋流器內(nèi)會(huì)形成不同密度的等密度面，即密度場(chǎng)。密度自上而下，由內(nèi)而外增加，并存在一個(gè)理論上的分離界面，也稱(chēng)分離錐面。這個(gè)界面上的懸浮液密度在理想情況下，等于礦粒的分離密度。從另一個(gè)方面考慮，介質(zhì)懸浮液沿切線(xiàn)進(jìn)入旋流器，其有軸向速度和徑向速度，它們同樣會(huì)形成不同速度的等速度面，在位置上我們也可以理解分離界面是軸向零速面和徑向零速面的綜合面。即在分離界面以外的懸浮液形成外螺旋流，向底流口方向移動(dòng);在分離界面以?xún)?nèi)的懸浮液形成內(nèi)螺旋流向溢流口方向移動(dòng)，內(nèi)、外螺旋流移動(dòng)的方向正好相反。 

 據(jù)有關(guān)試驗(yàn)研究表明，礦粒在重介旋流器內(nèi)的分離，同樣遵循阿基米德原理。其中密度大的礦粒會(huì)越過(guò)分離界面，隨外螺旋流從底流口排出。輕密度礦粒進(jìn)入分離界面內(nèi)，隨內(nèi)螺旋流從溢流口排出。當(dāng)然，礦粒在旋流器內(nèi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌跡要復(fù)雜得多，尤其是中間密度物顆粒的運(yùn)動(dòng)則更復(fù)雜，甚至要循環(huán)往返多次才能分別從底、溢流口排出。但總的趨勢(shì)是按上述規(guī)律進(jìn)行的。旋流器的入料方式不同也會(huì)給礦粒的運(yùn)動(dòng)和穿越分離界面的狀況帶來(lái)不同的影響。

2 兩種入料形式旋流器的比較 

大多認(rèn)為有壓入料旋流器比無(wú)壓入料旋流器對(duì)細(xì)粒級(jí)物料的分選精度更高，分選下限更低，似乎有壓入料方式更適合粉末煤含量多的難選煤的分選。但是近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)采用無(wú)壓入料重介旋流器分選難選煤的應(yīng)用實(shí)例卻越來(lái)越多，旋流器直徑也越來(lái)越大。從一些采用無(wú)壓入料重介旋流器的選煤廠(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際效果來(lái)看，其分選精度與有壓旋流器相比差別不大?？偟膩?lái)說(shuō)，兩種不同入料形式的旋流器各具特色，面對(duì)兩種入料形式的重介旋流器的選取，分析兩種旋流器對(duì)分選的影響。 

2.1 兩種入料形式重介旋流器的幾何形狀的影響 

重介懸浮液在旋流器內(nèi)形成的密度場(chǎng)對(duì)保證物料在旋流器內(nèi)按密度分離是起決定作用，因?yàn)槊芏葓?chǎng)內(nèi)的密度分布特性對(duì)分選結(jié)果有著直接影響。根據(jù)有關(guān)研究員實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圓筒形無(wú)壓入料重介旋流器內(nèi)介質(zhì)密度分布較圓錐形有壓入料旋流器的介質(zhì)密度分布要均勻的多，密度變化梯度要小的多。圓筒重介旋流器內(nèi)的分選條件，似乎比較接近斜輪、淺槽等分選槽懸浮液密度分布的狀況，即在旋流器內(nèi)，介質(zhì)的密度是和旋流器的軸向圓柱面同心階梯分布。所不同的是，圓筒旋流器內(nèi)的懸浮液是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的液體，分選過(guò)程在離心力場(chǎng)中完成的，應(yīng)該比物料在斜輪分選槽的重力場(chǎng)中上浮、下沉的速度更快，效率更高。 

由于有壓入料圓錐重介旋流器內(nèi)懸浮液密度變化梯度大，特別是錐體部分密度分布極不均勻，加上錐體下部發(fā)生重物料堆積，造成軸向方向上懸浮液密度也發(fā)生變化，使等密度線(xiàn)分布更加復(fù)雜，致使實(shí)際分選密度往往比工作介質(zhì)密度要高出0.15-0.3 kg/L左右。相比之下，無(wú)壓入料圓筒旋流器內(nèi)懸浮液密度變化梯度下，等密度線(xiàn)分布比較均勻的狀況，有利于物料按密度分選。

2.2 入料方式不同對(duì)礦粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響 

 旋流器在有壓入料方式的情況下，物料與懸浮液是混合給入的。入料的初始階段分離界面內(nèi)外均分布有輕、重礦粒。位于分離界面內(nèi)的重礦粒在合力的作用下要穿越分離界面進(jìn)入外螺旋流，而位于分離界面外的輕礦粒在合力的作用下會(huì)穿越分離界面向中心運(yùn)動(dòng)。所以就形成了輕、重礦粒交錯(cuò)穿越界面，互相擠碰，互相干擾的現(xiàn)象。 

 在無(wú)壓入料方式下，被選物料是從旋流器頂部中心口給入的，物料逐漸散開(kāi)后，只有重礦粒在合力的作用下穿越分離界面進(jìn)入外螺旋流。輕礦粒因本身密度就低于分離界面處的密度，則不會(huì)穿越界面，就留在界面內(nèi)隨內(nèi)螺旋流移動(dòng)。這樣，基本上只存在重礦粒的單向運(yùn)動(dòng)，避免了輕、重礦粒交錯(cuò)穿越界面，互相干擾的弊端。對(duì)提高分選效率和分選精度應(yīng)該是有利的。

2.3入料方式不同對(duì)泥化現(xiàn)象的作用 

有壓入料圓錐旋流器的入料方式，多采用泵輸送介質(zhì)和原煤的混合物。離心泵高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)浸泡后的煤和矸石有較強(qiáng)的撞擊破碎作用和泥化作用。此外矸石在旋流器內(nèi)，從進(jìn)入到排出需經(jīng)過(guò)幾乎整個(gè)旋流器筒長(zhǎng)度，運(yùn)行距離長(zhǎng)，又進(jìn)一步加劇了泥化程度?？傊鲜龈鞣N因素將產(chǎn)生三點(diǎn)不利影響：一是不利于保持煤炭塊度，減少了塊煤產(chǎn)品的數(shù)量；二是因產(chǎn)生次生煤泥量大，特別是當(dāng)原煤中含有大量泥巖矸石時(shí)將導(dǎo)致旋流器內(nèi)工作介質(zhì)的高灰非磁性物含量大大增加，引起重介懸浮液密度、粘度等特性參數(shù)的改變，對(duì)分選效果將產(chǎn)生不利影響，同時(shí)還要加大分流量；三是對(duì)設(shè)備的磨損，矸石等經(jīng)過(guò)旋流器的全長(zhǎng)，對(duì)旋流器壁的磨損很?chē)?yán)重。

無(wú)壓入料圓筒旋流器的入料方式，無(wú)需泵送，入選原煤從上部入料口自然落入，不存在懸浮液浸泡、被泵葉輪撞擊破碎和泥化的弊端。而且無(wú)壓入料圓筒旋流器在結(jié)構(gòu)上還有一個(gè)特點(diǎn)，即重產(chǎn)物排料口與中心入料口相距很近，都處于旋流器筒體頂部。重產(chǎn)物從進(jìn)入到排出，運(yùn)行距離很短，可有效地減少矸石泥化的時(shí)間，這對(duì)于含有大量泥巖矸石的原煤的分選尤為有利，而且設(shè)備磨損小。一般都認(rèn)為無(wú)壓入料重介旋流器是泥化程度輕的分選工藝之一。

2.4 兩種入料壓力的影響 

由于重介旋流器內(nèi)，礦粒在旋轉(zhuǎn)的密度場(chǎng)中所受離心力比重力大幾十至幾百倍。所以物料特別是細(xì)粒物料在重介旋流器內(nèi)能夠得到有效分選，這是其他選煤方法所無(wú)法比擬的。應(yīng)該說(shuō)離心力是重介旋流器分選的原動(dòng)力。被選煤粒在旋流器內(nèi)所受離心力的大小取決于給料的切線(xiàn)速度和旋轉(zhuǎn)半徑，同時(shí)還有介質(zhì)粘度等交叉影響。而切線(xiàn)速度又與入料壓頭有關(guān)，這是有壓入料重介旋流器特具的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵谟袎喝肓系臈l件下，物料與懸浮液是混合有壓切線(xiàn)給入的。一進(jìn)入旋流器，礦粒與懸浮液就同時(shí)具有了很高的切向速度。如果入料壓頭調(diào)節(jié)得當(dāng)，從入料的初始階段就能達(dá)到較好分選狀態(tài)，從而較大限度地利用了物料在旋流器內(nèi)的分選時(shí)間和分選空間。

與此相反，入料壓力恰恰暴露出無(wú)壓入料重介旋流器的嚴(yán)重弱點(diǎn)，中心無(wú)壓入料方式的主要特點(diǎn)是被選物料與重介懸浮液是分開(kāi)進(jìn)入旋流器的。其中80%-90%懸浮液是從筒體下部切向有壓給入的，剩余的10％-20％的懸浮液則隨同被選物料由筒體上部中心口“無(wú)壓”（高差約2.5m）給入.因此被選物料進(jìn)入旋流器后的初始切向速度幾乎為零。隨著礦粒在軸向和徑向上的位移，在旋轉(zhuǎn)懸浮液的帶動(dòng)下，才逐漸增大本身的切向速度，并逐漸接近旋轉(zhuǎn)懸浮液的切向速度。這一現(xiàn)象說(shuō)明入料在起始階段與懸浮液在旋轉(zhuǎn)速度上存在較大差異，這種差異將產(chǎn)生實(shí)際分離密度增大的影響，尤其對(duì)細(xì)粒物料影響更為明顯。

3 兩種入料方式匹配工藝 

針對(duì)上述對(duì)旋流器的利弊分析，所以在設(shè)計(jì)中考慮選擇入料方式的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)煤質(zhì)特點(diǎn)具體分析，同時(shí)考慮每種入料的匹配工藝來(lái)區(qū)別對(duì)待。

對(duì)于不分級(jí)入洗工藝，原生煤泥不是太大的情況，考慮選前不脫泥工藝，全粒級(jí)入洗大多可以采用無(wú)壓入料重介旋流器，為了彌補(bǔ)無(wú)壓入料分選下限較低，可以考慮無(wú)壓重介旋流器分選+小直徑煤泥重介旋流器+浮選聯(lián)合三段分選，如臨渙選煤廠(chǎng)的3#系統(tǒng)；如果煤泥量太大，選前脫泥工藝，則大多采用有壓給料方式。 

對(duì)于分級(jí)入洗工藝，尤其是重介再洗工藝，因?yàn)槊耗嘣谥飨催^(guò)程消耗，對(duì)介質(zhì)粘度的影響較小，對(duì)這樣的工藝大多采用有壓給料分選方法。其常見(jiàn)工藝如下：跳汰粗選+跳汰粗精煤重介質(zhì)旋流器 +煤泥浮選和跳汰主選+跳汰中煤重介質(zhì)旋流器再選+煤泥浮選。對(duì)于分級(jí)入洗，末煤重介不脫泥則大多采用無(wú)壓入料方式。

4 小結(jié) 

 綜上分選表明，無(wú)壓入料和有壓入料兩種重介質(zhì)旋流器在工藝特點(diǎn)及分選機(jī)理上各有所長(zhǎng)，對(duì)于煉焦煤，特別是在選前不脫泥的條件下，兩者的分選效果相差更小。對(duì)于動(dòng)力煤，為了保持塊度，若要使用旋流器，則好使用無(wú)壓入料旋流器。從設(shè)備磨損角度考慮則無(wú)壓入料旋流器是優(yōu)選。在設(shè)計(jì)選用重介旋流器時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤質(zhì)條件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求以及客戶(hù)要求，具體分析，具體對(duì)待，擇優(yōu)選用。