新型雙溢流水力旋流器分級試驗研究

杜振寶

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013）

水力分級旋流器又稱旋液分離器［1］，是一種分離非均勻相混合物的分級設備，可以用來完成液體澄清、固相顆粒洗滌、液體除氣與除砂、固相顆粒分級與分類以及兩種非互溶液體的分離等多種作業(yè)。隨著煤炭開采深度的加深和采煤方法的改變，原煤中煤泥含量增加，從而對煤泥處理工藝的要求變高導致選煤廠選煤工藝發(fā)生了變化，由原來的普遍主選+浮選工藝變?yōu)橹鬟x+粗煤泥分選+浮選工藝。粗煤泥分選和浮選的入料都是漿液物料，只不過在粒度上有所區(qū)別，因而需要合適的漿液物料分級設備，水力分級旋流器便是首選的設備。

1 水力分級旋流器研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)分級水力旋流器 (圖1)由圓柱筒和圓錐筒連接而成，包括溢流管、底流管、進料管等主要部件［2］。

近年來，國內外眾多科研工作者和工程技術人員對水力分級旋流器經(jīng)行了改進研究。國外有代表性的研究是在底流部位增加了反沖水結構，這種反沖水旋流器 (圖2)目前多用于金屬礦選礦廠;國內有代表性的研究是在圓柱段加了篩網(wǎng)的篩網(wǎng)型旋流器 (圖3)［3－4］，但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，篩網(wǎng)易破損和阻塞，造成分級效果變差［5］。

圖1 傳統(tǒng)水力分級旋流器結構圖Fig.1 Structural diagram of traditional hydrocyclone

圖2 反沖水旋流器結構示意圖Fig.2 Structural diagram of back washing cyclone

圖3 篩網(wǎng)旋流器結構示意圖Fig.3 Structural diagram of cyclone with screen mesh

然而，在專家學者的研究過程中和現(xiàn)場實際應用中，均發(fā)現(xiàn)在水力分級旋流器中有短路流的存在。研究發(fā)現(xiàn)，短路流的量大約占入料的5%～10%左右。根據(jù)入料粒度組成的不同，尤其是當入料中粗顆粒物料所占的比例較大時，對溢流產(chǎn)品的污染更加嚴重，使溢流產(chǎn)品的質量降低;同時底流產(chǎn)品中又有大量的細粒物料混進，最終使得溢流產(chǎn)品和底流產(chǎn)品均不能達到合理的分離效果。

針對傳統(tǒng)水力分級旋流器存在的問題，筆者總結了國內外的最新研究成果，為了消除或減少短路流對溢流產(chǎn)品的污染，設計了一種新型雙溢流水力旋流器，以確保內溢流和底流產(chǎn)品合格，使短路流進入外溢流進行單獨處理。

2 雙溢流水力旋流器結構特點與工作原理

圖4 雙溢流水力旋流器結構示意圖Fig.4 Structural diagram of new hydrocyclone with double overflow

雙溢流水力旋流器結構 (圖4)與傳統(tǒng)水力旋流器相似，但在傳統(tǒng)水力分級旋流器的溢流管中嵌套了第二個溢流管，從而使溢流可以產(chǎn)出兩個產(chǎn)品，再加一個底流產(chǎn)品，從而使得該旋流器能夠生產(chǎn)出三個產(chǎn)品［6］。與傳統(tǒng)水力分級旋流器的工作原理相同，這種旋流器可按物料粒度差異分離出兩種溢流［7］。如圖5所示:在A區(qū)，在干涉沉降作用下，大密度粗顆粒開始出現(xiàn)分層，這些顆粒對中間顆粒床層起到介質作用;在B區(qū)，中心流非常強，強力向上運動的內旋流導致床層頂部揭開，暴露出中間產(chǎn)物，床層最外側低密度細顆粒在內旋流的帶動下進入內溢流管，中間產(chǎn)物由于接近外溢流管的末端，因此進入外層溢流管中;在C區(qū)，干擾床層底部的粗而重的顆粒通過沉砂口排出。隨后物料重復上述分離過程［6］。

圖5 雙溢流水力旋流器工作原理示意圖Fig.5 Working principle of new hydrocyclone with double overflow

工作時，物料經(jīng)渣漿泵以一定的初速度由導向管沿切線方向進入旋流器，由于旋流器上部是圓柱段，下部是收縮的圓錐體，致使物料受到該結構的限制在旋流器內部做高速旋轉的圓周運動［8］;物料中粒度小、密度小的礦物顆粒受向內的流體曳力，逐漸向垂直的中心軸線附近運動，進入到內層螺旋流中，形成上升流，并且內旋流中由上至下，礦物顆粒逐漸增大，長度不同、直徑不同的溢流管截取的礦物顆粒不同;物料中粒度大而重的礦物顆粒受到較大離心力的作用，它們的運動趨勢是由中心向旋流器周邊，進入最外層的螺旋流，并向下方的底流口方向移動，最終形成底流產(chǎn)物［9］。

3 試驗

3.1 試驗設計思路

根據(jù)近年來選煤工藝的變化，脫泥入選的工藝逐漸被大家接受。脫泥后的煤泥水粒度范圍為0～1(1.5)mm，該部分物料的分選工藝主要是粗煤泥分選設備和浮選設備。根據(jù)入料粒度范圍越窄越有利于分選的原則，目前采取的方案是0.5～1(1.5)mm采用粗煤泥回收設備，0～0.5 mm采用浮選工藝回收。實踐表明，煤泥水回收工藝最佳方案是先采用分級設備，將物料分成更窄的粒度級，這樣有利于后續(xù)作業(yè)分選回收［11－12］。

根據(jù)旋流器內物料的運動特征，可以通過調節(jié)旋流器溢流管的直徑和插入深度，獲得不同粒度級的產(chǎn)品。本次試驗就是根據(jù)這一原理，將原有旋流器的溢流管改為同心的兩個溢流管，靠近里面直徑小的溢流管插入深度可以調節(jié)，以便獲取不同產(chǎn)品。

3.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖6所示。試驗中渣漿泵出現(xiàn)問題時，關閉閘閥1，將渣漿泵與管路分離，進行檢修。通過閘閥2和閘閥3的打開/關閉幅度來控制物料進入旋流器的速度。圖6中取樣點1為原料樣，取樣點2為底流產(chǎn)品樣，取樣點3為內層溢流產(chǎn)品樣，取樣點4為外層溢流產(chǎn)品樣。

3.3 試驗條件

試驗進行了多個因素試驗，其中包括旋流器結構參數(shù):底流口直徑、內溢流管插入深度，工藝參數(shù):入料濃度、粒度組成和入料壓力。

圖6 試驗系統(tǒng)流程圖Fig.6 Test system flowsheet

3.4 試驗結果與分析

在搭建的試驗平臺上對雙溢流水力旋流器的分離性能進行了初步檢測，試驗進行了多個因素水平相互作用的條件試驗。在相同入料條件下，更換了φ 20 mm和φ 25 mm兩種直徑底流口，并且對給料壓力在0.08～0.12 MPa范圍內進行調節(jié)，對內外溢流高差在0～150 mm范圍進行調節(jié)。試驗得到的最佳的試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗得到的最佳試驗參數(shù)Table 1 The optimal parameters from test

試驗條件:給礦密度ρ=1.15 t/m3，給礦粘度為μ=0.00133 Pa·s，入料濃度為104.52 g/L，煤泥水質量濃度為9.1%。

在試驗過程中，開啟進料閥門，啟動渣漿泵，調節(jié)給料壓力，使壓力表指針穩(wěn)定在0.12 MPa。同時在四個取樣點取樣，將取得的樣品進行分析和測算。

入料、底流、內溢流和外溢流產(chǎn)品粒度組成見表2。根據(jù)分級效率計算公式對此次結果進行了計算:

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，%;γu為底流產(chǎn)物產(chǎn)率，%;Uf為底流產(chǎn)物中細粒物含量(占本級)，%;Uc為底流產(chǎn)物中粗粒物含量(占本級)，%;Fc，r為計算入料中粗粒物含量，%;Ff，r為計算入料中細粒物含量，%。其中:Uc和Uf可以從底流產(chǎn)物粒度特性曲線查獲;Fc，r和 Ff，r可以從計算入料粒度特性曲線查獲。

最終計算得出η=66.69%。也就是說，當d50=0.049 mm時，分級效率為66.69%，初步實現(xiàn)了對細粒物料的有效分級，確保了內溢流產(chǎn)品的純凈，減少了短路流對其污染。

表2 入料及產(chǎn)品粒度組成Table 2 Size composition of feed and products %

4 結論與建議

通過總結國內外針對傳統(tǒng)水力分級旋流器結構改進的研究結果及工業(yè)應用情況，設計了一種新型雙溢流水力旋流器。對該旋流器進行實驗室閉路試驗，可得出以下結論:

(1)水力分級旋流器是選煤廠煤泥分級的重要設備，消除短路流對溢流的污染，減少細顆粒對底流產(chǎn)品的污染是以后的主要研究方向。

(2)雙溢流水力旋流器內物料在離心力場和下錐角處的干擾力的作用下實現(xiàn)分級分離，通過溢流管直徑和插入深度的調節(jié)可以獲得不同的產(chǎn)品，同心嵌套的雙溢流管結構可獲得兩種產(chǎn)物，確保內溢流管物料的純凈，減少了短路流的污染。

(3)雙溢流水力旋流器內溢流管插入深度可以在線調節(jié)，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求可以獲得不同粒級產(chǎn)品。

(4)雙溢流水力旋流器改變了傳統(tǒng)水力分級旋流器的結構，對其內部流場產(chǎn)生了一定的影響，今后有待于對內部力場做進一步研究。

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