激光粒度分析儀在霧化跌落式煤漿預處理器研發中的應用

王海艷，張玉磊,許成譜，郭建偉，王登輝，吳大為

(北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

激光粒度分析儀在霧化跌落式煤漿預處理器研發中的應用

王海艷，張玉磊,許成譜，郭建偉，王登輝，吳大為

(北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

闡述了激光粒度分析儀的工作原理，并介紹了測試系統組成。首次采用激光粒度分析儀對霧化跌落式煤漿預處理器所產生的浮選劑霧滴直徑進行了測試研究，考察了其霧化裝置的工作效果，以為其大型化提供設計依據。

浮選；煤漿預處理器；激光粒度分析儀；霧滴直徑；噴嘴直徑

煤漿預處理是浮游選煤工藝中必不可少的環節，它的主要作用是將入浮煤漿稀釋到合理的濃度范圍，使浮選劑充分分散，并將分散的浮選劑良好地混合到入浮煤漿中，同時為浮選劑與煤泥提供一定的作用時間。煤漿預處理只有做到以上幾點才能充分發揮浮選劑的作用，這是浮選設備獲得良好的技術經濟指標的先決條件。跌落式煤漿預處理器是近年來興起的一種新型、高效的煤漿預處理設備，它通過風動噴射式霧化裝置將浮選劑霧化，混有浮選劑霧滴的煤漿在跌落箱體內流動的過程中，越過每根坎條時不斷躍起和跌落，從而實現煤漿與浮選劑的充分混合，并使粗細煤粒與浮選劑霧滴有不同的混合時間。

浮選劑在煤漿中的分散均勻與否與其油滴直徑有關，液滴數目與其直徑的3次方成反比，液滴比表面積與其直徑成反比。霧化裝置是跌落式煤漿預處理器[1-2]的核心部件，擔負著將浮選劑霧化成微米級粒徑的作用，它產生的霧滴直徑是其工況的具體體現。隨著采煤機械化程度的提高，原煤中的煤泥量不斷上升，煤用浮選機正逐步向大型化趨勢發展，因此迫切需要與之配套的大型跌落式煤漿預處理器。為此，首次采用激光粒度分析儀對跌落式煤漿預處理器霧化裝置所產生的浮選劑霧滴直徑展開了測試研究，以考察霧化裝置的工作效果，從而為其大型化提供設計依據。

1 激光粒度分析儀

1.1 測試原理

激光粒度分析儀[4]采用信息光學原理，通過測量顆粒群的散射譜來分析顆粒群的粒度分布。該儀器由主機和計算機兩部分組成：主機內含光學系統、信號采集處理系統；計算機完成數據處理并顯示、打印測試結果。主機與計算機由標準串行通訊口連接。工作時，來自激光器的激光束經濾光、擴束、濾波，經準直透鏡變成平行光線后照射到測試區；測試區中的待測霧滴在激光的照射下產生散射譜，散射譜的強度及其空間分布與被測霧滴的大小及分布有關，散射譜經透鏡再次匯聚后，被位于透鏡后焦面上的光電陣列探測器所接收；接收的光信號被轉換成電信號后，經放大和A/D轉換，由通訊口送入計算機進行反演運算和數據處理，進而給出被測霧滴的大小、分布等參數，并經屏幕顯示或打印機打印輸出。激光粒度分析儀工作原理框圖如圖1所示。

圖1 激光粒度分析儀工作原理框圖Fig.1 Working principle diagram of laser particle size analyzer

需要注意的是，在選煤領域采用直徑分布的統計方式來計算煤粒平均直徑。由于跌落式煤漿預處理器產生的霧團是由大小不等的霧滴所組成的集合體，因此在霧化科學研究領域是用體積分布的統計方式來計算它們的平均直徑。

1.2 試驗系統

試驗系統主要由氣泵、霧化裝置、激光粒度分析儀、電腦等組成，如圖2所示。

1—壓力表；2—噴射式霧化器；3—加藥漏斗圖2 試驗系統圖Fig.2 Diagram of testing system

激光粒度分析儀發射端和接收端位于整個噴霧器的下方；電腦與激光粒度分析儀接收端用數據線相連接；氣泵與噴霧器通過風管連接，且中間設有球閥，用以調節壓力的大小。

試驗時，壓縮空氣從氣泵經過風管到達噴霧器；浮選劑從加藥漏斗添加后，在高速噴射流的裹卷和剪切作用下，分散成直徑為微米級的霧滴；激光粒度分析儀位于噴霧器下方，其發射端發射激光信號，激光穿過霧團，并最終被接收端接收，光電陣列探測器隨之將其轉化成電信號，經數據線傳輸到電腦，由電腦完成數據的統計和處理。

2 測試結果分析

首次研究工作是在淮北臨渙選煤廠展開的[3]。臨渙選煤廠浮選生產采用的是煤泥兩級浮選工藝，主要浮選設備是FCA型霧化跌落式煤漿預處理器(圖3)和噴射式浮選機。在生產中，煤漿預處理器實際浮選劑霧化量為40 kg/h。但是隨著選煤技術的發展，浮選機的大型化，實際浮選劑霧化量需要增加至120 kg/h左右。因此，通過激光粒度儀測試霧滴直徑可進一步了解風動噴射式霧化器的結構參數(噴嘴直徑)和工作參數(風壓、浮選劑霧化量)對煤漿預處理器工作效果的影響規律，為其大型化提供依據。

測試工作于2014年5月進行的，所用的浮選劑為0#輕柴油(密度0.84 kg/L)，選用了三種不同直徑大小(并且D3

2.1 霧滴平均直徑d與風壓P的關系

該試驗是在噴射式霧化器噴嘴直徑為D1的結構參數條件下進行的，在保持浮選劑霧化量T相同的條件下，通過調整霧化器的工作參數——風壓P值(0.06、0.08、0.10、0.12、0.15 MPa)，測試霧化時產生的浮選劑霧團的平均直徑。測試結果見表1和圖4。

1—風動噴射式霧化器；2—控制閥門；3—壓力表；4—加藥漏斗；5—溢流槽；6—上滑板；7—下滑板；8—坎條圖3 FCA型霧化跌落式煤漿預處理器結構示意圖Fig.3 Structure diagram of FCA type spray drop preprocessor of coal pulp

表1 霧滴平均直徑和風壓的回歸方程Table 1 Regression equation of wind pressure and average droplet diameter

圖4 霧滴平均直徑和風壓的回歸方程線Fig.4 Regression equation curves of wind pressure and average droplet diameter

從測試結果可以看出：

(1)隨著霧化器工作風壓的增加，噴嘴所形成的氣流速度加大，其剪切力增強，霧滴平均直徑相應減小，風壓P與霧滴平均直徑d的負相關關系極為顯著，其可靠性在95%以上。

(2)圖4中所示的三條直線是截距不同、斜率相近的斜直線，這表征在相同噴嘴直徑和浮選劑霧化量的情況下，風壓每增加0.01 MPa，霧滴平均直徑相應減小0.56 μm。

2.2 霧滴平均直徑d與霧化量T的關系

試驗是在噴射式霧化器噴嘴直徑為D1、D2的條件下進行的。在保持相同的風壓P的條件下，調整浮選劑霧化量，測試相應產生的霧團的平均直徑。測試結果見表2、圖5。

表2 霧滴平均直徑和浮選劑霧化量的回歸方程Table 2 Regression equation of flotation agent spray volume and average droplet diameter

從測試結果可知：

(1)將浮選劑霧化是需要外力做功的。在噴嘴直徑和風壓已固定的條件下，高速氣流剪切動能也已固定，那么隨著浮選劑添加量(霧化量)的增多，其霧滴平均直徑必然增大，所以霧化量與霧滴平均直徑的正相關也是顯著的。

圖5 霧滴平均直徑和浮選劑霧化量的回歸方程線Fig.5 Regression equation curves of flotation agent spray volume and average droplet diameter

(2)比較圖5中三條回歸方程線可知，風壓越大的越接近x軸線，這表征剪切動能越大，霧滴平均直徑就越小。

(3)與回歸方程線1相比較，回歸方程線4的風壓僅大0.01 MPa，但其噴嘴直徑卻增加了25%，這是由于剪切動能大幅度增大，霧滴平均直徑就會大幅度減小。

(4)四條回歸曲線具有近似的斜率，就其平均值而言，霧化量每增加10 kg/h,霧滴平均直徑增大近0.5 μm。

2.3 霧滴平均直徑d和噴嘴直徑D的關系

2.3.1D1直徑的噴嘴與D3直徑的噴嘴比較(D1=2.67D3)

圖6所示的是在相同的霧化量(45 kg/h)的條件下，采用不同直徑的噴嘴時霧滴平均直徑的比較。

圖6 噴嘴直徑為D1和D3時的霧滴平均直徑與風壓的回歸方程線Fig.6 Regression equation curves of wind pressure and average droplet diameter in the case of spray nozzle D1 and D3

從圖6可見，兩條霧化量皆為45 kg/h的回歸方程線盡管斜率相近，但在縱軸上的截距相差甚大。對于直徑為D3的噴嘴，當風壓提高到0.22 MPa時，霧滴平均直徑實測值接近12 μm；而直徑為D1的噴嘴，在風壓為0.12 MPa，霧滴平均直徑已低于12 μm。

當噴嘴直徑縮減了60%時，如不相應調整噴射式霧化器其他部位的尺寸，其結果自然是很差的。由于選煤廠的工作環境所限，壓縮空氣中不可避免含有少量塵絮、油垢，有可能將小直徑的噴嘴堵塞，所以在生產中不宜選用小直徑噴嘴。

2.3.2D1直徑的噴嘴與D2直徑的噴嘴比較(D1=0.8D2)

圖7所示的是在120 kg/h霧化量的條件下，采用不同直徑噴嘴時的霧滴平均直徑的比較。

由圖7可知，兩條霧化量均為120 kg/h的回歸方程線雖然斜率相近，但在縱坐標軸上的截距有較大差別。可用作圖法或回歸方程計算出當要求霧滴平均直徑≤12 μm時所需的風壓：直徑為D1的噴嘴為0.183 MPa；直徑為D2的噴嘴為0.095 MPa，前者近乎是后者的兩倍，并且產生壓縮空氣的能耗也要高一些。

從生產安全角度出發考慮，為滿足120 kg/h霧化量的大型煤漿預處理設備需要，其風動噴射式霧化器的噴嘴直徑應確定為D2是適宜的。

圖7 噴嘴直徑為D1和D2時的霧滴平均直徑與風壓的回歸方程線Fig.7 Regression equation curves of wind pressure and average droplet diameter in the case of spray nozzle D1 and D2

3 結語

綜上可見，在我國選煤領域首次采用激光粒度分析儀對浮選劑霧滴直徑進行的檢驗是成功的，通過該研究，初步掌握了風動噴射式霧化器的主要結構參數、工作參數和霧滴直徑影響的規律，取得了可靠性好的諸多回歸方程，以此可以做出較為準確的定量預測和分析比較，為大型霧化跌落式煤漿預處理器的研發提供了可靠的數據。但是，該試驗研究僅僅是個開始，今后還需要在以下幾個方面展開工作：

(1)針對不同密度、粘度的各類浮選劑進行測試，以了解它們的霧化特性。

(2)對一些典型入浮煤泥的表面特性和孔隙度進行深入研究，以制定浮選劑霧化的工作制度。

(3)對于各種工作原理和結構的霧化器進行詳盡測試，按照性價比原則，擇優選用。

[1] 吳大為.浮游選煤技術(修)[M].徐州：中國礦業大學出版社，2014：79-85.

[2] 張立華，周國亮,朱金波，等.煤漿預處理器的綜合評述[J].選煤技術，2011(5).

[3] 時令博.FCA2500型霧化-跌落式礦漿預處理器在淮北選煤廠中的應用[J].中國科技博覽,2014 (12).

[4] 吳新生. 河工模型量測與控制技術[M]. 北京：中國水利水電出版社，2010：79-80.

Application of laser particle size analyzer in the research of spray drop preprocessor of coal pulp

WANG Hai-yan，ZHANG Yu-lei，XU Cheng-pu，GUO Jian-wei，WANG Deng-hui，WU Da-wei

(Beijing Guohua Technology Group Ltd.，Beijing 101300，China)

Working principle of laser particle size analyzer is introduced as well as composition of its testing system. It is the first time to use this analyzer to study and measure diameter of flotation regent droplet produced by spray drop preprocessor of coal pulp in coal preparation industry of China,which is helpful to understand working result of this analyzer and will provide reference of designing large-scale device.

flotation; preprocessor of coal pulp; laser particle size analyzer; diameter of spray droplet; diameter of spray nozzle

1001-357(2015)02-0012-04

TD943

A

2015-03-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.004

王海艷(1984—)，女，安徽省宿州市人，工程師，碩士，從事選煤技術研究工作。

E-mail:why@ghkj.cn Tel:0315-5913455