淺槽重介質分選機重介懸浮液流量的計算

劉遠力,陳 文,伍潤保,胡志國

(株洲天橋舜臣選煤機械有限責任公司，湖南 株洲 412007)

淺槽重介質分選機重介懸浮液流量的計算

劉遠力,陳 文,伍潤保,胡志國

(株洲天橋舜臣選煤機械有限責任公司，湖南 株洲 412007)

從物料在分選機中的運動狀態分層假設出發，結合分選機結構參數和工藝參數，引入水力學公式，提出了一種淺槽重介質分選機重介懸浮液所需流量的計算方法。計算數據與生產經驗數據的對比表明，計算方法可行。

淺槽重介質分選機；重介懸浮液；流量 ；薄壁堰；入料上限

自上世紀90年代平朔安太堡選煤廠從國外引進第一臺淺槽重介質分選機以來，淺槽重介質分選機以其分選效率高、處理能力大、適應性強、噸煤介耗小、次生煤泥量低等優點在我國得到了廣泛認可[1]。近幾年，國內科研院所和制造企業通過20多年的探索和研究，研制出了具有我國自主知識產權的淺槽重介質分選機，在國內近百家選煤廠的應用實踐表明，國產設備性能已經達到國外產品同等水平。但是，國內對于淺槽重介質分選機工藝參數的研究缺少精確的理論依據，因此無法有效指導其推廣應用。生產實踐表明，在淺槽重介質分選機工藝參數中，重介懸浮液流量的確定對于淺槽重介質分選機的選煤廠設計和生產管理具有重要意義。GB 50359—2005《煤炭洗選工程設計規范》根據國外產品在我國一些廠家的使用經驗，確定采用懸浮液流量為每米槽寬約175～200 m3/h。實際上，影響淺槽重介質分選機重介懸浮液流量選擇的因素是復雜的，其中分選機的結構參數、工藝參數、原料性質對流量的影響均較顯著。為此，從分析礦粒在分選機中的運動狀態入手，利用重力選礦理論和流體力學理論將分選機結構參數、原料性質、懸浮液性質、分選效果等因素進行綜合考慮，對淺槽重介質分選機所需重介懸浮液的流量確定進行了探討。

1 工作原理

淺槽重介質分選機是重力分選設備，主要依據浮沉原理實現低密度煤和高密度矸石的分選[2]。分選機內的懸浮液是通過兩個部位給入：一是下部給入的上升流，約占10%～20%，通過布流板進入槽內，使其分散均勻。上升流具有保持懸浮液穩定、均勻及分散入料的作用；二是側面給入的水平流，約占80%～90%，通過布料箱的反擊和限制，可使水平流全寬、均勻地進入槽內。水平流的作用是保持槽體上部懸浮液密度穩定，同時形成由入料端向排料端的水平介質流，對上浮精煤起輸送作用。當入料煤進入淺槽重介質分選機分選槽后，在調節擋板作用下全部浸入懸浮液中開始分層；精煤等低密度物浮在上層，矸石等高密度物沉到槽底；在下沉過程中，與矸石混雜的低密度物在上升流的作用下充分分散后繼續上浮；在水平流作用下，浮在上部的低密度物由排料溢流口排出成為精煤產品；在刮板作用下，沉到槽底的高密度物由機頭溜槽排出成為矸石產品，從而完成分選過程。淺槽重介質分選機分選原理示意如圖1所示。

圖1 淺槽重介質分選機分選原理示意圖

2 工作斷面分層假設探討

根據物料在淺槽重介質分選機中受上升流、水平流、刮板運動等因素的影響，提出了其工作斷面分層假設，可將斷面分為圖1中所示的穩流層、分選層和紊流層。

(1)穩流層是指溢流堰上溢流高度以上區域(H)。穩流層物料已經過充分分選，輕產物隨溢流重介懸浮液排出，此處要求水平流速度平穩，以保證分選好的輕產物及時排出，如流速過快，可造成“短路”，使未來得及分選的物料直接進入溢流。

(2)分選層是指紊流層和穩流層之間區域(P)。分選層是物料最主要的分選區域，物料和水平流的固液混合物穿過穩流層進入分選層進行分選，低于分選密度的物料進入穩流層，高于分選密度的物料進入紊流層。為保證分選效果，固液混合物速度不可太快，此時可通過調節板來進行微調，但最重要的是要選擇合適的流量。

(3)紊流層是指刮板槽箱斷面區域(P1)。紊流層是上升流、刮板以及部分物料和水平流固液混合物復合作用的區域。當上升流的曳力與重力平衡時，分選槽內的物料即可實現按密度分選[2]。由于沉物矸石在運輸過程中存在有由機尾向機頭的漸進過程，向前逐步增加了槽體中懸浮液單位體積濃度，因此在穩定局部懸浮液的前提下將前部漏斗上升流曳力調節得比機尾漏斗上升流曳力略大，可減少因局部固體濃度過大而造成的干擾沉降的發生，提高上升流漏斗垂直方向上各自分選帶的分選效果[3-4]。刮板運行速度的選擇在滿足矸石及時排出的前提下越慢越好。

3 重介懸浮液流量的理論計算

3.1 輕產物排出所需溢流高度的確定

分配曲線上分配率為50%處的密度稱為分配曲線的實際分選密度[2]，此時進入輕重兩種產物中的機會均等，各為50%。

根據阿基米德原理，當物體的重量與所受浮力相等時，物體可潛沒于液體中的任意位置而保持平衡[5]。在淺槽重介質分選機中，密度與分選密度相同的物料將潛沒于液體中的任意位置而保持平衡。由實際分選密度的定義可知，等于分選密度的物料進入輕產品中的可能性為50%，要保證這部分物料能越過溢流堰進入輕產品中，溢流堰頂溢流高度要達到或大于該類物料的重心高度。

為便于分析，設等于分選密度的物料為理想狀態的均質正方體，因在自由懸浮狀態下其重心高度是同質不同形狀物料中最高的[6]，所以如正方體物料能越過溢流堰進入輕產物，則同粒度或小于該粒度級的其他形狀物料均可成為輕產物。

例如：當目標分選粒度為200 mm時(圖1)，理論上堰頂溢流高度要≥100 mm，考慮到重介淺槽中上升流的作用以及分選物料不是完全均質的，根據實際生產中的經驗數據，所需溢流高度達到95 mm即可。

3.2 所需流量的計算

3.2.1 淺槽排料堰流與薄壁堰的符合性判斷

無壓緩流經障壁溢流時，上游發生壅水，然后水面降落，這一局部水流現象稱為堰流，障壁稱為堰，表征堰流的特征量有：堰寬b，堰前水頭H，堰頂厚度δ和它的剖面形狀，堰上游坎高p，行近流速v0等，如圖2所示。

圖2 矩形薄壁堰示意圖

根據堰流的水力特點，當δ/H<0.67時稱為薄壁堰，堰頂厚度不影響堰流的性質；當上游渠道寬B大于堰寬b時稱為側收縮堰；當B=b時稱為無側收縮堰；當下游水深足夠小，不影響堰的過流能力時，稱為自由式堰流[7]。

淺槽重介分選機的排料堰流的特征是：堰頂厚度約為15 mm，堰前水頭H約為95 mm，δ/H=0.15<0.67，選煤工藝設計布局合理時，排料溢流通暢，不受其他影響。因此，淺槽重介分選機的排料堰流屬于自由溢流的無側收縮矩形薄壁堰。

自由溢流的無側收縮矩形薄壁堰流量Q可采用式(1)計算：

(1)

式中：m0為流量系數，可采用雷布克公式(1912)進行計算[7]：

(2)

式(2)適用范圍為:0.1 m

3.2.2 理論計算實例

考慮到設備型號不同排料寬度也不相同，引入每米排料寬度流量常用指標：

(3)

堰寬b取決于淺槽重介質分選機的型號，上游堰高P一般約為765 mm(淺槽槽底至溢流堰鋼板立面高約為1 245 mm，圖1中P1高度480 mm，兩者相減得P=765 mm)；因行近流速v0水頭較小，在槽體內水頭降低很小，計算時用堰頂溢流高度代替H；g取9.8 m/s2。

(1)當目標分選粒度為200 mm時，取堰前水頭H=95 mm，則有：

=0.054 m3/(m·s)=194.4 m3/(m·h)。

(2)當目標分選粒度為150 mm時，取堰前水頭H=72 mm,則有：

m0=0.418;

=0.036 m3/(m· s)=128.6 m3/(m· h)。

上述目標分選粒度是指分選物料是理想狀態的單一粒度,或者是分選物料中沒有比該粒度更大的顆粒。由此可以看出,重介淺槽分選機所需重介懸浮液流量Q與溢流寬度b(b是重介淺槽分選機的處理量最主要決定因素)和分選粒度(2H)的大小直接相關。

3.2.3 理論計算與生產實際的符合性驗證

自由溢流的無側收縮矩形薄壁堰主要用作水利工程中的量水設備[7]，因此參照相關原理和公式進行淺槽重介分選機所需重介懸浮液流量的計算在理論上是可靠的。

入料上限(入料最大粒度)是以物料中95%能通過的篩孔尺寸所確定的[9]，也即物料中有約為5%的顆粒大小會超過入料上限尺寸。在生產中為了保證精煤產品的回收率和排料的暢通，流量選擇一般要大于理論計算所需流量。

例如，當要求入料上限為150 mm時，按上述目標分選粒度為200 mm時，理論計算需要的懸浮液流量為194.4 m3/(m·h)，與各淺槽重介分選機制造廠家根據生產實際總結出來的選型表中推薦的額定流量基本吻合。

重介懸浮液最大流量的選擇可通過對分選物料中最大粒級進行進一步篩分試驗，以掌握這部分占分選物料5%含量的粒度組成情況，并以H等于目標粒度的1/2，參照式(3)計算確定，最終得出該煤質情況下最合適的重介懸浮液流量。

在實際生產中，刮板運輸機上重產物會帶走部分懸浮液，但在刮板速度選擇合適時，此量較小，可忽略不計。

從以上計算情況可知，在流量滿足與分選密度相同的粗顆粒有50%機率進入輕產品的情況下，與分選密度一致的細顆粒進入輕產品的機會得到了很大提高，再加上懸浮液粘度等因素的影響，在寬粒度級分選的情況下，淺槽重介質分選機實際分選密度比選擇的懸浮液密度要高。從實際經驗來看，約高0.02～0.08 kg/L，這是淺槽重介質分選機的流量選擇后的“系統誤差”。但在進入淺槽重介質分選機物料的粒度組成和重介懸浮液性質相對穩定的情況下，淺槽重介質分選機的分選精度仍然能得到保證。

4 結語

通過對淺槽重介分選機和主要用作水利工程中量水設備的自由溢流無側收縮矩形薄壁堰的符合性研究判斷，引入水力學相關公式對淺槽重介分選機所需重介懸浮液流量進行理論計算，實例計算結果得到了選煤廠實際生產經驗的驗證。該法為選煤廠設計和生產操作較為準確的重介懸浮液流量計算提供了方法，對選煤廠的精細化管理具有積極作用。

[1] 黃亞飛，齊正義，徐春江，邵景君.淺槽刮板重介質分選機流場試驗研究[J].選煤技術，2012(6):27-32

[2] 謝廣元.選礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社，2010:148-301.

[3] 張信龍，龐鼎峰，候晉兵，等.長豐礦選煤廠的設計特點[J].潔凈煤技術，2013,19(1)：16-20.

[4] 杜穎峰.淺槽分選機上升流工藝的優化改造[J].潔凈煤技術，2013,19(4):8-11.

[5] 陳貴鋒.選煤[M].北京：化學工業出版社，2010：66-67.

[6] 張光偉.工程力學[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007:69-70.

[7] 黃儒欽.水力學[M].成都：西南交通大學出版社，2006:130-134

[8] 谷 欣.水力學[M].鄭州：黃河水利出版社，2012:111-112.

[9] 煤炭行業職業技能鑒定指導中心.采制樣工[M].北京:煤炭工業出版社，2005:6-7.

Calculation method of the flow of dense medium suspension of H.M. vessel

LIU Yuan-li，CHEN Wen，WU Run-bao，HU Zhi-guo

(Zhuzhou Tianqiao Shunchen Coal Preparation Machinery Co., Ltd., Zhuzhou，Hunan 412007，China)

Assuming that layered materials can remain motion in H.M. vessel, based on structure and technological parameters of H.M. vessel, a calculation method of the flow of dense medium suspension of H.M. vessel is proposed using hydraulic formula. Through comparing calculating data with production ones, the calculation formula can be used, and the calculation method is feasible.

H.M. vessel；dense medium suspensions；flow；thin plate weir；top size

TD942

A

1001-3571(2015)04-0023-03

2015-05-01

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.006

劉遠力(1970—)，男，湖南省株洲市人，工程師，從事選煤設備研發和技術管理工作。

E-mail：736193537@qq.com Tel:13975311520