深錐形槽體對(duì)細(xì)粒煤干擾沉降分級(jí)實(shí)驗(yàn)研究

史長亮，王勝楠，馬　嬌 ，王飛躍，趙繼芬

(1.河南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省礦產(chǎn)資源綠色高效開采與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；3.昆山浩興電子科技有限公司，江蘇 昆山 215300)

0　引　言

隨著我國采煤機(jī)械化程度的不斷提高、地質(zhì)條件的不斷惡化、高灰難選細(xì)粒煤的比例不斷增加[1-2]，在選煤工業(yè)中，一般把粒度介于0.3～3 mm難以通過浮選方法進(jìn)行分選的細(xì)粒煤稱為粗煤泥[3-4]。粗煤泥能否高效分選仍是影響現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中的難點(diǎn)。分級(jí)作為分選的基礎(chǔ)，目前廣泛使用的水力分級(jí)旋流器[5-6]，并不是嚴(yán)格按照粒度進(jìn)行分級(jí)，存在“底流夾細(xì)、溢流跑粗”的現(xiàn)象，分級(jí)效率偏低，影響分選[7-10]。因此，能否實(shí)現(xiàn)有效的細(xì)粒煤精確分級(jí)，是粗煤泥分選和利用成敗的技術(shù)關(guān)鍵。

王祥等[11]研發(fā)雙側(cè)溢流排料螺旋分級(jí)機(jī)。曾尚林等[12]提出的HL型水力分級(jí)機(jī)。位革老等[13]結(jié)合分級(jí)用旋流器和分選用旋流器的特點(diǎn)，提出了一種復(fù)合型煤泥旋流器。田忠坤[14]結(jié)合水力分級(jí)旋流器和粗煤泥干擾床分選機(jī)的特點(diǎn)，提出了一種MJXJ型粗煤泥分級(jí)分選機(jī)。Lewis[15]研究發(fā)明了水力分級(jí)機(jī)和丹麥FLSMIDTH(史密斯)公司[16]研發(fā)了The Krebs Gmax Cyclone。于進(jìn)喜等[17]對(duì)比分析了粗煤泥分選設(shè)備的特點(diǎn)、分選效果和適用范圍，得出結(jié)論：基于徑向速度差為原理的螺旋流進(jìn)行分級(jí)，需要較高入料壓力，增加了細(xì)粒煤過粉碎的概率，且并不嚴(yán)格按照粒度進(jìn)行分級(jí)[18-20]；基于干擾分選原理的設(shè)備處理能力大，受煤質(zhì)影響小，分選效率高，有效分選密度范圍寬，具有較好的發(fā)展前景。因此，筆者以干擾沉降分級(jí)為原理進(jìn)行粗煤泥分級(jí)樣機(jī)設(shè)計(jì)，提出無動(dòng)力源的“圓柱+深錐形”兩段腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過PLC編程自動(dòng)控制入料流量、水流量、底流排放量，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行，以期降低產(chǎn)物的錯(cuò)配量、解決實(shí)際生產(chǎn)過程粗煤泥分選難題。

本文重點(diǎn)通過煤泥分級(jí)實(shí)驗(yàn)的開展，探討深錐形干擾沉降分級(jí)機(jī)分級(jí)參數(shù)(頂水給入形式、頂水給入量、給料濃度、給料速度) 對(duì)細(xì)粒煤分級(jí)效率的影響，確定該設(shè)備的最佳分級(jí)參數(shù)，為新型分級(jí)機(jī)的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)條件

1.1　試樣

實(shí)驗(yàn)用煤取自河南煤化焦煤集團(tuán)演馬礦選煤廠的落地末煤，<1.0 mm原煤質(zhì)量特征及粒度組成見表1和表2。由表1和表2數(shù)據(jù)可以判斷：試樣屬低硫、低中灰、高強(qiáng)度、難磨碎；不同粒級(jí)灰分差別較小、可作為級(jí)配摻和使用；<0.074 mm細(xì)顆粒含量為24.33%，全粒級(jí)實(shí)驗(yàn)將增加分級(jí)過程的泥化程度，對(duì)分級(jí)效果影響較大。

表1　實(shí)驗(yàn)用煤質(zhì)量特征分析表

表2　實(shí)驗(yàn)用煤篩分實(shí)驗(yàn)表

1.2　實(shí)驗(yàn)裝備

深錐形干擾沉降分級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(b)深錐型干擾沉降分級(jí)機(jī)的主機(jī)體外形近似于漏斗狀，上部為深錐體(上圓直徑400.00 mm,下圓直徑100.00 mm，圓錐體高度259.80 mm),下部為圓柱體(直徑100.00 mm)，入料從機(jī)體的中部入料井給入，粗顆粒從底部排料口排出，細(xì)顆粒從上部溢流槽以溢流排出。

圖1　水力分級(jí)系統(tǒng)及深錐形分級(jí)機(jī)

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

市場分級(jí)設(shè)備對(duì)粗煤泥分級(jí)粒度區(qū)間較為寬泛，為更加精確評(píng)判此設(shè)備對(duì)物料適應(yīng)范圍，考慮物料中粗細(xì)顆粒共存實(shí)際因素，以及煤泥中細(xì)粒煤泥化現(xiàn)象造成的極大干擾，本次實(shí)驗(yàn)是基于表2數(shù)據(jù)設(shè)定寬粒級(jí)、窄粒級(jí)混合入料的分級(jí)實(shí)驗(yàn)。寬粒級(jí)包括：A1級(jí)配，0.125～0.074 mm和1.0～0.5 mm；B1級(jí)配，0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm；C1級(jí)配，0.125～0.074 mm和0.5～0.25 mm。窄粒級(jí)混合入料包括：A2級(jí)配，0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm；B2級(jí)配，0.25～0.125 mm和0.5～0.25 mm；C2級(jí)配，0.5～0.25 mm和1.0～0.5 mm。

1.4　評(píng)價(jià)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用分級(jí)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式見式(1)～(3)。

η=Ec+Ef-100%

(1)

(2)

(3)

式中：η為分級(jí)效率，%；Ec為粗粒物正配效率，%；Ef為細(xì)粒物正配效率，%；ru為底流產(chǎn)物產(chǎn)率，%；uc為底流產(chǎn)物粗粒物含量(占本級(jí))，%；Fc，r為計(jì)算入料中粗粒物含量，%；Ff，r為入料中細(xì)粒物含量，%；uf為底流產(chǎn)物中細(xì)粒物含量(占本級(jí))，%。

2　結(jié)果與討論

2.1　頂水給入形式的影響

實(shí)驗(yàn)考察在頂水給入量為0.01 m3/s，給料速度為0.50 m/s，礦漿濃度為40%時(shí)，3種頂水形式對(duì)不同級(jí)配試樣分級(jí)效率η的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　不同頂水給入形式對(duì)分級(jí)效率影響

圖2表明，底部頂水+中部頂水的給水方式下細(xì)粒煤的分級(jí)效率在整體上均優(yōu)于單獨(dú)的底部給水或中部給水；因?yàn)榭刂茝牟煌恢梅謩e給水，可使得細(xì)粒間的團(tuán)聚和粗細(xì)顆粒之間的夾雜明顯減少，從而提高分級(jí)效率。同時(shí)，寬粒級(jí)混合入料(A1級(jí)配，B1級(jí)配，C1級(jí)配)的分級(jí)效率整體上要優(yōu)于窄粒級(jí)混合入料(A2級(jí)配，B2級(jí)配，C2級(jí)配)的分級(jí)效率，平均分級(jí)效率提高約23%。分級(jí)效率的峰值出現(xiàn)在B1級(jí)配給料方式、谷值出現(xiàn)在A2級(jí)配給料方式，即0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm兩個(gè)粒級(jí)的級(jí)配利于分級(jí)過程的進(jìn)行，0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm兩個(gè)粒級(jí)的級(jí)配不利于分級(jí)過程進(jìn)行。分析原因如下：粒級(jí)級(jí)配中細(xì)顆粒的出現(xiàn)會(huì)在分級(jí)過程出現(xiàn)細(xì)泥效應(yīng)，使得溢流和底流中出現(xiàn)了較多的錯(cuò)配，從而降低分級(jí)效率。

2.2　底部和中部給水量不同比值的影響

流量配比即為底部與中部給水量比值。控制頂水給入為底部和中部同時(shí)給水，頂水(底部+中部)流量總的大小限定為0.01 m3/s，底部和中部給水流量的比值分別為1∶1、2∶1、1∶2，在給料速度為0.50 m/s，礦漿濃度為40%，不同比值的底部和中部給水的流量大小對(duì)分級(jí)效率η的影響見圖3。

圖3　底部和中部流量配比對(duì)分級(jí)效率影響

圖3反映出在控制總的頂水流量前提下，底部和中部水流量不同配比對(duì)分級(jí)效率影響不大；寬粒級(jí)混合入料分級(jí)效率整體上同樣優(yōu)于窄粒級(jí)混合入料的分級(jí)效率；且寬粒級(jí)混合入料之間的分級(jí)效率差別較大，其中以 A1級(jí)配( 0.125～0.074 mm和1.0～0.5 mm兩個(gè)粒級(jí)混合)時(shí)因細(xì)泥效應(yīng)的出現(xiàn)，分級(jí)效率較低，而B1級(jí)配和C1級(jí)配的入料方式進(jìn)行時(shí)，分級(jí)效率較高，分別為60.26%和44.19%。

2.3　給料速度的影響

控制總的頂水給入量為0.01 m3/s(底部與中部為2∶1的流量配比)，在礦漿濃度為40%，給料速度分別為0.20 m/s、0.50 m/s、0.80 m/s和1.10 m/s時(shí)，分級(jí)效率η變化見圖4。

圖4表明，不同給料速度影響下，分級(jí)效率差別較大，最大值為65.02%，最小值為20.18%，給料速度取最小為0.20 m/s的分級(jí)效率最高，給料速度取最大1.10 m/s的分級(jí)效率最低。因?yàn)榻o料較慢可以保證煤泥顆粒在分級(jí)機(jī)內(nèi)進(jìn)行充分沉降，而給料速度較快，受到的上升水流的沖擊力較大，一些顆粒還沒有進(jìn)行充分沉降就被溢流或底流帶出，導(dǎo)致分級(jí)效率低下。在1.10 m/s速度下，不同混料方式的平均分級(jí)效率僅為27.12%。但實(shí)際生產(chǎn)過程中如果給料速度過低，則分級(jí)設(shè)備單位時(shí)間處理量降低，并不利于生產(chǎn)進(jìn)行，以降低給料速度來提高分級(jí)效率的做法是不可取的。因此，權(quán)衡入料速度為0.50 m/s較合適。

2.4　給料礦漿濃度的影響

控制總的頂水給入量0.01 m3/s(底部與中部為2∶1的流量配比下)，在給料速度0.50 m/s，不同礦漿濃度為20%、40%和60%時(shí)對(duì)細(xì)粒煤分級(jí)效率η的影響結(jié)果見圖5。

圖4　不同給料速度對(duì)分級(jí)效率影響

圖5　不同礦漿濃度對(duì)分級(jí)效率影響

圖5表明，在給料速度一定時(shí)，較低的給料礦漿濃度因減少細(xì)顆粒之間的團(tuán)聚和粗細(xì)粒之間的夾雜概率，利于充分分級(jí)。對(duì)不同混料方式的影響，礦漿濃度為20%和40%時(shí)，寬粒級(jí)混料的分級(jí)效率整體上優(yōu)于窄粒級(jí)混料，而當(dāng)給料礦漿濃度為60%時(shí)，寬粒級(jí)混料的分級(jí)效率和窄粒級(jí)混料的分級(jí)效率差別不大，但分級(jí)效率較低，分級(jí)效率均值僅為25.82%。分析原因如下：在一定的顆粒組成下，顆粒的干擾沉降速度隨著入料濃度的增加而減小(入料濃度大，流體的粘滯性增強(qiáng)，介質(zhì)阻力增大，顆粒的干擾沉降速度下降)，導(dǎo)致了較多的顆粒的進(jìn)入到溢流中，粗顆粒的錯(cuò)配量增加，此時(shí)分級(jí)效率低下。因此，權(quán)衡適宜的給料礦漿濃度為40%，但受其他影響因素較明顯。

3　結(jié)　論

基于新型深錐形干擾沉降分級(jí)機(jī)，通過對(duì)頂水給入形式、底部中部頂水給入配比、給料速度以及給料濃度4個(gè)單因素對(duì)不同混合粒級(jí)細(xì)粒煤分級(jí)實(shí)驗(yàn)研究，得出如下主要結(jié)論。

1) 不同影響因素下，寬粒級(jí)入料的分級(jí)效率整體上優(yōu)于窄粒級(jí)入料的分級(jí)效率。寬粒級(jí)對(duì)比中B1級(jí)配(即0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm兩個(gè)粒級(jí))分級(jí)效率最高，分級(jí)效率接近65%，較A1級(jí)配、C1級(jí)配對(duì)應(yīng)分級(jí)效率差別不大；窄粒級(jí)對(duì)比中A2級(jí)配(即0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm兩個(gè)粒級(jí))分級(jí)效率最高，分級(jí)效率接近30%，較B2級(jí)配、C2級(jí)配對(duì)應(yīng)分級(jí)效率差別較顯著。

2) 新型深錐形干擾沉降分級(jí)機(jī)采用底部中部頂水方式，在較低的給料速度及給料濃度條件下更有利于細(xì)粒煤的分級(jí)，但過低的給料速度和給料濃度會(huì)極大降低實(shí)際生產(chǎn)過程的處理量，因此,選取給料速度0.50 m/s、給料濃度40%較為合適。

3) 本文基于深錐形干擾沉降分級(jí)機(jī)的細(xì)粒煤分級(jí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究有助于提高選煤廠粗煤泥分選精度，減少“底流夾細(xì)、溢流跑粗”現(xiàn)象發(fā)生概率。

[1]申寶紅，雷毅.我國煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].煤礦開采，2011，16(3)：4-7.

[2]張鵬，陳建中，沈麗娟，等.選煤廠選煤工藝設(shè)計(jì)探討[J].煤炭工程，2006(12)：25-27.

[3]崔廣文，劉惠杰，楊碩，等.粗中煤泥分選的試驗(yàn)研究[J].選煤技術(shù)，2008(4)：36-38.

[4]符福存，周偉，閆欽運(yùn)，等.煤泥分選技術(shù)現(xiàn)狀分析及展望[J].潔凈煤技術(shù)，2015，21(3)：28-31．

[5]DUAN Chenlong，YUAN Wenchao，CAI Luhui，et al.Characteristics of fine coal beneficiation using a pulsing air dense medium fluidized bed[J].Powder Technology，2015，283：286-293.

[6]ZHAO Yuemin， DONG Liang， CAI Luhui， et al. Fine Coal

Beneficiation with the Application of a Pulsing Air Dense Medium Fluidized Bed[M]∥Stefan V?th.Emergency Braking of Fast Running Coal Handling Gantry Hoists.2016:1107-1112.

[7]謝彥君，李延鋒，徐世輝，等.粗煤泥TBS分選高灰細(xì)泥去向及脫泥研究[J].煤炭工程，2012，44(5)：101-104.

[8]倪超，謝廣元，蔣兆桂，等.煤泥“2+2”分選工藝的問題分析及優(yōu)化試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013，38(11)：2035-2041.

[9]CHEN Youliang.Low Density Coarse coal Slime Separation with Teetered Bed Separator[C]∥2015 6th，International Conference on Manufacturing Science and Engineering.Atlantis Press，2015.

[10]LIU Yi，LU Haifeng，GUO Xiaolei，et al.The influence of fine particles on bulk and flow behavior of pulverized coal[J].Powder Technology，2016，303：212-227.

[11]王祥，周興龍，張曉明.螺旋分級(jí)機(jī)溢流排礦方式的改進(jìn)[J].金屬礦山，2011(4)：123-125.

[12]曾尚林，曾維龍.HL型水力分級(jí)機(jī)的開發(fā)及試驗(yàn)研究[J].有色金屬：選礦部分，2011(S1)：267-270.

[13]位革老，劉文禮，梁鵬飛，等.復(fù)合型煤泥旋流器流場模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(1)：145-149.

[14]田忠坤.一種粗煤泥分級(jí)分選設(shè)備的研制[J].中國礦業(yè)，2012，21(1)：99-102，106.

[15]ROBERT Moore Lewis.Lewis hydrosizer-simple solution to a common problem[J].Mining Congress Journal，1982，68(4)：29-361.

[16]HONAKER R Q，SINGH N.Application of dense-medium in an enhanced gravity separator for fine coal cleaning[J].Minerals Engineering，2000，13(4)：415-415.

[17]于進(jìn)喜，劉文禮，姚嘉胤，等.粗煤泥分選設(shè)備及其特點(diǎn)對(duì)比分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38(7)：114-117.

[18]韓恒旺，李炳才，訾濤，等.粗煤泥分選設(shè)備及分選工藝研究[J].潔凈煤技術(shù)，2011，17(2)：12-14．

[19]陳宣辰，謝廣元，徐宏祥.粗煤泥精選工藝及其設(shè)備對(duì)比[J].潔凈煤技術(shù)，2009，15(3)：27-29．

[20]BU Xiangning，NI Chao，XIE Guangyuan，et al.Preliminary study on foreign slime for the gravity separation of coarse coal particles in a teeter bed separator[J].International Journal of Mineral Processing，2017，160：76-80.