末煤淺槽分選下限多因素分析及試驗研究

張立文 ，李國豐 ，周恩會 ，朱廣慶 ，張 博 ，3

（1.中國礦業大學化工學院，江蘇徐州 221116；2.神華集團包頭能源有限責任公司，內蒙古包頭 014030；3.北京礦冶研究總院礦物加工科學與技術國家重點實驗室，北京 102628）

重介淺槽分選技術因其具有分選粒級寬，對不同煤質適應性強以及分選效率高和次生煤泥少等優點而得到廣泛應用[1-3]，目前重介淺槽分選設備在神東、大同、潞安等各大礦企選煤廠均有應用[4-6]。現有淺槽分選技術一般不入選粒徑小于13 mm的末煤，這是因為現有淺槽分選技術處理末煤時往往面臨效率不高，降灰效果不明顯，以及管路易堵塞的問題[7]，內在原因是隨著入料下限減小，細顆粒含量增加，這些細顆粒通常需要較長的分離時間以及穩定的懸浮液體系。此外，細顆粒還會進入分選機底部，堵塞管路，致使末煤難以實現按密度分離[8]。然而末煤入選對于淺槽而言，不僅可以拓寬分選粒級，還可以最大程度回收精煤，減輕末煤處理負擔，降低介耗，簡化工藝流程，對于減少項目投資，提高企業經濟效益具有重要的影響[9-11]。尤其近年來煤炭市場疲軟，產品價格下跌，所以減小淺槽入料下限，提高產品質量，節約生產成本也就成為重介淺槽的應用商家提高經濟效益最重要的途徑之一[12]。

不連溝選煤廠[13]通過探索將淺槽入料粒度上限由13 mm減小到10 mm，李家壕選煤廠[14]進行了將粒度下限由6 mm減小至3 mm的工業試驗，紅慶梁選煤廠[15]也將入料粒度下限調整到6 mm。雖然目前已有不少的選煤廠將入料粒度下限調整至6 mm或更小，但對大部分選煤廠而言入料粒度下限依然停留在13 mm或25 mm[16-17]，這是因為減小重介淺槽入料粒度下限所帶來的問題至今沒有較為有效的解決方法。在本研究中，針對減小淺槽入料粒度下限的可行性以及操作參數最優范圍進行了理論分析與試驗研究，為實際工業生產提供理論參考。

1 試驗

分選試驗所用淺槽重介質分選系統如圖1所示，其中布水板開孔率為13%，孔徑為8 mm。試驗所采用的磁鐵礦粉真密度為4.5 g/cm3，粒徑小于0.074 mm的顆粒占80%以上，小于0.045 mm的顆粒占90%以上；入料末原煤粒徑為13～6 mm，其灰分（質量分數，下同）為16.84%。

圖1 淺槽重介質分選系統Fig.1 Heavy medium separation system of shallow vessel

上升水流在淺槽中主要起到穩定介質、維持分選室密度的作用。流速選擇依據主要有以下3點：1）流速可以維持懸浮液系統的穩定；2）不能阻礙入料顆粒的沉降，即上升水流不能增加錯配物含量；3）流速應為滿足上述條件下的最小值，以減小系統能耗。

顆粒在靜止懸浮液中的自由沉降末速度[10]為

式中，v0為沉降末速，m/s；ψ為阻力系數；ρ為懸浮液的密度，g/cm3；σ為入料固體顆粒密度，g/cm3；d為入料顆粒粒徑，mm；g為重力加速度，計算時取9.8 cm/s2。

而表征流體物理性質的雷諾數為

式中：v為流體速度，m/s；μ 為動力黏度，Pa·s。

由于阻力系數ψ是雷諾數Re的函數，同時，Re又是自由沉降末速的函數，因此，根據阻力系數ψ與Re的關系，將阻力區劃分為以下3種[11]。

斯托克斯公式（Re∈[0，0.5]）：

阿連公式（Re∈[30，300]）：

牛頓-雷廷智公式（Re∈[3000，1×105]）：

根據沉降公式計算磁鐵粉與矸石顆粒的沉降速度，其中矸石顆粒與磁鐵粉顆粒的密度分別取2.2、4.5 g/cm3，粒徑分別取 6、0.045 mm。

顆粒沉降速度與雷諾數的關系表如表1所示。對于粒徑為6 mm矸石顆粒（ρ=2.2 g/cm3）而言，假設其處于斯托克斯區域，那么其沉降末速所對應的雷諾數為1.4×105遠大于0.5。顯然，其沉降末速不屬于斯托克斯區域，依此進行計算，逐一排除后可以看出過渡區末端計算所得到的沉降末速在理論范圍內，即粒徑為6 mm矸石顆粒對應的沉降末速為0.06 m/s；同理可以看出，斯托克斯公式（Re≤0.5）適用于磁鐵礦粉顆粒的沉降，自由沉降末速為0.003 9 m/s。因為6 mm矸石顆粒（ρ=2.2 g/cm3）的自由沉降末速為0.06 m/s，所以為了防止細顆粒矸石透過布水板堵塞管路，綜合考慮磁鐵礦粉與矸石顆粒沉降末速，上升水流速度應大于0.06 m/s。

表1 顆粒沉降速度與雷諾數的關系表Tab.1 Relation between terminal velocity and reynolds numbers on particles

2 結果與分析

2.1 水平流與上升流速度比值對分選效果的影響

水平流和上升流對于顆粒分選時間和懸浮液穩定以及靜態懸浮液密度都有影響，在試驗中以水平流和上升流速度比值作為操作參數研究其對分選效果的影響，將該比值記為R。

不同懸浮液密度與上升水流速度的對應關系如表2所示。

表2 不同懸浮液密度與上升水流速度的對應關系Tab.2 Corresponding relationship between the different suspension densities and velocities of the rising water

以分選產品灰分離析度SA來評價分選效果，SA越大表明分選效果越好，其計算公式[12]如下：

式中，n表示產品數；Ai表示第i個產品灰分，%；A表示產品平均灰分，%。

圖2是不同懸浮液密度下水平流與上升流速度比值對灰分離析度的影響。在圖2中，SA越大表明浮物和沉物的灰分差距越大，產品錯配率越小；反之，SA越小表明產品灰分差距越小，產品錯配率較大，分選效果較差。

圖2 不同懸浮液密度下水平流與上升流速度比值對灰分離析度的影響Fig.2 Ash segregation of the ratios between different horizontal flow and rising water velocities under different suspension densities

由圖2可知，隨著速度比值R的增加，產品的灰分離析度逐漸減小。其中，對于密度為1.4、1.5 g/cm3的懸浮液，當R的值介于2.0～2.5之間時，產品灰分離析度下降平緩，說明R在該范圍內分選效果比較好；R超過2.5以后，SA下降趨勢加劇，分選效果急劇變差。對于密度為1.6 g/cm3的懸浮液，SA隨R的增大也呈下降趨勢，不同的是，對于1.6 g/cm3的懸浮液，R最佳的取值范圍為1.5～2.0；對于密度為1.7 g/cm3的懸浮液，整個區間的離析度SA都呈現快速下降趨勢，說明R為1.5～4.0時并不利于分選，這是因為水流量太大，顆粒分選時間不充分。

綜上可知，對于靜態密度為 1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3的懸浮液，最佳的水平流與上升流速度比值分別為2.0～2.5、2.0～2.5、1.5～2.0 和 1.5。

2.2 給料位置對分選效果的影響

圖3為不同懸浮液密度下給料位置對離析度的影響。其中，Hi表示給料位置距離布水板的垂直距離，mm；H0表示液面高度，mm；Li表示給料位置距離給料口的水平距離，mm；L0則為分選室的長度，mm。

由圖3可以看出，隨著給料位置靠近排料端，入料顆粒的灰分離析度呈減小趨勢。在圖3a中，ρ為1.4 g/cm3，Li/L0為0.1～0.3時，離析度在0.74左右。而當Li/L0大于0.3時，分選離析度逐漸減小，表明當入料在距給料端0.1～0.3范圍內，入料在淺槽系統中可以有效分選。而在不同懸浮液密度條件下，灰分離析度均隨著Li/L0的增加不斷減小，只是在圖3d中減小的趨勢變緩，表明懸浮液密度較大時，給料位置對于灰分離析度的影響不再明顯。總體而言，在Li/L0為0.1～0.3時，灰分離析度SA較大，分選效果較好；而在不同懸浮液密度條件下，當Hi/H0等于0.7時，灰分離析度偏大，分選效果較好。

圖4為不同懸浮液密度下給料位置對排料時間的影響。排料時間表示排料口明顯有物料排出與物料基本排完的時間差。

由圖4可知，在不同給料位置條件下，浮物產品到達溢流口的排料時間明顯不同。隨著給料位置靠近排料口，排料時間減少。當Li/L0為0.1～0.3時，大部分浮物產品排料時間在4～4.5 s左右，相對其它入料位置所需時間較大。表明入料顆粒靠近給料端時，顆粒在上升水流的作用下分散，且在到達溢流口之前具有足夠的時間充分分選。分析圖4可知，離析度越大，浮物產品到達溢流口的時間差越大，顆粒在淺槽系統中的松散度越大；而當入料顆粒的給料位置繼續向排料口靠近時，排料時間呈縮短趨勢，且SA值均較小，表明入料位置距給料端較遠時，顆粒在淺槽系統中受上升水流作用的時間較短，顆粒在到達溢流口時尚未完全松散，此時分選效果較差。

當入料位置處于淺槽液面頂部時，物料受水平流輸送作用影響，尚未有效松散與分離便到達溢流口，排料時間較短，SA值較小，分選效果較差。當入料位置處于淺槽中下部時，重產物在系統中下沉的空間小，下沉時間縮短，且輕產物到達溢流口時間延長，分選效果較好。

圖3 不同懸浮液密度下給料位置對離析度的影響Fig.3 Influence of different feed positions on segregation under different suspension densities

圖4 不同懸浮液密度下給料位置對排料時間的影響Fig.4 Influence of different feeding position on discharge time under different suspension densities

綜上所述，當Hi/H0為0.7，Li/L0為0.1～0.3時，對于靜態密度為 1.4、1.5、1.6、1.7g/cm3的懸浮液而言排料時間較長，SA值較大，分選效果較好。

2.3 分選實驗

基于對影響淺槽重介質分選機分選效果的操作因素的探索研究，對現場生產過程中難以有效分選的粒徑為13～6 mm末原煤進行了分選實驗，對分選產物進行了浮沉化驗分析，得到不同分選密度δp下的重產物分配率曲線如圖5所示。

圖5 不同分選密度下的重產物分配率曲線Fig.5 Distribution rate curves of heavy products under different separation densities

由圖5可知，對于粒徑為13～6 mm煤炭顆粒，分選密度分別為 1.44、1.58、1.67、1.73 g/cm3時，所對應的分選精度分別為 0.097、0.071、0.068、0.089g/cm3。

分選結果表明，在分選密度介于1.44～1.73 g/cm3的4種分選條件下，精煤產品灰分分別為8.55%、8.87%、9.15%和9.54%，可燃體回收率分別達到了80.49%、96.93%、97.76%和98.58%。

3 結論

通過分析計算粒徑6 mm矸石顆粒和磁鐵粉顆粒最小沉降末速，得到最小上升水流速度，結合試驗研究得到了不同密度懸浮液下上升水流與水平流流速比值和最佳給料位置以及最優條件下的分選結果，具體結論如下：

1）基于煤炭顆粒與磁鐵礦粉顆粒沉降差異性，確定了靜態密度為1.4～1.7 g/cm3懸浮液的上升水流速度操作范圍為6.3～11.4 cm/s。

2）通過對影響淺槽分選效果的主要操作因素水平流與上升流速度比值、給料位置和分選時間的試驗研究與分析，確定了Hi/H0為0.7、Li/L0為0.1～0.3時為最佳給料位置，最佳水平流與上升流流速比值分別為2.0～2.5（ρ為1.4～1.5g/cm3時）、1.5～2.0（ρ為1.6、1.7 g/cm3時）。

3）在最優條件下，粒徑為13～6 mm煤炭分選密度介于1.44～1.73 g/cm3時，可燃體回收率最高可達98.58%，可能偏差E值可達到0.068 g/cm3。精煤產品灰分分別為8.55%、8.87%、9.15%和9.54%，可燃體回收率分別達到了80.49%、96.93%、97.76%和98.58%。