煤泥重介質旋流器直徑與處理量和入料壓力的關系研究

劉正權

(山西東方沃德能源管理有限公司，山西 太原 030031)

隨著煤炭生產、加工企業的不斷整合與重組，低效、高耗的小型企業關閉，高效、節能、環保的大型企業成立。在這個過程中，選煤廠原料煤煤質日漸復雜，加上礦井采煤機械化程度的提高，原料煤中的細粒煤增多，生產系統煤泥含量高成為一種常態。根據國家“十三五”規劃對煤炭潔凈高效利用的要求，細粒煤(煤泥)的高效分選和回收成為任務之一。在選煤工藝設計過程中，煤泥分選方法和工藝的選擇成為重要環節之一[1-4]。

在原料煤不脫泥、不分級的條件下，以無壓三產品重介質旋流器作為主選設備時，煤泥重介質旋流器成為配套工藝的首選設備，這種組合工藝在許多選煤廠得到廣泛應用[5-6]。通常煤泥重介質旋流器的入料來自精煤弧形篩的篩下分流，就工藝流程來看，其屬于主選重介質旋流器分選下限的延伸和補充，也是浮選系統降灰減負的關鍵環節。因此，煤泥重介質旋流器的設計計算和選型顯得十分重要。前人對影響煤泥重介質旋流器設計計算和選型的因素做了大量研究，并且取得很多研究成果[7-10]。為了提高煤泥重介質旋流器設計計算和選型的便捷性，在推算出旋流器直徑與處理量、入料壓力關系的基礎上，通過線性回歸方程和工業性試驗對其可靠性分別進行驗證。

1 處理量與旋流器直徑的關系

1.1 關系式推算

根據波瓦羅夫(JIoBapoB)計算法，煤泥重介質旋流器的處理量可以表達為：

(1)

(2)

(3)

式中：Q為處理量；Ka為錐角修正系數，當錐角為20°時，Ka=1；KD為旋流器直徑修正系數；di為入料管直徑，一般di=(0.20～0.30)D；do為溢流管直徑，一般d0=(0.32～0.50)D；P為入料壓力；D為旋流器直徑。

整理后可得

Q=1 954D2.50。

(4)

1.2 關系式驗證

為了驗證式(4)的可靠性和科學性，采用國內常見煤泥重介質旋流器的處理量、旋流器直徑(圓筒內徑)系列數據擬合線性回歸方程，并對線性回歸方程進行分析。國內常見煤泥重介質旋流器的直徑與處理量對應關系見表1。將表1的旋流器圓筒內徑與平均處理量擬合，結果如圖1所示。

表1 旋流器直徑與處理量的對應關系

圖1 旋流器直徑與處理量的關系

由圖1可知：平均處理量與旋流器直徑的2.5次方呈較好的線性關系，FHMC系列的線性回歸方程為Q=1 353K+27.57，SMC系列的線性回歸方程為Q=1 752K+12.99。兩個線性回歸方程的R2分別為0.996 4、0.999 9，說明在研究范圍內擬合方程的可靠性極高。

擬合的線性回歸方程與推算的關系式存在差別，主要原因是擬合時選用的是平均處理量，處理量范圍較廣，加上說明書中的處理量取值較為保守，導致出現這種差別。但理論與實際的變化規律一致，通過關系式計算的數值在說明書規定的范圍內，因此推算的關系式能夠較好地預測煤泥重介質旋流器的處理量。

2 入料壓力與旋流器直徑的關系

2.1 關系式推算

煤泥重介質旋流器主要由圓柱段、圓錐段、入料管、底流管、溢流管等組成，結構如圖2所示。

圖2 煤泥重介質旋流器結構示意圖

假設入料密度為ρ，入料管1-1、2-2截面面積為A1、A2，對應的壓力為P1、P2，對應的流速為v1、v2，則1-1、2-2截面處的伯努利方程為

(5)

整理后可得

(6)

由于A1v1=A2v2，且P2遠小于P1，整理后可得

(7)

(8)

煤泥重介質旋流器內離心力場的分離因數K可以表示為

(9)

式中：F為離心力；G為重力；m為顆粒質量；v為顆粒旋轉速度；R為顆粒旋轉半徑；g為重力加速度。

由式(9)可知：隨著旋流器半徑的增大，分離因數減小，故旋流器器壁附近的分離因數最小。因此，只要旋流器器壁附近的分離因數能夠滿足顆粒分選條件，其余各點均能滿足分選條件。

假設v是入料管內物料的流速，P是入料壓力，D是旋流器直徑，則有：

(10)

R=D/2。

(11)

將式(10)、式(11)代入式(9)，可得

(12)

整理后可得

(13)

煤泥重介質旋流器的入料來源于精煤弧形篩的篩下分流，根據現場生產經驗，其密度在1.20～1.25 g/L之間，故ρ可認為是恒值，故式(13)可寫為

P=A·D,

(14)

由式(14)可知：煤泥重介質旋流器直徑與入料壓力呈線性關系，即入料壓力是旋流器直徑的若干倍。

2.2 常數項求解

為了求解關系式(式(14))中的常數項A，采用國內常見煤泥重介質旋流器的入料壓力、旋流器直徑(圓筒內徑)擬合線性回歸方程。國內常見煤泥重介質旋流器的直徑與入料壓力的對應關系見表2。

表2 旋流器直徑與入料壓力的對應關系

將表2的旋流器直徑與入料壓力進行擬合，結果如圖3所示。

圖3 旋流器直徑與入料壓力的關系

由圖3可知：兩者呈現出較好的線性關系，FHMC系列的線性回歸方程為P=0.67D，SMC系列的線性回歸方程為P=0.64D+0.064，兩個線性回歸方程的R2分別為0.998 7和0.973 4，說明在研究范圍內擬合方程的可靠性極高。此外，關系式中常數項A的值在0.67左右，由于SMC系列煤泥重介質旋流器的設計入料壓力范圍差異，故線性方程式中出現常數項0.064。

2.3 工業性試驗與驗證

2.3.1 試驗條件

為了驗證推算的旋流器直徑與入料壓力關系式的可靠性，在現場進行工業性試驗，考察不同入料壓力下煤泥重介質旋流器的分選效果。試驗設備為FHMC 350 煤泥重介質旋流器，根據旋流器直徑與入料壓力的關系式，結合煤泥有效分選的需要，將煤泥重介質旋流器的入料壓力分別設為0.21、0.24、0.26 MPa，其中，后兩個入料壓力在關系式推算的范圍內。

2.3.2 試驗結果與分析

在試驗過程中，三組入料的性質相同，均為0.25～0.125 mm粒級煤泥，三組精煤的灰分均要求合格。不同入料壓力下的煤泥分選結果見表3。

表3 不同入料壓力下0.25～0.125 mm粒級煤泥分選結果Table 3 Performance of cyclone treating 0.25-0.125 mm fine coal at different inlet pressures g/cm3

由表3可知：在入料性質相同、精煤灰分合格的情況下，隨著入料壓力的增大，實際分選密度增大，底流口與溢流口的密度差增大(濃縮作用增強)，Ep值減小，分選精度增加。

此外，試驗過程中發現，在推算范圍內的入料壓力下，Ep值均小于0.10 g/cm3，即煤泥都能實現有效分選。入料壓力在允許范圍內增大時，入料進入旋流器內的初速度增大，離心作用增大，分選精度相應提高。此外，在入料壓力增大時，旋流器單位時間、單位空間內的處理量增大，即物料在旋流器內的停留時間變短，但分選效果提高。

工業性試驗直接驗證了旋流器直徑與入料壓力關系式的可靠性，其可作為煤泥重介質旋流器大型化、系列化設計計算和選型的依據。

3 結論

(1)推算的旋流器直徑與處理量關系式與擬合的線性回歸方程存在差別，主要原因是擬合時選用的平均處理量和設計處理量取值較為保守。但理論與實際的變化規律一致，通過關系式計算的處理量數值在設計范圍內。因此，推算的旋流器直徑與處理量關系式能夠較好地預測煤泥重介質旋流器的處理量。

(2)根據旋流器直徑與入料壓力的關系式調節入料壓力，在推算范圍內的入料壓力下，煤泥分選效果提高，Ep值均小于0.10 g/cm3，這說明旋流器直徑與入料壓力的關系式可靠，可作為煤泥重介質旋流器大型化、系列化設計計算和選型的依據。