煤泥水連續(xù)分級(jí)裝置研究進(jìn)展綜述

朱宏政，李 甜，黃典強(qiáng)，邵善敏，徐文玉，李夢(mèng)閃，楊璐映，王海楠

(1.安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.圣路易斯波托西自治大學(xué) 冶金研究所，墨西哥 圣路易斯波托西 78210)

近年來(lái)，隨著機(jī)械化采煤技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及原煤性質(zhì)的不斷惡化，原煤中粘土類礦物含量不斷增大，此類礦物遇水極易碎散成高灰分細(xì)泥[1-2]，進(jìn)入浮選系統(tǒng)后，極易粘附在煤表面競(jìng)爭(zhēng)吸附藥劑，并影響煤與氣泡的直接接觸，造成浮選精煤產(chǎn)率低，灰分高，藥劑消耗量大等問(wèn)題[3-5]。同時(shí)，隨著重介質(zhì)選煤技術(shù)的發(fā)展，旋流器分選下限已低于0.25 mm[6]，0.5～0.25 mm粒級(jí)進(jìn)入浮選系統(tǒng)，屬于重復(fù)分選，會(huì)造成藥劑浪費(fèi)和精煤損失[7]。因此，將煤泥分為多個(gè)粒級(jí)進(jìn)行精細(xì)化處理具有重要意義。

微細(xì)礦物顆粒的分級(jí)裝置主要有濃縮機(jī)和水力旋流器等。濃縮機(jī)是一種固液分離設(shè)備，我國(guó)上世紀(jì)先后有劇殿臣、江渭清、郭德[8-10]在杏花選煤廠、蘆嶺選煤廠、臨渙選煤廠等單位探索過(guò)通過(guò)控制濃縮時(shí)間和耙式濃縮機(jī)底流濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)微細(xì)礦物顆粒的分級(jí)，并在實(shí)踐中取得了一定的效果，但分級(jí)效率不高；王永田、常延源、宋戰(zhàn)勝等[11-13]運(yùn)用流體分析軟件建立了濃縮機(jī)內(nèi)煤泥水沉降數(shù)值模型，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了流速場(chǎng)、濃度場(chǎng)和濃度分布，以及連續(xù)沉降數(shù)學(xué)模型；郭躍久、謝廣元、ZHANG等[14-16]利用實(shí)驗(yàn)室研究模型，對(duì)不同傾斜板角度時(shí)的濃縮效率進(jìn)行了研究分析，探索出濃縮效率與傾斜板角度之間的漸變規(guī)律。水力旋流器是一種利用離心力增大顆粒之間干擾沉降速度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分級(jí)的設(shè)備。魏德洲、韋魯濱、TANG等[17-19]建立了貼合實(shí)際的旋流器分離模型，對(duì)水力旋流器的分離粒徑、生產(chǎn)能力、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)等多個(gè)重要分離指標(biāo)進(jìn)行了模擬研究，同時(shí)對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃妄媽W(xué)詩(shī)法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對(duì)比分析；ZHAO、MA、KIM、WANG、蔡圃等[20-24]利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)分布、顆粒運(yùn)動(dòng)、速度梯度、分級(jí)效率等進(jìn)行了全面分析。

國(guó)內(nèi)外有學(xué)者針對(duì)煤泥顆粒的分級(jí)問(wèn)題嘗試過(guò)創(chuàng)新。楊宏麗、樊民強(qiáng)[25]利用干擾沉降原理，針對(duì)浮選柱中礦循環(huán)量，設(shè)計(jì)了雙排尾重浮聯(lián)合分選機(jī)，并對(duì)分級(jí)曲線數(shù)學(xué)模型和分級(jí)分配率進(jìn)行了推導(dǎo)和定量描述；位革老、劉文禮等[26]借鑒分級(jí)旋流器和大錐角水介質(zhì)旋流器的優(yōu)點(diǎn)，提出兼具分級(jí)和分選功能的復(fù)合型煤泥旋流器，并利用Fluent 軟件計(jì)算出設(shè)備的切向速度、軸向速度和徑向速度，研究了裝置內(nèi)的流場(chǎng)分布和運(yùn)行參數(shù)；王冰、沈麗娟[27]利用不同粒級(jí)礦物顆粒干擾沉降速度的差異，設(shè)計(jì)了煤泥水整流脫泥槽裝置，利用圓管的整流作用，使物料分級(jí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究了操作參數(shù)對(duì)設(shè)備分級(jí)性能的影響。

然而，這些設(shè)備均存在占地面積大、煤泥過(guò)粉碎等弊端，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤泥顆粒的連續(xù)分級(jí)。因此基于流體力學(xué)原理，提出了具有連續(xù)分級(jí)功能的煤泥水分級(jí)裝置，并對(duì)裝置的流體力學(xué)特征和分級(jí)效果進(jìn)行了研究[28-31]。

1 煤泥水連續(xù)分級(jí)裝置原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大部分煤顆粒的灰分隨著粒度的減小而增加，不同粒級(jí)的煤顆粒干擾沉降末速不同，其中細(xì)顆粒干擾沉降末速較小，易隨上升水流溢出，可按斯托克斯公式計(jì)算顆粒的干擾沉降速度vg[32]：

(1)

式中：v0為自由沉降速度，m/s；n為濃度干擾指數(shù)；λ為固體容積濃度，%。

基于以上原理，設(shè)計(jì)了煤泥水連續(xù)分級(jí)裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—入料槽；2—下降區(qū)；3—分級(jí)區(qū)；4—整流管束；5—隔板；6—底流口

煤泥水連續(xù)分級(jí)裝置由若干個(gè)高度不同的圓環(huán)柱體連接組成，在最外層的圓環(huán)柱體外側(cè)上方設(shè)置一個(gè)環(huán)形入料槽，在每一個(gè)圓環(huán)柱體內(nèi)部設(shè)置隔板，隔板外側(cè)為下降區(qū)，內(nèi)側(cè)為分級(jí)區(qū)；在分級(jí)區(qū)內(nèi)設(shè)置整流管束，用于將煤泥水調(diào)整為層流狀態(tài)。在工作過(guò)程中，礦漿由入料槽溢入分級(jí)池，在沉降區(qū)，礦漿向下流動(dòng)，受隔板粘滯阻力的影響，流態(tài)發(fā)生改變，調(diào)整為層流狀態(tài)，顆粒按其干擾沉降末速進(jìn)行水力分級(jí)，粗顆粒沉降至底部排出，細(xì)顆粒隨著上升水流溢入下一個(gè)池體，逐級(jí)完成顆粒的分級(jí)。底流泵設(shè)有變頻調(diào)速器，通過(guò)調(diào)節(jié)底流量，間接調(diào)整分級(jí)粒度。

2 整流管束形狀選擇及流場(chǎng)分布

煤泥水經(jīng)過(guò)整流管束流態(tài)控制為層流的主要原因是黏性的煤泥水通過(guò)整流管束時(shí)產(chǎn)生沿程損失，使其速度降低且方向一致，整流管束內(nèi)沿程損失hf可按達(dá)西公式計(jì)算[33]：

(2)

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為整流管束長(zhǎng)度，m；d為整流管束當(dāng)量直徑，m；v為煤泥水運(yùn)動(dòng)速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

在實(shí)際應(yīng)用中，四邊形和六邊形管束易于加工和規(guī)則排列，因此對(duì)四邊形和六邊形整流管束裝置內(nèi)流體力學(xué)特征進(jìn)行分析。簡(jiǎn)化后的裝置模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，利用Fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[30]。

三要提高網(wǎng)絡(luò)化、信息化能力，成為網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)的“內(nèi)行”。我國(guó)網(wǎng)絡(luò)信息經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展要實(shí)現(xiàn)“彎道超車”，關(guān)鍵要從領(lǐng)導(dǎo)干部自身做起，在綜合素質(zhì)和執(zhí)政能力上來(lái)一次徹底的“網(wǎng)絡(luò)化”和“信息化”，努力提高對(duì)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)律的把握能力、對(duì)網(wǎng)絡(luò)輿論的引導(dǎo)能力、對(duì)信息化發(fā)展的駕馭能力以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的保障能力，成為網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)和信息化建設(shè)的“內(nèi)行”。準(zhǔn)確把握互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及傳播規(guī)律，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)秩序；牢牢掌控網(wǎng)絡(luò)輿論的話語(yǔ)權(quán)，形成正面的宣傳輿論；深入推進(jìn)信息化建設(shè)，破解新問(wèn)題、推動(dòng)新發(fā)展；全面加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全檢查，感知網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)空間安全。

圖2 簡(jiǎn)化模型

截取z=0和y=75 cm截面，分析其流場(chǎng)分布和速度特征，結(jié)果如圖3、圖4所示。

表1 簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 z=0截面速度云圖

圖4 y=75 cm截面速度云圖

由圖3可知，選取正四邊形或正六邊形管束時(shí)，分級(jí)裝置內(nèi)的流體分布基本一致，在流體繞過(guò)隔板時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定波動(dòng)，在經(jīng)過(guò)整流管束后，流場(chǎng)趨于均勻，有利于顆粒的分級(jí)，也同時(shí)驗(yàn)證了設(shè)置整流管束的必要性。

由圖4可知，相比于正六邊形管束，選取正四邊形管束時(shí)，下降區(qū)流體運(yùn)動(dòng)速度略小，主要是正四邊形管束濕周大，產(chǎn)生的阻力大，流體運(yùn)動(dòng)受阻增大。在整流管束中，流體運(yùn)動(dòng)相似，受管束壁的粘性力作用，四周流體運(yùn)動(dòng)速度較小，管束中間較大。

選取部分管束中心線，其垂直于xz平面，在xz平面內(nèi)投影坐標(biāo)分別為line1(52.21，0)、line2(58.31，0)、line3(64.41，0)、line4(50.99，0)、line5(54.65，3.27)、line6(60.14，0)、line7(63.80，3.27)。對(duì)整流管束內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，選取正四邊形或正六邊形管束時(shí)，流體流態(tài)均可控制為層流狀態(tài)。相比于正六邊形管束，選用正四邊形管束時(shí)，流體的最大運(yùn)動(dòng)速度較小，主要是因?yàn)檎倪呅螡裰墚a(chǎn)生的阻力大于正六邊形；正四邊形管束中雷諾數(shù)方差遠(yuǎn)小于正六邊形管束，表明正四邊形管束中流場(chǎng)分布更均勻；正四邊形管束中沿程損失較大，表明在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，正四邊形管束對(duì)流體的阻力更大，有利于流體流態(tài)的調(diào)控。

表2 整流管束內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

3 分級(jí)效果研究

3.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

試樣選取望峰崗選煤廠浮選入料，分析其粒度與密度組成，結(jié)果見(jiàn)表3。

在實(shí)驗(yàn)室研究模型中進(jìn)行固體物含量為10%的煤泥水分級(jí)試驗(yàn)，對(duì)分級(jí)試驗(yàn)的入料、溢流和底流分別進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 入料粒度組成

表4 分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，產(chǎn)率總方差為6.596 5，灰分總方差為2.784 8，計(jì)算入料與實(shí)際入料吻合程度較好。因溢流不存在0.5～0.25、0.25～0.125 mm粒級(jí)礦物顆粒，所以分級(jí)效果較好；底流中部分<0.045 mm粒級(jí)未能脫除；值得注意的是，底流灰分比入料灰分降低了9.09個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明該裝置有一定的降灰作用。

3.2 模擬計(jì)算

(a) 0.5～0.25 mm (b) 0.25～0.125 mm (c) 0.125～0.075 mm (d) 0.075～0.045 mm (e) <0.045 mm

圖5 各粒級(jí)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.5 Motion trajectory of each size fraction

由圖5可以看出，不同粒徑的礦物顆粒在分級(jí)裝置中的運(yùn)動(dòng)軌跡存在差異，粒徑較粗的0.5～0.25、0.25～0.125 mm粒級(jí)礦物顆粒均運(yùn)動(dòng)至底流口或集中于下降區(qū)，并未向溢流運(yùn)動(dòng)；0.125～0.075、0.075～0.045、<0.045 mm粒級(jí)的礦物顆粒部分運(yùn)動(dòng)至底流口，部分進(jìn)入溢流。

由Fluent軟件導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)，計(jì)算其產(chǎn)率，結(jié)果見(jiàn)表5[31]。

表5 分級(jí)試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

由表5可知：0.5～0.125 mm粒級(jí)礦物顆粒全部進(jìn)入底流，分級(jí)效果好；0.125～0.075 mm粒級(jí)底流產(chǎn)率占該粒級(jí)的97.92%，分級(jí)效果較好；0.075～0.045 mm粒級(jí)底流產(chǎn)率占該粒級(jí)的50.00%，分級(jí)效果較差；<0.045 mm粒級(jí)溢流產(chǎn)率占該粒級(jí)的70.10%，分級(jí)效果較好。

3.3 對(duì)比分析

對(duì)比各粒級(jí)產(chǎn)率的試驗(yàn)值和模擬值，如圖6、圖7所示。

圖6 溢流各粒級(jí)產(chǎn)率對(duì)比

圖7 底流各粒級(jí)產(chǎn)率對(duì)比

由圖6可知，溢流各粒級(jí)產(chǎn)率的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，0.5～0.25 mm和0.25～0.125 mm粒級(jí)在溢流中產(chǎn)率為0，隨著粒度的減小，產(chǎn)率增加，其中0.075～0.045 mm粒級(jí)誤差較大，約為4.49%。由圖7可知，底流的試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)相似，中間粒級(jí)誤差最大，粗粒級(jí)和細(xì)粒級(jí)誤差較小。

對(duì)各粒級(jí)錯(cuò)配率的試驗(yàn)值和模擬值進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 錯(cuò)配率計(jì)算

由表6可知，0.075～0.045 mm粒級(jí)錯(cuò)配率的試驗(yàn)值和模擬值的誤差為19.94個(gè)百分點(diǎn)，偏差較大；其余粒級(jí)差值較小，吻合程度較高，模擬結(jié)果可以較好地反映顆粒的分級(jí)過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明0.5～0.075 mm粒級(jí)顆粒的錯(cuò)配率較低，分級(jí)效果好；<0.075 mm粒級(jí)顆粒的錯(cuò)配率達(dá)到30.06%，表明顆粒的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，受外力作用較為顯著。

4 結(jié)論與建議

(1)利用水力分級(jí)原理，設(shè)計(jì)出一種可以連續(xù)分級(jí)的煤泥水分級(jí)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)底流排放速度間接控制上升水流速度，從而控制分級(jí)粒度。

(2)利用Fluent軟件分別模擬計(jì)算設(shè)置正四邊形和正六邊形管束時(shí)分級(jí)裝置內(nèi)的流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果表明：采用正四邊形管束時(shí)裝置內(nèi)流場(chǎng)分布更加均勻，管束內(nèi)流體沿程阻力更大，有利于控制流態(tài)。

(3)模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果均表明：煤泥水連續(xù)分級(jí)裝置有較好的分級(jí)作用，且模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，充分證明了CFD軟件可以較好的應(yīng)用于煤泥水分級(jí)過(guò)程的模擬計(jì)算。

(4)煤泥水各粒級(jí)分級(jí)錯(cuò)配率總體隨著粒度的減小而增大，尤其是0.075～0.045 mm和<0.045 mm粒級(jí)的錯(cuò)配率較高，分級(jí)效果受外界影響較大，因此，需要對(duì)微細(xì)顆粒分級(jí)效果的影響因素進(jìn)行深入的研究，探索提高微細(xì)粒分級(jí)效果的有效方法。