太西洗煤廠二次清洗型水力分級旋流器的試驗研究

魏英華，周立習，楊 程

(1.國家能源集團寧夏煤業公司 洗選中心，寧夏 石嘴山 753000；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

選煤廠大多數分選設備都有相對明確的分選粒度上下限。水力分級旋流器作為眾多分級設備中的一種，相對于其他分選設備，其結構更加簡單，對細粒級物料的分級效果也更理想，然而其工作效果受到諸多因素的約束，受工藝參數的影響十分明顯。同時，由于分級和濃縮效果的共同作用，使得分級精度不佳，特別是底流夾細現象普遍存在，對其下游工藝各個環節的工作效果會產生不利影響，因此，研究如何提高旋流器的分級精度就顯得十分必要。

目前，人們對水力分級旋流器的研究大致概括為以下幾方面：首先是利用單因素試驗研究法，探索改善水力旋流器分級效率和能耗的途徑，如褚良銀等[1]針對水力分級旋流器結構參數、分離性能、能耗等方面開展了一系列的研究；徐繼潤等[2-4]從機理入手，系統研究了水力分級旋流器中固液兩相的相對運動。隨著計算機技術的發展，用數值模擬來研究水力分級旋流器的內部流場和作用機理，并預測分離性能將成為又一研究熱點[5，6]。然而，在工業化條件下對新型水力分級旋流器的研究還不多，本文提出一種二次清洗型水力分級旋流器，并在太西洗煤廠開展工業試驗研究，探索該旋流器的最佳操作條件。

1 現場工藝

二次清洗型水力分級旋流器安裝于太西洗煤廠一分區。粗煤泥入料來源于末煤重介系統的磁選尾礦和浮選入料前截粗篩篩上物(稱之為浮選粗礦)。入料由渣漿泵泵入，旋流器溢流直接通過相連管道流入緩沖蓄水池，底流則作為干擾床分選機(TPS)的入料，最終分選出超低灰純煤、精末煤以及進入浮選系統的尾礦產品。圖1為選煤廠試驗的工藝流程圖。

圖1 試驗工藝流程圖

對水力分級旋流器入料中的末煤重介磁選機尾礦進行篩分和浮沉試驗，結果如表1和表2所示。再對浮選粗礦進行篩分和浮沉試驗，結果如表3和表4所示。

表1 末煤重介系統磁選機尾礦篩分試驗結果

表2 末煤重介系統磁選機尾礦浮沉試驗結果(小于3 mm)

表3 浮選粗礦篩分試驗結果

表4 浮選粗礦浮沉試驗結果(小于3 mm)

從表1至表4可以看出，末煤重介磁選尾礦和浮選粗礦中的0.25～1 mm粒級含量、小于1.36 kg/L密度級含量都較大。同時0.25～1 mm粒級灰分以及小于1.36 kg/L密度級對應的灰分也較高。雖然其中細粒級物料含量并不高，但是要實現粗煤泥高效利用，需將這部分細粒級物料從入料中脫除。可見，為進一步減少精煤的損失，探索研究新型精細分級設備是非常有必要的。

2 試驗設備

試驗用二次清洗型水力分級旋流器的結構如圖2所示。

圖2 試驗用水力分級旋流器結構示意

入料以一定的壓力從入料口用泵打入，細顆粒物料被料漿推送至水力旋流器中心處，形成自下而上的內旋流，細顆粒物料進入內旋流中運動。在離心力場中，粗顆粒受到的離心力比細顆粒物料更大，其離心力大于內部料漿的阻力，因此粗顆粒物料在合力的作用下將向旋流器外旋流處集聚。粗顆粒物料向外運動的同時，會在旋流器內壁上聚集，形成堆積層，進一步將粗、細物料分開，從而達到分選、分級的效果。粗顆粒物料形成的堆積層不斷聚集達到一定程度后從上向下運動。當堆積層從旋流器Ⅰ區圓柱段運動至Ⅱ區圓錐段時，將受到切向進入旋流器內部的二次清洗水流的推力作用，少部分殘存在外旋流中的細顆粒物料將被送回到分級旋流器內部，重新進入內旋流，由下往上運動，并最終從溢流口排出，限制了底流粗顆粒中夾雜更多的細顆粒，進而改善分級效果。

3 試驗過程

旋流器的結構參數，如底流管直徑dD，操作參數如給料壓力Pr和二次清洗水壓力Pc，對二次清洗型水力分級旋流器分級效率有決定性影響。本文以均勻實驗的設計方法設計實驗并開展研究，均勻實驗能夠利用盡可能少的實驗次數獲得與原大量實驗相近的試驗結果。按照試驗設計方案，分級旋流器底流管直徑因素水平值的選取從30 mm開始，每10 mm選取1組，直至90 mm；給料壓力因素水平值的選取從100 kPa開始，每隔30 kPa選取1組，直至280 kPa；清洗水壓力的因素水平值選取從0 kPa開始，每隔40 kPa選取1組直至240 kPa。以水力分級旋流器的分級效率η為本次均勻試驗設計的評價指標，它表示實際分選情況下，溢流中的某一指定粒級物料含量的增量與理論情況下該粒級物料含量增量的比值，如式(1)所示。試驗計劃安排如表5所示。

式中：α為計算粒級在入料中的含量；β為計算粒級在溢流中的含量；γ為計算粒級在底流中的含量。

表5 試驗計劃

注：評價指標為分級效率η。

在每組實驗過程中，分別對水力分級旋流器的入料、溢流和底流進行篩分測試，結合各組試驗對應的入料濃度、溢流濃度以及底流濃度，計算出各組試驗的分級效率等評價指標。

以第3組試驗為例，試驗條件為：dD=50 mm，Pr=250 kPa，Pc=40 kPa。篩分結果見表6。

根據第3組試驗的數據，結合兩產品平衡法得到第3組試驗下二次清洗型水力分級旋流器入料中固體進入溢流口溢出的產率是8.3%，進入底流口排出的產率是91.7%，其底流分配率計算見表7。

表6 第3組試驗粒度組成

表7 第3組試驗底流分配率計算表

由表7可知，入料中粒度小于0.125 mm的物料含量為10.2%，而溢流中粒度小于0.125 mm的物料含量為93.9%，底流中粒度小于0.125 mm的物料含量為2.6%，由式(1)可算出第3組試驗時的分級效率η=75.97%。

圖3 試驗結果比較

最終，所有7組試驗的分級效率繪于圖3。從圖3可見，第3組條件下，分級效率最高。因此分級旋流器參數為：底流管直徑50 mm，給料壓力250 kPa，清洗水壓力40 kPa時，該二次清洗型水力分級旋流器分級效果較好，達到了生產中對η大于75%的要求。此組工藝條件組合可作為工業應用的首選分級條件。

4 結 論

針對太西洗煤廠實際情況，采用二次清洗型水力旋流器進行了試驗探索研究。實驗設計為3因素7水平的均勻實驗，研究底流管直徑、給料壓力、清洗水壓力對分級旋流器分級效率的影響。利用直接比較法得出結論，在底流管直徑為50 mm，給料壓力250 kPa，清洗水壓力40 kPa時，該新型水力旋流器的分級效率高達75.97%，可作為工業生產的首選條件。本試驗在工業化條件下，探索了新開發的二次清洗型水力旋流器的影響因素及分級效果，找出其最佳的操作參數，確定設備的技術經濟指標和應用范圍，為工業定型生產做準備的同時也為其工業化應用推廣提供了數據支撐。