充氣式水力旋流器的現狀及在選煤領域的應用

古 緣，郭延昆

（1.威海市海鑫礦山洗選設備有限公司，山東威海 264200；2.威海行雨化工機械有限公司，山東威海 264200）

0 引言

自被開發之日起，充氣式水力旋流器便成為人們所關注的重點，其在油田業與金屬探索領域一直占據核心地位，被作為離心浮選設備使用，因此，對其的探索和研究將為未來各個行業的發展提供強大支撐，為能源開發行業帶來新的發展契機。

1 充氣式水力旋流器的發展現狀

充氣式水力旋流器是在離心力場強化浮選的設想下形成的研究拓展，根據礦物質的自身密度與物質表現的通水性不同進行物理分離、層級分選，進而對不同物質進行分離的設備。充氣式水力旋流器是水力旋流器的新興發展，結合浮選法的相關方式形成全新的發展方向，其發展過程大致經過三個階段。

第一階段是20 世紀30 年代的法國燃油工業企業制造了第一臺浮選旋流器，經過十幾年的發展后，由德國特立希結合離心力場強化浮選構想再次發展，形成水力旋流器。

第二階段是在20 世紀80 年代前后，在水力旋流器不斷完善的基礎上，出現了柱型結構的水力旋流器，并且還改變了其充氣方式，分為實用性差的進口充氣式水力旋流器和實用性較高的邊壁充氣式水力旋流器。

第三階段是自20 世紀末期至今，在我國著名科學家褚良銀等人的努力下，通過對水力旋流器內部的旋流場景模擬、內部結構壓力的分布規律與礦物質表面的水力氣場分析，著重處理水力旋流器的分離層級，開辟了充氣式水力旋流器的新興研究方向，對采礦業的礦物開發分類具有重要意義。

2 充氣式水力旋流器的研究現狀

水力旋流器是根據離心力場強化浮選的設想對礦物質進行分層分級處理，其中采用兩相流的流體方式；充氣式水力旋流器是水力旋流器的全新發展，采用了三相流的流體，能夠最大限度地強化浮選，在日常采礦領域中發揮著更重要的作用。

在20 世紀80 年代，對充氣式水力旋流器的描述很普通，只是認為其比水力旋流器的浮選作用強烈，但并未有深入的研究。在接下來的10 年內，許多科學家借助邊壁充氣對水力旋流器進行了全新研究，發現隨著離心力場的不斷增強，慣性會導致警戒值的礦物顆粒迅速下降，能夠大大提升力場的浮選速率。在這一時期，對充氣式水力旋流器充氣方式進行的細微研究表明，充氣式水力旋流可以提升礦物顆粒的力場浮選速率，此后對充氣式水力旋流器的內部流速、礦物質顆粒的存留量和浮選泡沫的相關研究表明，對充氣式水力旋流器的進一步深入研究能夠發展其中更有價值的理論研究。

自20 世紀90 年代以來，我國的褚良銀等人結合國內外關于與充氣式水力旋流器的相關研究，重新創建了全新的充氣式水力旋流器的實驗方法，通過更新實驗內部的測控手段，加緊調控水力旋流器內部的壓力分布規律，以及對旋流器內部的顆粒承受程度等進行分析研究，得出了全新的充氣式水力旋流器的理論補充。

（1）流場特點。將充氣式水力旋流器的內部流場進行仔細劃分，分為液體柱存區、顆粒泡沫留存區和水力流通層級。其中，液體柱存區使得整個旋流器流會形成顆粒泡沫的留存區，使得整體旋流器正常運轉與工作，在水力流通的上端層級來看，形成了一個完善協調的工作方式。此外，充氣式水力旋流器的液體流通方式包括內旋流與外旋流，能夠鞏固整體充氣式水力旋流器的運行機制。

（2）壓力分布特點。在充氣式水力旋流器中，存在留存泡沫的空間占位并且占位較大，影響著旋流器的壓力分布，使得旋流器有著自上往下、自內往外的壓力分布，并且呈現逐漸遞增的態勢。由于顆粒泡沫柱區的存在，所以壓力形成一種馬鞍形狀的規律。整體充氣式水力旋流器的軸向壓力是由上到下呈現遞增態發展。

（3）運行機制特點。在旋流器內部，由于壓力呈現遞增的分布態勢，所以導致礦物顆粒所形成的氣泡受到壓力的限制，氣泡從液體柱存區向顆粒泡沫留存區不斷涌入，在比區域內形成大量氣泡留滯。

（4）礦物顆粒的運行方式。充氣式水力旋流器是根據離心力場強化浮選進行研發設計的，在其內部，由于受到自下而上的離心力的支撐與液體流動的阻力，結合充氣式水力旋流器的軸向心向上的動力支撐，導致礦物顆粒中的喜水性顆粒向著礦物顆粒留存區相互運動，在液體柱存區周圍向下運動，從而使得顆粒較小且喜水性較強的顆粒不斷涌入充氣式水力旋流器的循環流體。在此過程中，厭水性顆粒則相應地在旋流器的聚合體中運動，旋流器工作時就通過液體柱存區涌入顆粒泡沫留存區，由于礦物中有些物質的顆粒較大，它們通過重力與留存在其中的氣泡相互分離，出現在充氣式水力旋流器的底部。

由于內部壓力、充氣式方式不同等，在充氣式水力旋流器的內部形成了顆粒物質的篩選分類比普通的水力旋流器更為清楚、明了。普通水力旋流器的分類處理較為簡單，通過不同的升降關系進行處理，不夠仔細嚴謹，分類不夠清楚。而在充氣式水力旋流器中，礦物顆粒是根據在液體柱存區的喜水性進行分類處理，喜水性的物質顆粒向充氣式水力旋流器的軸向力做向上的動力運作，而厭水性的礦物質則涌入顆粒泡沫留存區。此外，由于在液體柱存區存在循環流系統，所以能夠對礦物顆粒進行再次分離處理，篩選出其中可能遺漏的礦物顆粒進入外部旋流區域。因此，充氣式水力旋流器是對水力旋流器的進一步完善研究，使得其發展更加完善，達到分級功效的同時完成顆粒的分選作業。

3 充氣式水力旋流器的優點與缺點

在充氣式水力旋流器相關研究未能實現之時，傳統工業機器進行礦物顆粒篩選所耗費的時間過長，篩選過程中的浮選場地要求過大，這無形中提高了作業的生產成本，大大限制了產業的發展。另外，由于技術處理不到位，常常導致篩選的成果不夠理想，效率低下。同時，常常因為機器緣故導致對礦物顆粒的篩選質量低下，存在浪費動力的情況。

由于充氣式水力旋流器是根據離心力場強化浮選的方法進行設計研究的，所以只適用于小型礦物顆粒的篩選工作，在針對大型顆粒的礦物時不能奏效，容易導致礦物的脫落力度過大。

4 充氣式水力旋流器在選煤領域的應用探究

由于是依據離心力場強化浮選的規則進行研究分析形成的理論，所以充氣式水力旋流器對于細微礦物顆粒的篩選具有獨特優勢，并且對不具備喜水性的礦物篩選更為敏感。在煤礦行業中，大部分采煤企業對充氣式水力旋流器的離心力場強化浮選很重視，從而導致分級的重視程度較低，但是可以針對煤礦行業的選煤特點，對旋流器內部的運轉規律與運行方式進行重新研發、設計，通過對旋流器內部的結構進行分離處理、分級選取，對煤礦中的大型顆粒進行篩選流入充氣式水力旋流器的底部，此外對其中存在的喜水性顆粒進行運行篩選，從而得到不同的篩選產品，為選煤行業提供新的發展方向。

目前我國對于選煤技術的研究不夠完善，對選煤過程中的浮選速率與浮選質量不能滿足時代的需求，尋求新的發展是我國應當注重的關鍵點，充氣式水力旋流器的到來無疑提供了一劑“強心針”。從充氣式水力旋流器的分級技術來看，著重對選煤過程中的高灰細泥的處理，解決了傳統選煤過程中不能提取出高質量高灰細泥的情況，因此，采用充氣式水力旋流器的離心力場強化浮選機制是一個正確的選擇。

充氣式水力旋流器對選煤廠的影響格外深遠，通過充氣式水力旋流器能夠處理大量留存的低質煤炭，對其中存在顆粒較大的煤礦進行分離處理，從而提取出高質量的高灰細泥，大大降低了選煤廠的生產成本，創造了大量的工廠效益。此外，充氣式水力旋流器的占地范圍小、流程簡潔有效，也為選煤廠無形之中添加了一筆寶貴的收益。

5 小結

關于充氣式水力旋流器的研究自20 世紀就開始不斷完善，充氣式水力旋流器不僅能夠快速篩選過濾礦物顆粒，也能利用其中的獨特結構特性與顆粒物質的性質進行分選處理。將充氣式水力旋流器作為一個選煤領域的新興方向，能夠促使選煤工作提升一個新的臺階。