重介質旋流器結構參數的優化設計及在線檢測功能的實現

陳 捷

（晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

煤炭是我國的主要能源，應用范圍最為廣泛。大部分原煤均需進行分選，使其適用特殊行業和場合。重介質旋流器是選煤廠分選操作的關鍵設備，但在實際使用中存在中煤夾帶精煤的問題，造成精煤的損失。以沙坪洗煤廠重介質旋流器為研究對象，對其結構參數和工藝流程進行改進設計，提升分選效果。

1 概 況

沙坪洗煤廠洗選系統共包含有A、B兩個系統，本文對其中A系統進行研究。A系統分選操作主要設備包括有脫泥無壓三產品重介質旋流器、粗煤泥CSS分選機、浮選機、臥式沉降過濾離心機以及壓濾機等，最終洗選的精煤用于煉鋼、發電等工廠使用，其余附加產生的煤泥供居民使用。A系統對應重介質旋流器的分選工藝流程如圖1所示。

圖1 重介質旋流器分選工藝流程Fig.1 Separation process of heavy medium cyclone

原煤經預先脫泥處理后通過三產品重介質旋流器分選得到含有雜質的精煤、中煤以及煤矸石。含有雜質的精煤通過精煤脫介篩得到純精煤，并通過磁選機得到濃介質和循環水；含有雜質的中煤通過中煤脫介篩得到純中煤，并通過磁選機得到濃介質和循環水；煤矸石通過矸石脫介篩得到純矸石，并通過磁選機得到濃介質和循環水。通過脫介篩得到合格介質。預先脫泥處理后的原煤還通過分級旋流器對煤泥進行處理，將所得產物分別通過CSS分級機和浮選機獲得粗煤泥、煤泥水和浮精和浮尾。

重介質旋流器在實際應用中存在中煤夾帶精煤的問題，造成精煤的損失。經分析，導致重介質旋流器中煤帶精煤的原因如下。

（1）中煤懸浮液中煤泥的含量過高，導致中煤懸浮液的黏度較高，物料顆粒的運動穿層效果較差。由于精煤的密度較小，而中煤的密度較大，導致精煤摻雜于中煤中。

（2）原煤和懸浮液在未提前充分混合單獨進入入旋器，原煤未被充分潤濕而成團。成團的原煤未被充分分選就排出系統，造成中煤中夾雜著精煤。

（3）重介質旋流器入料口彎管的尺寸不合理，精煤產品距離內旋流較遠，很容易進入第二段旋流器中，造成中煤夾雜著精煤。

（4）由于重介質旋流器的離心力不足或者一次性的入料過大導致精煤損失到中煤中去。

綜上所述，中煤摻雜精煤主要由重介質旋流器結構和工藝參數不合理所致。本文著重對重介質旋流器結構不合理的參數進行優化設計。

2 重介質旋流器結構參數設計

重介質旋流器結構參數對中煤分選效果影響較大，包括有旋流器圓柱長度、溢流管直徑、溢流管插入深度、底流口直徑和錐角等。

隨著重介質旋流器溢流口直徑的增大，對應軸向速度也在增加，精煤產率也增加，但當溢流口直徑過大時，旋流器圓柱部分的溢流速度過大，導致精煤產率降低。隨著錐角角度的增加，對應產品的分選密度會增加，按照要求一般將錐角角度控制在20°左右。

隨著旋流器圓柱長度的增加對應分選效果會提升，旋流器圓柱長度的確定與錐角和旋流器直徑相關，見表1。

表1 圓柱長度Table 1 Length of cylinder

旋流器溢流管的直徑過大或者過小均會影響重介質旋流器的分選效果。一般旋流器溢流管的直徑為（0.3～0.5）D，易選煤可適當增大溢流管的直徑，難選煤可適當減小溢流管直徑。溢流管的插入深度為（0.8～0.9）H（H為旋流器圓柱長度），旋流器底流口直徑為（0.24～0.32）D。

沙坪洗煤廠重介質旋流器為三產品重介質旋流器，關鍵結構參數見表2。

表2 重介質旋流器關鍵結構參數Table 2 Key structural parameters of heavy medium cyclone

3 重介質旋流器結構參數的優化設計

由上文可知，影響重介質旋流器分選效果的主要結構參數為旋流器底流口的直徑、溢流管的直徑和溢流管的插入深度。采用正交試驗方法對上述3個結構參數進行優化設計。為消除由于分選密度對分選效果的影響，將所搭建的試驗系統的補水管關閉后再開展正交試驗。

結合當前實際應用中重介質旋流器結構參數，并依據表2中所計算出的參考值，各選擇3個參數進行正交試驗，見表3。

表3 重介質旋流器待優化結構參數Table 3 Structure parameters to be optimized for heavy medium cyclone

按照正交試驗方法，對上述3個參數進行組合，對不同組合下的分選效果進行對比分析。按照不同的組合方式對分選系統的參數進行設定，得出不同組合下分選液體與懸浮液的密度差，對數據進行處理分析，得出不同結構參數的極差值。各個結構參數對應密度差之間的關系如圖2所示。

圖2 不同結構參數對密度差的影響Fig.2 Effects of different structural parameters on density difference

密度差隨著底流口直徑的增大而減小，隨著溢流管直徑的增大而增大，隨著溢流管插入深度的增大呈現先增大后減小的變化趨勢。

經數據分析可知，底流口直徑、溢流管直徑以及溢流管插入深度的極差值分別為0.146 7、0.106 6和0.03，表明影響重介質旋流器分選效果的主要影響因素為旋流器的底流口直徑，其次為旋流器的溢流管直徑，最后為旋流器溢流管的插入深度。當底流口直徑為38 mm、溢流管直徑為64 mm、溢流管插入深度為92 mm時，取得最佳分選效果。

4 重介質旋流器工藝參數的在線檢測

4.1 原煤灰分的在線檢測

采用測灰儀對原煤灰分進行在線測量，鑒于實際測量環境的惡劣程度，通過測灰儀所測得灰分值可能與實際測量存在誤差，多次對比實際灰分值和測得灰分值，如圖3所示。

圖3 原煤實際灰分值于測量灰分值之間的關系Fig.3 Relationship between actual gray value of raw coal and measured gray value

經對圖3中的關系得出原煤實際灰分值與在線測灰儀實際測得數據之間關系：

式中：y為原煤實際灰分值；x為在線測灰儀所測原煤的灰分值。

4.2 懸浮液密度的在線檢測

采用γ射線對懸浮液密度進行檢測，結合檢測結果通過模糊PID控制算法實現對重介質旋流器的自動化控制。在多次試驗的基礎上，得出當懸浮液的密度為1.37～1.4 g/cm3時，對應重介質旋流器的分選效果最佳。

4.3 磁性物含量和煤泥含量的在線檢測

磁性物的含量和煤泥的含量是影響重介質旋流器分選效果的關鍵。實際分選中磁性物的含量一般采用磁性物含量計進行檢測，煤泥含量只能夠通過磁性物的含量換算得出：

式中：DC為實際分選操作時煤泥的含量；D為實際分選操作時對應懸浮液的實時密度；DM為實際分選操作時磁性物的含量；δ1為實際分選操作時磁性物的密度；δ2為實際分選操作時煤泥的密度。

結合沙坪洗煤廠選煤廠的選煤工況，確定δ1=1.54 g/cm3；δ2=0.54 g/cm3。

5 結 語

沙坪洗煤廠重介質旋流器底流口直徑對分選效果的影響最大，其次為溢流管直徑，最后為溢流管插入深度；經正交試驗得出，當底流口直徑為38 mm、溢流管直徑為64 mm、溢流管插入深度為92 mm時，取得最佳分選效果。為重介質旋流器分選系統增加原煤灰分、懸浮液密度、磁性物含量以及煤泥含量等工藝參數的在線檢測。