重介質旋流器的結構優化設計研究

李 強

（晉能控股煤業集團大地選煤工程（大同）有限責任公司，山西 大同 037003）

引言

目前，在礦井選煤技術中，選用重介質選煤技術的比例在逐漸攀升，尤其是對于粗煤泥的高效回收分選，采用重介質選煤方法具有很好的分選效果，且普遍適用性也很好，因此，應用重介質旋流器分選技術具有很好的發展前景[1-2]。重力分選中，在流體介質中礦物顆粒的沉降屬于最基本的運行形式，因物料本身的密實度、粒徑以及形狀、大小的不一樣，直接造成在流體介質中的沉降速度不一樣，因此，重介質旋流器是基于阿基米德機理實現其內部的離心力場，并依靠離心沉降來完成對煤炭的分選工作[3-4]。此外，重介質旋流器分選煤泥的特點有：其可以與浮選機配合使用，形成完整的煤炭分選體系；可以采用主選旋流器對介質進行濃縮分級，使進入煤泥重介的粒度較細，細粒物料的分選精度也提高；其屬于物理分選技術，相比于浮選工藝，分選效果比較好；可運用密度來進行煤泥的重介分選，對密度大的細粒礦物物料的脫除效果更好[5]，因此，重介質旋流器的分選原理簡單、分選效率相比與其他設備要高，還可進行連續操作，分選效果好。但是，由于傳統重介質旋流器內部存在一個不斷擺動的空氣柱，不僅會形成湍流混合，還會發生降低分離效率和分離精度等現象[6]。本文對重介質旋流器進行優化設計，采取獨特的溢流中心管，不僅弱化了空氣柱，使湍流混合最小化，且提高分選精度，能達到很好的分選效果。

1 新型重介質旋流器的結構組成及分選原理

對于傳統重介質旋流器，其給料方式為切向或漸開線，每端都有出口，因空氣柱與反向渦流的作用影響，除會形成湍流混合外，還會造成煤泥的分選效果降低，往往達不到預期的分選效果[7]。本文對溢流管進行單獨設計，并插入一定的深度，同時將重介質旋流器的入料口與重產物的出口截面都設計為圓形。此外，為便于后期研究，又將其化圓為方，并保證其相同的截面積和入口流量。其中，傳統和優化后介質旋流器的結構分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 傳統重介質旋流器的結構

圖2 優化后重介質旋流器的結構

對于優化后的重介質旋流器，其分選原理是將需要分選的煤介和重介質懸浮液進行混合，然后將得到的混合物從入料口沿切向方向送入旋流器中。漿料混合作用形成的離心力作用于漿料中的顆粒，并在流體曳力、離心力和湍流擴散等的作用下，依據密度大小對物料顆粒完成分離。當弱化空氣柱時，物料依據密度徑向分成兩塊，可使因流場干擾作用產生的湍流混合達到最低化[8-9]。所以，高于重介質密度的物料，被移至位于緊靠旋流器器壁的方位，以螺旋流動方式沿著器壁向下移動，直至經位于旋流器底端的重產物出口排出；小于重介質密度的物料，向中間方位進行移動，最后經旋流器的輕產物出口排出，因此，物料可被分成輕、重產品兩類。因輕、重產物的出料口均位于同一方位，這樣就降低了傳統旋流器出現的物料顆粒振動滯留現象[10]。

2 重介質旋流器的結構優化設計研究

本文中優化后的重介質旋流器，其結構參數為：直徑為300 mm，進料口方形尺寸是45 mm×45 mm，筒體長度850 mm。試驗中，選用的細粒煤粒徑小于等于2 mm，且小于0.5 mm 的礦物顆粒約占總數的1/4 左右，并且僅加入磁鐵礦粉，在入料口位置處安裝壓力表測量入料物料的壓力，電磁流量計測量流量大小，還采用密度壺儀器檢測各個出口位置的密度值。

首先對細粒煤的分配進行分析，得到圖3 所示的曲線，從圖3 中可看出，物料的分選密度δp是1.34 g/cm3，與入料密度相比約小0.11 g/cm3，且結果也與傳統旋流器不同，采用新型旋流器分選的密度始終小于進料口密度。此外，從圖3 中還可看出，可能偏差Ep值是0.04，對細粒煤的分選精度也比較高，明顯優于傳統結構的旋流器，這就表明，應用該重介質旋流器對細粒煤的分選效果比較好。

圖3 細粒煤（粒徑小于等于2 mm）分配曲線

因為優化后的旋流器使空氣柱弱化，對細粒煤的分離精度好，可使因隨機偏心運動的空氣柱產生的湍流混合最低化。且輕產物出口的應用設計也降低了傳統重介質旋流器中產生的向上、向下渦流相互間的剪切作用引起的湍流混合，湍流混合降低后，物料的分選效果就會更好。

為深入研究不同入料壓力對粗煤泥分選效果的影響，本文選取兩種不同入料壓力為0.035 MPa 和0.05 MPa，且只加入磁鐵礦粉，入料密度均為1.5 g/cm3，并采用密度示蹤劑得到圖4 和圖5 所示的分配曲線。在試驗中，在位于輕重產物的出口處，加入入料介質示蹤劑，對其進行回收利用。

圖4 入料壓力是0.035 MPa 時，得到的密度分配變化曲線

圖5 入料壓力是0.05 MPa 時，得到的密度分配變化曲線

從圖4 和圖5 中均可看出，入料壓力的不同不僅對分選密度產生影響，也對可能偏差Ep產生了影響，當入料壓力是0.035 MPa 時，分選密度是1.36 g/cm3，Ep值是0.06；當入料壓力是0.05 MPa 時，分選密度降低至1.32 g/cm3，Ep值減小為0.017。由此可見，只有當入料壓力大于某個值時才能保證礦物顆粒的快速分選。且在進料口壓力是0.05 MPa 時，分選密度和入料密度相差高達約0.18 g/cm3，表明該入料壓力下，物料能夠有效地分離。相比于常規旋流器，結構優化后的旋流器存在顯著的優點，表現為：在低密度分選的前提下，不會影響介質的穩定性，這是由于入料介質的密度遠大于分選密度，而對常規旋流器，由于其入料介質的密度比分選密度要小，當在分選密度較低的情形下，會引起入料介質穩定性較低的情形。此外，從兩個圖中還可看出，可能偏差Ep值及分選密度都隨著入料壓力的增大而減小。

3 結論

針對傳統重介質旋流器的分離效率和分離精度比較低的現象。本文設計新型重介質旋流器，采用獨特的溢流中心管，不僅降低了物流分選中的流體紊亂，且弱化了中間空氣柱，對直徑是300 mm 的旋流器進行研究，結論如下：

1）新型重介質旋流器，不僅減少了湍流混合，且提高了分離精度。對粒徑小于等于2 mm 的細粒煤分選時，得到的可能偏差Ep值是0.04。

2）入料壓力會直接影響分選機的分選效果，且分選密度和可能偏差Ep值均隨著入料壓力的增大而降低。