旋流器離心濃縮工藝參數的優化

徐 達

（華陽新景礦洗煤廠， 山西 陽泉 045000）

0 引言

煤炭在我國國民經濟的發展中占據主導地位，繼而極大促進了煤礦的開采。在煤礦開采期間會產生大量的固體廢物，包括煤矸石、尾礦以及粉煤灰等。對于尾礦而言，其處理不當會對其存儲區域造成污染，也對下水造成污染，破壞了生態平衡。將尾礦濃縮處理后作為膠結體充填煤礦井下的采空區，不僅解決了尾礦環境污染的問題，而且解決了綜采工作面采空區塌陷的問題。對于尾礦的資源化利用的關鍵是采用適當的設備并配套合理的濃縮工藝對其進行濃縮處理[1]。本文將采用旋流器對尾礦進行濃縮處理，并通過試驗方式對其濃縮工藝參數進行優化。

1 水力旋流器概述

水力旋流器的一般結構如圖1 所示。

圖1 水力旋流器基本結構

如圖1 所示，水力旋流器主要包括有溢流口、入流孔、旋流腔、錐段以及沉砂口等。待處理的物料進入水力旋流器中后，物料在其中做螺旋運動并產生強烈的渦流。在上述作用下，物料分別通過溢流口和底流口排出，分為溢流口懸浮液和底流口懸浮液[2]。基于水力旋流器對尾礦進行濃縮的工藝流程如圖2 所示。尾礦在旋流器濃縮的作用下形成低濃度且可被回收利用的溢流和濃度較高的底流。其中，溢流在進一步重力濃縮的作用下對其中的水進行回收，形成的底流液與第一步中形成的高濃度底流合并形成高濃度濃縮的全尾礦。

圖2 水力旋流器分選尾礦工藝流程

從原理上講，影響水力旋流器最終濃縮或分選效果的參數包括有操作參數、結構參數和物性參數等。本文重點對水力旋流器錐角、進料濃度、底流口直徑、溢流口直徑等參數對濃縮效果的影響展開研究。

2 試驗方法的設計

本次試驗所選的尾礦的密度為2.78 g/cm3。經過對尾礦進行測試可知：該尾礦的顆粒直徑普遍處于0.450～0.074 mm 之間，即該尾礦屬于較粗的尾礦。基于水力旋流器對上述尾礦進行濃縮所設計的試驗裝置如圖3 所示。

圖3 水力旋流器濃縮尾礦試驗裝置組成

為能夠準確掌握不同工藝參數對應的濃縮效果，設定如下試驗步驟：

1）將尾礦與水按照一定的比例配制成待濃縮的物料，并在攪拌桶內對其進行充分攪拌。

2）將圖3 中的放料閥打開，而后開水力旋流器的進料泵，在泵的作用下將物料送入水力旋流器中；在送料過程中，通過對回流閥開口大小的調節實現對入料壓力和流量的控制。

3）旋流器對送入其中的物料進行處理，10 min 以后從回流管和溢流管中對樣品進行接收，并對相關物料的特性進行測試。

最終通過對底流口收集底流的濃度、固相產率兩項指標進行測量，從而實現對不同工藝參數下的濃縮效果。

3 旋流器濃縮工藝參數的優化

對于旋流器而言，影響最終濃縮效果的參數可分為結構參數和工藝參數。其中，結構參數中的直徑以及錐角根據旋流器的規格已經確定；在工藝參數中物料的粒度和密度等也已確定。因此，本文主要對可調變量進行研究，包括入料壓力、進料濃度、溢流口直徑和底流口直徑等。本文采用單因素變量法分別對上述四個參數的變化對濃縮效果的影響展開研究[3]。

3.1 入料壓力對旋流器濃縮效果的影響

在溢流口直徑為40 mm、底流口直徑為16 mm，錐角為8°、進料口直徑為25 mm、進料質量分數為10.21%時，分別對不同入料壓力為0.08 MPa、0.12 MPa、0.15 MPa 和0.20 MPa 下旋流器的底流濃度、溢流濃度、處理量、底流產率和溢流產率等指標進行統計，并形成如表1 所示的試驗結果。

表1 不同入料壓力下旋流器濃縮效果對比

如表1 所示，隨著入料壓力的增加對應旋流器的底流濃度、底流產率和處理量均在增加；而對應的溢流濃度和溢流產率均在減小。說明，隨著入料壓力的增加，對應旋流器的濃縮效果提升。但是，考慮到入料壓力越大對旋流器設備本身的磨損越發嚴重，從而影響設備的使用壽命；同時，入料壓力增大至0.15 MPa后，底流產率和處理量的增加不明顯[4]。

因此，綜合考慮將入料壓力設定為0.15 MPa 比較適宜。

3.2 溢流口直徑對旋流器濃縮效果的影響

設定旋流器內徑為125 mm、錐角為8°、進料口直徑為25 mm、底流口直徑為14 mm、入料壓力為0.15 MPa、進料濃度為20.11%時，分別對溢流口直徑為25 mm、30 mm、35 mm 和49 mm 下對應的旋流器的底流濃度、溢流濃度、處理量、底流產率和溢流產率等指標進行統計，并形成如表2 所示的試驗結果。

表2 不同溢流口直徑下旋流器濃縮效果對比

如表2 所示，隨著溢流口直徑的增加，底流濃度逐漸增加，而底流產率反而降低；對應的旋流器的處理量增加；對應的溢流濃度雖然呈現逐漸增加的趨勢，但變化不明顯；溢流產率逐漸增加。因此，綜合考慮表2 中五項指標的因素，最終確定將溢流口直徑確定在30～35 mm 之間比較適宜[5]。

在上述思路下，分別對不同進料濃度和底流口直徑下旋流器的濃縮效果進行對比。得出，為保證最佳的旋流器濃縮效果應將進料質量分數控制在20.11%，底流口直徑控制在14～16 mm 之間為最佳。

4 結語

水力旋流器可對煤礦生產的尾礦進行處理，對尾礦進行充分濃縮后，不僅可以解決尾礦堆積對周圍所在區域環境污染以及破壞生態平衡的問題；而且經濃縮后的膠結體還對煤礦工作面采空區進行有效支護。本文重點針對影響旋流器濃縮效果的參數進行優化，以保證在實際生產中旋流器濃縮系統的濃縮指標相對穩定。在充分試驗的基礎上得出旋流器濃縮效果最佳的工藝參數如下：入料壓力為0.15 MPa，進料質量分數為20.11%，溢流口直徑控制在30～45 mm 之間，底流口直徑控制在14～16 mm 之間為最佳。