分選機的設計及試驗研究

張 靜

（山西焦煤霍州煤電李雅莊礦洗煤廠， 山西 臨汾 031400）

0 引言

煤炭是我國基礎能源，在未來其將仍然在我國能源結構中占據主導地位。煤炭的應用會帶來懸浮物，對環境造成污染。實現煤炭的清潔化利用是非常有必要的，除了在煤炭應用中采用先進的燃燒技術外，還需對原煤進行處理，重點脫除其中的灰分和無機硫。干擾床分選機作為煤炭洗選的關鍵設備，其在實際應用中具有高自動化水平、低能耗以及高效率的優勢。但是，針對粗煤泥的分選而言，由于粗煤泥中的中間密度級物料的含量較多，導致采用傳統分選機時對應的困難較大[1]。因此，本文將根據實際需求完成對新型分選機的設計，并對所設計分選機的效果進行試驗研究。

1 分選方案的優選

本文重點將根據實際分選需求采用流體模擬分析軟件對不同結構的新型分選機的性能進行對比，從而設計出結構最佳、性能最優越的分選機。

為解決有些物料非常難洗選的問題，需要為其設計更加有效的分選方案。對于難分選的物料，由于待分選物料主要的特征為其中間級粒度的物料含量較大，也就是說各級物料的密度相對均勻[2]。因此，針對上述問題，需對難以分選的物料采取兩段分選的方案實現其功能，包括底流再分選或溢流再分選兩類方案，如圖1 所示。

圖1 兩段分選方案示意圖

上述兩段分選方案的核心區別在于底流再分選方案中二段的流速大于一段的上升水流；溢流再分選方案中二段的流速小于一段的上升水流。兩種分選方案的詳細對比如表1 所示。

表1 底流再分選和溢流再分選方案對比

在上述對底流再分選方案和溢流再分選方案對比的基礎上，本文將采用溢流再分選方案為基礎設計新型分選機。

2 新型分選機的結構設計

基于所確定的溢流再分選的兩段分選方案，本節將參照其原理完成新型分選機的關鍵結構設計。

2.1 新型分選機給水結構的設計

從原理上講，影響物料分選效果的關鍵因素之一為給水情況。分選機的給水情況主要與其給水結構相關，包括給水泵、管路、布水裝置等。其中，布水裝置是給水結構的核心，其對是否能夠保證上升水流穩定進入分選空間中作用顯著[3]。一般情況下，布水裝置的功能主要依靠布水板或者流體分布器實現。本小節重點完成流體分布器的結構優化設計。

在分選機上需要布置一定數量水平支管，水平支管的布置疏密程度對分選效果會有一定的影響。當水平支管的間距過小時，雖然對應的上升水流相對均勻，但是會影響最終的排料效果；當水平支管的間距過大時，雖有利于排料但是對應上升水流波動相對嚴重。經研究，將水平支管的間距設定為6 mm 為最佳。

該新型分選機采用U 型連通器的結構實現分選空間與供水結構的連接，基本結構如圖2 所示。

圖2 U 型連通器結構

針對圖2 中的連通器結構，可采用三種給水結構，包括右側直接給水、右側直接給水+底部布水板、U 型給水結構。三種結構對應的管路內的速度仿真對比如圖3 所示。

圖3 不同給水結構對應截面速度仿真結果

由圖3 可知，右側直接給水結構對應的上升水流波動嚴重；而右側直接給水+底部布水板結構和U型給水結構的上升水流相對穩定，而且U 型給水結構的穩定性更好。因此，本分選機確定為U 型給水結構。

2.2 分選腔參數確定

2.2.1 分選腔直徑確定

鑒于PVC-U 質地輕、耐腐蝕以及容易加工等特點，本分選機分選腔配套的給水管采用PVC-U 材質。根據GB/T 20221—2006 的相關規定，并結合分選機的實際功能要求，分選腔的直徑不宜過大也不宜過小。同理，在仿真計算的基礎上確定分選腔的具體參數如表2 所示。

表2 分選腔直徑參數 單位：mm

2.2.2 分選腔高度及底流口直徑確定

結合分選機的處理能力以及上述已經確定的分選機其他結構參數，初步確定分選腔高度為600 mm、900 mm 和1 200 mm；底流口直徑為10 mm、20 mm 和40 mm。對于上述不同分選腔高度和底流口直徑所組成的九種組合下的速度云圖進行對比。具體如下：

隨著底流口直徑的減小，對應上升水流的穩定性越好；但是，當底流口直徑過小時，會影響設備最終的排料性能[4]。因此，確定底流口直徑為20 mm。

而且，當分選腔高度大于900 mm 時，對應設備上升水流才開始區域穩定；而且，在1 200 mm 時，整個分選腔內的水流已經十分穩定了。因此，確定分選腔高度為1 200 mm。

3 分選機的試驗研究

根據上述所設計的分選機的參數進行加工，并根據相互關系進行安裝，組裝成的分選機實物如圖4 所示。

圖4 分選機實物

將如圖4 所示的分選機應用于實際生產中，對所設計的分選機的最佳運行參數進行確定。在大量實踐運行的基礎上，對數據進行統計總結得出如下：該分選機對應的最佳入料粒度為1.0～0.25 mm；分選機的最佳內筒流量為1.8 cm3/h，最佳外筒流量為2.0 cm3/h。

對應的在不同階段的效果和灰分比如表3 所示。最終分選后精煤的回收率可達90.68%，具有較為優秀的分選效果。

表3 分選機不同階段分選效果

4 結論

煤礦洗選的主要作用是將煤炭中的灰分進行去除，避免燃燒時造成嚴重的粉塵，從而對環境造成污染[5]。分選機作為煤礦洗選的關鍵設備，其對密度相對均勻物料的分選效果較差。針對此問題，本文設計了基于二段再分選的方法的三產品干擾床分選機，重點對該設備的給水結構，分選腔高度、直徑以及底流口直徑等參數進行確定，并總結如下：

1）采用U 型給水結構，對應分選腔的高度為1 200 mm，分選腔外筒直徑為200 mm，內筒直徑為75 mm，中筒直徑為110 mm；底流口直徑為20 mm。

2）確定該分選機的最佳運行工藝參數如下：入料粒度為1.0～0.25 mm；內筒流量為1.8 cm3/h，外筒流量為2.0 cm3/h。最終分選后精煤的回收率可達90.68%。