重介质旋流器结构参数对分选效果的影响.pdf

收稿日期2 0 0 5 0 4 0 5 作者简介杨建国 1 9 6 4 - ,男,江苏省南通市人,副教授,博士,从事煤炭分选方面的研究. E - ma i l g j y c u mt t o m. c o mT e l 0 5 1 6 - 3 8 8 3 1 2 7 第3 4卷 第6期中国矿业大学学报 Vo l . 3 4 No . 6 2 0 0 5年1 1月J o u r n a l o f C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n g重产物出 口面积决定了旋流器的分流比和分选密度.采用两段等密度精选工艺可显著提高分选精度,采用 新型结构的旋流器工业性运行中,对极难选煤可能偏差E值达0 . 0 1 5 . 关键词重介旋流器;涡旋流;分选精度;磨损 中图分类号T D9 2 . 6文献标识码A E f f e c t o f S t r u c t u r a l P a r a me t e r s o f He a v yMe d i u m C y l i n d r i c a l C y c l o n eo nS e p a r a t i o nE f f i c i e n c y YANGJ i a n - g u o ,WANGYu - l i n g S c h o o l o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y , C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n gwh i r l - f l o w;s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ;we a r 重介质选煤方法是目前可以工业化的分选效 率最高的选煤方法[ 1 - 2 ].随着工艺的不断完善和相 关设备制造技术的发展,重介质选煤方法正在中国 得到迅速的推广.在近几年设计的选煤厂中,采用 重介质旋流器选煤工艺的占多数[ 3 ]. 在实际工业性使用过程中,重介旋流器的磨损 失效是影响旋流器使用寿命的主要原因.目前工业 上使用的重介旋流器的平均大修期在12 0 0h左 右,整机寿命50 0 0h左右;分选精度指标E值一 般在0 . 0 3 ～0 . 0 5g / c m3.此外,当入料的0 . 1g / c m 3达到 9 0 以上时如超纯煤的生产、中煤精选 等 ,已有工业化重介旋流器的分选精度仍然不能 满足工业生产需要[ 3 - 7 ]. 本文旨在通过优化旋流器的结构,改善旋流器 内悬浮液的流态,为分选提供更适宜的条件. 1 重介旋流器结构形式 从理论分析及实际生产情况看,要大幅度提高 旋流器的单段分选精度是非常困难的. 图1为典型的重选分配曲线示意图,图中两个 阴影部分分别为污染到轻产物中的高密度物料和 损失到重产物中的低密度物料.在提高单段分选密 度,即提高曲线斜率有限的情况下,设法进一步排 除部分污染到轻产物中的高密度物料量,也是提高 轻产物纯度的有效措施. 图1典型重选分配曲线 F i g . 1 T y p i c a l d i s t r i b u t i o nc u r v e 通过两段等密度分选,可实现更高的分选精 度.在一个旋流器中实现两次分选,有两种工艺方 案一种是精煤精选,一种是尾煤扫选.尾煤扫选重 在提高产率,精煤精选侧重提高精煤质量.目前,工 业上使用的重介旋流器主要有圆筒型无压给料 重介质旋流器和圆筒圆锥型有压给料重介质旋 流器两种形式,均为尾煤扫选工艺. 从分配曲线上可以更清楚地分析,进行等密度 精选,能起到提高超低灰无烟洁净煤质量的作用. 图2为典型的两段三产品重选分配曲线示 意图,从图中曲线的形状看出,由于两段的分选密 度差异较大,第一段的分选对第二段的分选影响较 小.混入轻产物的高密度物料量并没有明显减少. 因此,无论是先出重产物先进行高密度分选还是 先出轻产物即先进行低密度分选都不能在不明 显降低轻产物产率的前提下,提高轻产物的纯度. 图2三产品重选分配曲线 F i g . 2 D i s t r i b u t i o nc u r v e s o f 3 - p r o d u c t s s e p a r a t i o n 当两段分选密度相近时,第一段的分选结果显 著地影响第二段邻近密度物的含量,从而使折合到 最初入料的分配曲线发生了变形.该变形与采用轻 产物精选还是重产物扫选有着直接的关系.图3为 两段等密度分选情况下的对轻产物进行精选的分 配曲线形式,由图可以明显地看出,通过对粗选轻 产物的等密度精选,可以在损失少量低密度物料的 情况下,较大幅度地降低污染到轻产物中的高密度 物料量,有效地提高了综合分选精度和轻产物的纯 度.以密度接近于分选密度的物料为例,在一段分 选时,有5 0 的概率进入轻产物,在二段分选时, 这些物料又只有5 0 的概率进入最终轻产物,因 此,最终只有2 5 的概率进入轻产物,依此类推. 根据以上分析,确定采用轻产物精选方式构成两段 分选的重介旋流器. 图3两段等密度重选分配曲线 F i g . 3 D i s t r i b u t i o nc u r v e s o f t wos t a g e y wi t hs a mes e p a r a t i o nd e n s i t y 国际上采用轻产物精选的重介旋流器只有美 国的T r i - F l o一种.该旋流器采用两个圆筒重介旋 流器同轴串联而成;两段直径相等,分别使用两个 不同密度的悬浮液,实现由低到高双密度分选. 2 圆筒重介旋流器结构参数研究 圆筒型旋流器的给料口直径和插入深度、旋流 器各介质入口的形状和几何尺寸、旋流器两个重产 物口的形状和几何尺寸、旋流器的中间联结管的直 径和两端长度、旋流器轻产物口直径和插入深度, 以及旋流器两段的长度等结构参数对旋流器的分 选精度和实际分选密度有重要的影响.这里主要讨 论圆筒型重介旋流器直径,介质入口截面积与流道 形式,入料口和轻产物口直径,重产物口反压力与 截面积,旋流器长度等主要结构参数对涡旋流态和 分选效果的影响. 2 . 1 圆筒重介旋流器的直径 旋流器的直径是旋流器最为基础和重要的结 构参数.它决定了旋流器的其它结构参数和处理能 力、入料上限、分选下限、分选精度等性能参数. 处理能力是决定旋流器直径的主要参数.就同 177 第6期杨建国等重介旋流器结构参数对分选效果的影响 一系列旋流器而言,其处理能力与直径的平方大致 成正比.中国生产的重介旋流器的处理能力基本满 足以下关系 Q KD 2, 式中 Q为旋流器干物料处理能力, t / h ; K为与给 料方式有关的常数,直接给料时 K1 5 0 ,旋转给 料K2 8 0 ; D为旋流器直径, m. 由流体力学分析可知,球形颗粒在悬浮液中的 自由沉降末速为 v0 4 g 3 ds ρs-ρ へC ρ . 式中 v 0为球形颗粒的自由沉降末速, m/ s ; d0为球 形颗粒的粒度, m; ρ为悬浮液的密度, k g / m3; ρ s为 球形颗粒的密度, k g / m3; C为阻力系数; g为重力 加速度, m/ s 2. 由此可见,随着颗粒粒度的减小,径向按密度 分离的速度v 0就越小. 进一步的计算还表明,随着 颗粒粒度的减小,达到沉降末速的时间也越长.因 此,旋流器直径越大,则分选粒度下限越粗,分选精 度越低. 本项研究中,第一段排出绝大部分重产物后, 进入第二段的物料相对减小,可采用较小直径的重 介旋流器;同时,在同等入口速度情况下,小直径重 介旋流器具有更高的分选精度和相对较高的分选 密度.大量理论与试验研究结果表明,适宜的直径 比可有效地抵消一段重介旋流器对介质的浓缩作 用,使得旋流器可以在两段入口压力相同或相近的 情况下实现等密度分选. 2 . 2 旋流器的介质入口截面积与流道形式 旋流器的介质入口截面积决定重介旋流器的 悬浮液流速和流量,以及旋流器内组合螺旋涡的形 态.而后者至今尚未见之于公开报道.清水试验结 果表明,当旋流器的入口流速小于8m/ s时,旋流 器内空气柱呈现明显的圆台形,随着流速的增加, 圆台两端的直径差逐渐减小;但是,当入口流速达 到1 0m/ s以上时,中心空气柱逐渐开始出现弯曲, 到1 5m/ s时,最大偏离点已接近旋流器的内壁.表 征了稳定的组合螺旋涡已完全被破坏.考虑到悬浮 液在旋流器中实际形成的异重流,可以在一定程度 上对螺旋涡起到稳定作用,实际设计时流速通常选 在8 ～1 2m/ s范围内.实际分选条件优化试验也进 一步证明了这一点. 除了旋流器的介质入口截面积外,旋流器介质 入口的流道形式也对旋流器内介质流态有着显著 的影响,并在一定程度上决定了旋流器的抗磨性 能.国外学者曾对此作过一定的研究,并开发出渐 开线等形式的入口流道,在一定程度上改善了旋流 器的分选效果和抗磨性能.而目前国内市场的重介 旋流器,基本上还是沿用最原始的切线入口流道方 式.研究结果表明,介质入口流道的初始段主要影 响悬浮液对流道的冲刷冲蚀磨损作用,而尾段则 主要影响旋流器内螺旋涡的形态和紊流区域的大 小. 悬浮液中颗粒对流道的冲蚀磨损作用与颗粒 的冲角成正比,减小紊流是防止冲蚀的途径之一. 在此基础上,使一部分外层细颗粒在离心力的作用 下,以很小的角度逐渐沉积,形成保护层可以更进 一步防止冲击.当保护层的厚度与冲击角成正比的 时候,就使冲击磨损转化为滚动摩擦磨损.采用上 述途径设计的分段过渡螺线流道,在实验室检测中 能完全消除冲击效应,工业样机在实际运行4 00 0 0 h后, 未出现明显的冲蚀坑. 2 . 3 旋流器的入料口和轻产物口直径 圆筒形重介旋流器的入料口,在保证被选物料 顺利进入的同时,还需要确保中心空气柱的畅通. 本项研究首次采用锥斗预旋给料方式,使入料沿圆 环断面进入旋流器保证了中心空气柱的畅通. 轻产物口溢流口直径决定了旋流器内空气 柱的直径大小.就圆筒型无压给料旋流器而言,大 直径旋流器需要有更大的空气柱,以便能给入更多 的被选物料.德里生由试验得出旋流器内空气柱的 半径可用下式表示[ 1 ] r0 R0 へe 0 . 6 0 6 R0, 式中 r 0为空气柱的半径, m; R0为旋流器溢流管半 径, m; e为自然对数的底. 溢流口半径与空气柱半径之差即为溢流层的 厚度.在其它参数一定的情况下,该厚度直接影响 内旋流的轴向运动速度和分选层厚度. 2 . 4 旋流器的重产物口反压力与截面积 圆筒型旋流器的重产物口反压力决定了旋流 器介质分配比例、实际分选密度与悬浮液密度之 差、旋流器的排矸能力以及最大处理粒度等性能参 数.半工业性试验研究结果表明,分选密度越接近 于悬浮液密度,其分选精度就越高. 旋流器的重产物口反压力可以通过限制重产 物口截面积和附加反压装置两种方式来实现.后者 采用较大的截面积,因而,对入料的粒度上限和含 矸率有更大的适应性.在一定程度上,可以认为,采 用附加反压装置的旋流器重产物口的截面积实际 277 中国矿业大学学报第3 4卷 上是没有严格限制的. 2 . 5 圆筒重介旋流器的长度 圆筒旋流器的长度直接影响物料在旋流器中 的分选时间.从示踪粒子在旋流器内的运动轨迹 看,重颗粒在进入旋流器后立即沉向器壁而排出, 轻颗粒则沿着中心空气柱表面向轻产物口滑行,只 有中间密度物料才在沿旋流器长度方向较长的分 选段内得到逐步分选.因此,旋流器的长度还决定 于入料中临近分选密度物料的多少.较多的中间密 度物料需要较长的旋流器进行有效分选. 圆筒重介旋流器的长度同时还影响旋流器内 流场的稳定性和入口压力的大小.实验结果表明, 重介旋流器的长度过大,一方面需要更高的入口压 力来保持两端空气柱的直径比,另一方面,又使空 气柱更容易产生弯曲.通常以直径的1 . 5到3倍为 宜,入料粒度越粗,相对长度越短. 3 工业应用 在以上研究基础上设计的HMC C系列精选型 圆筒重介质旋流器,应用于宁夏太西选煤厂超纯煤 制备工艺系统,分选精度E值≤0 . 0 1 5 ,解决了 0 . 1含量大于9 0 极难选煤的分选难题,突破了物 理选煤法的适用界限;旋流器实际无故障运行时间 达1 00 0 0h以上,提高了可靠性和经济性. 新型重介旋流器的研制,为超纯煤的生产和中 煤的精选提供了高精度的核心设备,并在一定程度 上解决了现有重介旋流器的磨损问题,使重介旋流 器的有效使用寿命延长了一倍以上. 4 结论 1 通过两段等密度分选,可实现更高的分选 精度.采用轻产物精选工艺,可以更好地确保轻产 物的纯度. 2 圆筒型旋流器的给料口直径和插入深度、 旋流器各介质入口的形状和几何尺寸、旋流器两个 重产物口的形状和几何尺寸、旋流器的中间联结管 的直径和两端长度、旋流器轻产物口直径和插入深 度,以及旋流器两段的长度等结构参数对旋流器的 分选精度和实际分选密度有显著影响.通过结构优 化,明显地提高了旋流器的分选精度和抗磨性能. 3 采用研制的HMC C系列精选型圆筒重介 质旋流器,工业分选精度E值≤0 . 0 1 5 ,可实现对 0 . 1含量大于9 0 的极难选煤的分选;旋流器实 际无故障运行时间达1 00 0 0h以上,提高了可靠 性和经济性. 参考文献 [ 1 ] 孟凡芹,王耀才,姜建国,等.重介工艺悬浮液密度和 液位的多变量模糊控制方法研究[ J ] .中国矿业大学 学报, 2 0 0 5 , 3 4 1 2 5 2 - 2 5 5 . 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