田忠坤

(煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北 唐山 063012)

1 概述

隨著采煤機(jī)械化程度的不斷提高，原煤中細(xì)粒級(jí)物料含量在逐漸升高。目前，廣泛應(yīng)用的選煤工藝，主要有基于密度差異的跳汰選、重介選及基于表面物理化學(xué)性質(zhì)差異的浮選等。對(duì)大于3.0mm的粗顆粒煤，可用重力分選方法進(jìn)行有效分選, 小于0.3mm的細(xì)煤泥可用浮選，均能達(dá)到較好的效果；而對(duì)于>0.3mm的粗煤泥，分選效果并不理想，即在重選和浮選之間存在著有效分選粒度的缺口，傳統(tǒng)細(xì)粒煤分選設(shè)備不能對(duì)其進(jìn)行有效分選，從而導(dǎo)致細(xì)粒煤的分選效果不佳、整體分選效率偏低。因此，在煤泥水處理系統(tǒng)中，采用粗煤泥分選和浮選聯(lián)合工藝, 才能最大限度地回收細(xì)粒級(jí)精煤, 保證精煤產(chǎn)率。

MJXJ型粗煤泥分級(jí)分選機(jī)是在深入研究顆粒干擾沉降理論的基礎(chǔ)上，借鑒吸收國(guó)外上升流水力分選機(jī)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)研究的前提下，研制的粗煤泥分級(jí)分選一體化設(shè)備。它是將水力分級(jí)旋流器與上升流水力分選機(jī)的完美結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了粗煤泥(3.0～0.3mm)與細(xì)煤泥(<0.3mm)之間的分級(jí)，而且有效地實(shí)現(xiàn)了粗煤泥的分選。該設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 工作原理

煤泥水以一定壓力沿切線方向給入粗煤泥分級(jí)分選機(jī)上部的旋流器，在旋流器內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)、外旋流，并在內(nèi)旋流中間形成空氣柱。在離心力的作用下，粗顆粒的慣性力大，能夠克服水力阻力靠近器壁，而細(xì)顆粒的慣性力小，隨料漿回轉(zhuǎn),形成粗細(xì)顆粒由器壁向中心的分層排列。在后續(xù)給料的推動(dòng)下，粗煤泥沿器壁由底流口排出，細(xì)煤泥則由溢流口排出，從而完成了粗細(xì)煤泥的分級(jí)。

表1 MJXJ型粗煤泥分級(jí)分選機(jī)的主要技術(shù)特征

旋流器底流粗煤泥由中央給料箱進(jìn)入粗煤泥分級(jí)分選機(jī)下部的分選槽中，水由泵打入分選槽底部的流體分配器,并在槽體內(nèi)產(chǎn)生向上水流。入料中那些沉降速度恰好等于上升水流速的組分懸浮于分選槽中,形成具有一定密度的懸浮液干擾床層。干擾床密度可由上升水流的速度來(lái)控制。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),入料中那些沉降速度低于上升水流速的顆粒將進(jìn)入溢流成為精礦, 而沉降速度大于上升水流速的顆粒將穿過(guò)床層進(jìn)入底流成為尾礦, 從而實(shí)現(xiàn)粗煤泥的分選。

3 工藝系統(tǒng)

MJXJ型粗煤泥分級(jí)分選機(jī)的工藝系統(tǒng)，主要由入料系統(tǒng)和上升水流供給系統(tǒng)組成。

3.1 入料系統(tǒng)

粗煤泥分級(jí)分選機(jī)的入料粒度范圍大致在3.0～0mm，為了達(dá)到更好的分選效果，一般情況下在1.0～0mm。入料系統(tǒng)采用煤泥混料桶及泵裝置。為了確保穩(wěn)定的入料壓力, 要求保證粗煤泥分級(jí)分選機(jī)中，水力分級(jí)旋流器入料口處線速度為5～6m/s，入料壓力為0.1MPa～0.15MPa，入料濃度不宜過(guò)大，一般情況下不要超過(guò)200g/L，否則不僅易堵塞，而且影響分級(jí)效果。入料進(jìn)入粗煤泥分級(jí)分選機(jī)上部的分級(jí)旋流器進(jìn)行煤泥濃縮和分級(jí)，通過(guò)閥門來(lái)控制流量和壓力來(lái)確保其底流濃度達(dá)到400～500g/L，也保證下部分上升水流分選裝置入料的濃度要求。

3.2 上升水流供給系統(tǒng)

為使粗煤泥分級(jí)分選機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行，要求上升水的供給有專用水源，并且供水壓力為0.07MPa～0.1MPa。這將通過(guò)下述幾種技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)。無(wú)論采用哪種供水方法，為了控制上升水流速，設(shè)備供水管路中都應(yīng)該設(shè)有閥門和流量計(jì)。

3.2.1 專門給水箱

對(duì)于設(shè)備的給水，可以選擇在設(shè)備進(jìn)水總管上8～10m處安裝一個(gè)給水箱。由于給水箱的溢流穩(wěn)定，因此水壓頭保持恒定。設(shè)備供水管路必須安裝截止閥。

3.2.2 專門給水桶和給水泵

設(shè)備給水也可采用單獨(dú)的給水桶和給水泵。如果采用這種給水方式，在給水泵停止工作后，往往會(huì)使設(shè)備中的礦漿及管路中的煤泥水流向低處的排放口及管路, 造成上升水流布水板塑性塞孔堵塞和位于槽體下部壓力室內(nèi)淤積煤泥。為解決這一虹吸問(wèn)題, 應(yīng)保證給水管高出設(shè)備槽體溢水堰1m以上，并在給水管路上設(shè)置防虹吸裝置,見(jiàn)圖1。

圖1 上升水流入水管布置方式

3.2.3 直接輸送高壓水

如果從成本角度和工藝角度考慮，上述兩種方法都不能實(shí)現(xiàn)，并且現(xiàn)場(chǎng)有現(xiàn)成的高壓水裝置，這樣可以從高壓管路上引出一條分支管接到設(shè)備給水口，再使用一個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)控制給水壓力。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粗煤泥分級(jí)分選機(jī)由水力分級(jí)旋流器裝置、上升水流分選裝置和控制裝置組成，見(jiàn)圖2。

4.1 水力分級(jí)旋流器裝置

水力分級(jí)旋流器裝置，是由一組(二個(gè)或二個(gè)以上)平行的水力分級(jí)旋流器組成，這與國(guó)外多選用單一大直徑旋流器有所不同，其特點(diǎn)是每個(gè)旋流器入口均采用漸開(kāi)線給料方式。應(yīng)用的旋流器有φ100～800mm等多種規(guī)格,其直徑以φ150～500mm為宜，具有15～25mm厚襯里以及其他一些為減少磨損的設(shè)計(jì)特征。

圖2 MJXJ型粗煤泥分級(jí)分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

典型旋流器的圓柱段長(zhǎng)度等于旋流器直徑，并配以200圓錐角。對(duì)于細(xì)粒分級(jí)，傳統(tǒng)的方法是加長(zhǎng)圓柱段長(zhǎng)度提供較長(zhǎng)的停留時(shí)間，允許旋流器采用較小的溢流管，這樣雖然較好地改善旋流器的性能，但卻降低了切向速度，不利于處理能力的提高。通過(guò)我們大量的實(shí)驗(yàn)研究，一個(gè)較好的方法是采用一個(gè)較長(zhǎng)的園錐段，錐角為10°～15°之間。較長(zhǎng)的圓錐體段可較精確地分級(jí)細(xì)粒,并且處理能力較大。試驗(yàn)表明,10°錐角旋流器要比20°錐角旋流器要好得多,不管進(jìn)口設(shè)計(jì)如何。

長(zhǎng)圓錐體段不是唯一的解決辦法。保持料漿以最大切線速度通過(guò)旋流器整個(gè)長(zhǎng)度，是達(dá)到最佳性能的關(guān)鍵。

4.2 上升水流分選裝置

上升水流分選裝置由給料箱、主槽體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、密度傳感器和控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

4.2.1 給料箱

沿切線方向入料的給料箱作用是收集旋流器底流的物料，使其進(jìn)入到主槽體的中部。整個(gè)給料箱采用了含90%氧化鋁陶瓷作為內(nèi)襯以防止磨損。

4.2.2 主槽體

主槽體分四個(gè)部分：壓力室、分選槽體、上升水流管和溢流槽。壓力室位于槽體的底部，上升水流布水板將其與分選槽體分開(kāi)。上升水流管包括一個(gè)焊接于設(shè)備槽體周圍的環(huán)形槽體和多個(gè)均布彎管。環(huán)形槽體的作用，一是兼顧槽體結(jié)構(gòu)，二是使打入的上升水通過(guò)多個(gè)均布彎管均勻的分配到壓力室中。溢流槽的作用是收集分選后的精煤產(chǎn)品，并將產(chǎn)品溢流轉(zhuǎn)入后續(xù)洗選工序。

4.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)有執(zhí)行器、閥門推桿及陶瓷梭形閥門組成。其核心是執(zhí)行器，執(zhí)行器的作用是直接接受主廠房PLC的4～20mA電流信號(hào)，來(lái)控制梭形閥的開(kāi)啟或開(kāi)度。其接收識(shí)別信號(hào)和排料動(dòng)作的精確與否, 對(duì)粗煤泥有效分選起著決定性作用。與國(guó)外普遍采用的氣動(dòng)執(zhí)行器相比，采用電控液動(dòng)復(fù)合型執(zhí)行器具有定位精度高(達(dá)到0.15%)、響應(yīng)速度快(可達(dá)0.01s)、輸出力大(最大可達(dá)100kN)、可實(shí)現(xiàn)100%連續(xù)調(diào)節(jié)工作、能耗低(低于2kW)、維護(hù)簡(jiǎn)便、操作方便、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。

4.2.4 密度傳感器

密度傳感器可稱為靜壓液位變送器，是由兩個(gè)不同長(zhǎng)度的靜壓液位變送器浸入到分選槽體內(nèi)部的某特定位置，來(lái)測(cè)量出它們之間的密度差。它可將紊流床層內(nèi)部的靜水壓力轉(zhuǎn)換成為4～20mA的電流信號(hào)，并將該信號(hào)傳到工廠內(nèi)的PLC，起到床層內(nèi)的任何密度變化都將產(chǎn)生一個(gè)4～20mA的信號(hào)去操作執(zhí)行器。

4.3 控制系統(tǒng)裝置

為精確地對(duì)入料進(jìn)行分選，床層密度必須保持連續(xù)性，床層密度由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)包括密度傳感器、執(zhí)行器、PLC控制器以及流量測(cè)量、壓力測(cè)量?jī)x器等。控制系統(tǒng)的配置，需要可以因入料的不連續(xù)和密度變化而為設(shè)備提供穩(wěn)定的運(yùn)行條件?？刂葡到y(tǒng)組成見(jiàn)圖3。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

5 粗煤泥分級(jí)分選機(jī)上升流流場(chǎng)特性的分析

5.1 PIV(三維粒子成像測(cè)速系統(tǒng))測(cè)試技術(shù)基本原理

在流場(chǎng)中布撒大量示蹤粒子跟隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，把激光束經(jīng)過(guò)組合透鏡擴(kuò)束成片光照明流場(chǎng)，使用數(shù)字相機(jī)拍攝流場(chǎng)照片，得到的前后兩幀粒子圖像。對(duì)圖像中的粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)定量的速度分布。進(jìn)一步處理可得流場(chǎng)渦量、流線以及等速度線等流場(chǎng)特性參數(shù)分布。測(cè)試系統(tǒng)主要包括：照明激光器、圖像采集板、同步控制器、高速數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)和測(cè)試物。上述原理如圖4 所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

5.2 借助PIV技術(shù)對(duì)上升流流場(chǎng)特性進(jìn)行分析[1]

在上升水流的作用下，介質(zhì)可以對(duì)顆粒進(jìn)行基于密度的分選，也可以進(jìn)行基于粒度的分級(jí)，兩者分離原理一致。由于石英砂具有良好的光散射和反射效應(yīng)(與煤顆粒相比)，比較適合PIV試驗(yàn)。因而試驗(yàn)采用粒度<1.0mm的石英砂作為固體顆粒，對(duì)其進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)。分別對(duì)顆粒沉降末速 、上升水流 、顆粒在上升流中的運(yùn)動(dòng)、 上升水流速度對(duì)顆粒分離的影響進(jìn)行試驗(yàn)。

針對(duì)上升水流中顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，把分選槽體從上到下分為三個(gè)區(qū)域：溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)。得到的各區(qū)流場(chǎng)成像圖見(jiàn)圖5、圖6和圖7。

溢流區(qū)流場(chǎng)兩相速度場(chǎng)合成圖5。我們可以看到，顆粒相和液相呈現(xiàn)了明顯的兩相滑移速度。液相中間區(qū)域部分基本以30mm/s運(yùn)動(dòng)，小顆粒粒徑稍大一點(diǎn)的在圖中顯示綠色，即速度小于液相，也影響到顆粒周圍的液相速度；稍小一點(diǎn)的顯示紅色，即速度大于液相，液相速度變化的地方，即因?yàn)轭w粒的存在，延緩或增大了液相速度，使周圍液相速度產(chǎn)生脈動(dòng)；也有相當(dāng)一部分的顆粒速度與液相相同，顏色被液相速度云圖所覆蓋。

圖5 溢流區(qū)流場(chǎng)兩相速度場(chǎng)合成圖

圖6 分選區(qū)流場(chǎng)兩相速度場(chǎng)合成圖

圖7 底流區(qū)流場(chǎng)兩相速度場(chǎng)合成圖

由分選區(qū)流場(chǎng)兩相速度場(chǎng)合成圖(圖6)中可以看出，液相速度較小之處，顆粒有下沉的趨勢(shì)。邊壁處由于邊界層的存在，液相運(yùn)動(dòng)緩慢，顆粒在此處下沉的概率較高。 從具體試驗(yàn)也可以觀察到，顆粒在分離區(qū)內(nèi)會(huì)貼著邊壁向下快速運(yùn)動(dòng)，直至紊亂區(qū)再次進(jìn)行分選。另外，只有較小的顆粒會(huì)跟隨液相運(yùn)動(dòng)。由分選區(qū)流場(chǎng)兩相速度場(chǎng)合成圖6中可以看出，底流區(qū)內(nèi)處于一個(gè)沸騰狀態(tài)，粒群在其中上下翻滾，但是紊亂程度降低。

通過(guò)上述試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)果：

1)在上升水流分選過(guò)程中，從下到上依次經(jīng)歷底流區(qū)、分選區(qū)、溢流區(qū)三個(gè)區(qū)域，流場(chǎng)由下到上從紊亂逐漸趨于平穩(wěn)，湍流脈動(dòng)使軸向截面速度分布逐漸均勻化，渦量由大逐漸減小。

2)在整個(gè)流場(chǎng)中，渦流的大小主要受上升水流量和器壁的影響。從下到上的角度來(lái)看分選槽體的分布，由上升水量產(chǎn)生的影響逐漸減小，渦量逐步減小并趨于平穩(wěn)；由器壁產(chǎn)生的影響逐漸加大，器壁四周產(chǎn)生的渦量逐漸加大。

在上升流分選過(guò)程中，穩(wěn)定流態(tài)化干擾床層的形成(也就是軸向截面速度分布均勻化，同時(shí)

其壓降又最小)，是設(shè)備良好分級(jí)或分選的必要條件。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)出合理一體化分級(jí)分選機(jī)的結(jié)構(gòu)，以及采用合適的操作參數(shù)，其中合理結(jié)構(gòu)包括一體化機(jī)的組配方式、分選槽分選高度、布水板上塑性孔布置及塑性孔結(jié)構(gòu)等等。如果PIV測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析的流場(chǎng)特性結(jié)果穩(wěn)定，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，否則修改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。實(shí)踐證明，采用此項(xiàng)技術(shù)不僅揭示了流場(chǎng)特性，而且可對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且為大型化分級(jí)分選機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

6 結(jié)論

MJXJ型粗煤泥分級(jí)分選機(jī)與國(guó)內(nèi)外煤泥分級(jí)與分選均為獨(dú)立作業(yè)的設(shè)備比較，除具有分級(jí)與分選單獨(dú)作業(yè)設(shè)備的一切優(yōu)點(diǎn)外，還具有簡(jiǎn)化選煤工藝流程和自動(dòng)化控制系統(tǒng)、建設(shè)投資和運(yùn)行成本降低20%、節(jié)省廠房體積30%～50%的優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn)，開(kāi)展適于大型動(dòng)力煤選煤廠粗煤泥水力分級(jí)分選一體化技術(shù)與設(shè)備的研究，是選煤工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的迫切需要，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、改善動(dòng)力煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)資源合理利用、提高經(jīng)濟(jì)效益和改善環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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