曹 輝，申克忠，趙 龍，王祥震

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

重介質(zhì)旋流器選煤具有分選精度高、分選原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、產(chǎn)出與投入比高、分選效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐磨技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，特別是三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器可以利用單一密度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三種產(chǎn)品的分選。與其他分選設(shè)備相比，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器作為分選難選煤和極難選煤的最佳選擇[4-5]， 得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)同，特別是煉焦煤選煤廠。近幾年隨著煤炭開采深度的加大以及機(jī)械化采煤技術(shù)的發(fā)展，煤炭洗選加工也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，隨著分選過程中錯(cuò)配物含量的增加以及用戶對(duì)精煤產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在實(shí)際應(yīng)用過程中不可避免地存在中煤夾帶精煤的問題，不僅降低了精煤產(chǎn)率，同時(shí)造成了資源的浪費(fèi)。精煤數(shù)質(zhì)量是選煤廠質(zhì)量管理的核心，因此降低三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器中煤里的精煤損失,實(shí)現(xiàn)精煤產(chǎn)率最大化是提高選煤廠經(jīng)濟(jì)效益的主要途徑[6]。

1 中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器技術(shù)

目前中煤再選常用的方案主要有兩種：一是中煤破碎后，再利用重選回收；二是中煤細(xì)磨后，采用浮選回收[7-8]。以上兩種方法雖然都可以實(shí)現(xiàn)精煤回收，但是都需要新增中煤再選工藝，這樣不僅增加了選煤廠的工藝環(huán)節(jié)，同時(shí)也增加了投資成本。中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器的提出主要是解決選煤廠在不增加工藝環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，利用中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器的第三段將中煤夾帶的精煤進(jìn)行再回收，改善現(xiàn)存的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器中煤夾帶精煤的問題，從而提高精煤產(chǎn)率，增加選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益。

中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器的研究目前還是一個(gè)新的課題，此技術(shù)方法工藝簡(jiǎn)單，投資成本低，具有非常大的研究?jī)r(jià)值。

2 中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器

2.1 三段重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)

1992年煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院水介質(zhì)旋流器課題組成功研究出了組合式旋流器與浮選聯(lián)合洗選工藝，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及觀音堂礦選煤廠工業(yè)試驗(yàn)都取得了非常不錯(cuò)的效果。組合式旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]，入料原煤用渣漿泵以一定壓力沿切線打入組合式旋流器第一段，旋流器溢流口端設(shè)置一個(gè)溢流室，溢流物料進(jìn)入溢流室后沿其切線開口進(jìn)入第二段旋流器進(jìn)行后續(xù)分選。

中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn)的，其中第二段旋流器的溢流出料進(jìn)入第三段中煤再選旋流器是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 組合式旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

組合式旋流器的成功應(yīng)用為第三段中煤再選旋流器與前兩段旋流器的組合方式提供了技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)合三產(chǎn)品旋流器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及組合式旋流器的成熟技術(shù)，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示，第二段旋流器的溢流口設(shè)置了溢流室，溢流室切線開口使溢流產(chǎn)物沿切線進(jìn)入第三段中煤再選旋流器。

重懸浮液和物料混合后由入料口沿切線給入第一段旋流器，在旋流器內(nèi)形成內(nèi)、外螺旋流和中心空氣柱，物料在離心力場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)分選[10]。精煤從第一段主選旋流器溢流管排出，中煤和矸石隨著重懸浮液沿切線進(jìn)入第二段主選旋流器，在離心力場(chǎng)的作用下實(shí)現(xiàn)高密度的分選，矸石從第二段底流口排出，中煤在溢流管做螺旋上升運(yùn)動(dòng)。在第二段主選旋流器的溢流口設(shè)置一個(gè)溢流箱，將溢流箱沿旋流方向切向開口，把中煤與懸浮液沿切線引出并沿切線進(jìn)入中煤再選旋流器，充分利用溢流的旋流余壓實(shí)現(xiàn)中煤再選。為了實(shí)現(xiàn)中煤在旋流器中的有效分選，必須保證進(jìn)入中煤再選旋流器的懸浮液密度、壓力適宜，在中煤再選旋流器圓筒段常規(guī)入料口的鏡像對(duì)稱處設(shè)置與原旋流方向同向的補(bǔ)加介質(zhì)或水管，調(diào)節(jié)分選懸浮液密度的同時(shí)，也補(bǔ)加了分選的壓力,最后經(jīng)過再分選的中煤從底流口中出來，再選精煤從溢流管中出來[11-12]。

1—第一段主選旋流器入料口；2—第一段主選旋流器溢流管；3—第一段主選旋流器；4—第二段主選旋流器溢流室；5—第二段旋流器溢流室切線開口；6—二、三段旋流器連接變徑管；7—中煤再選旋流器溢流管；8—補(bǔ)介或補(bǔ)水管；9—中煤再選旋流器；10—中煤再選旋流器底流口；11—第二段主選旋流器底流口；12—第二段主選旋流器

圖2 三段重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Sketch of the structure of the 3-stage H.M. cyclone

三段重介質(zhì)旋流器的技術(shù)特點(diǎn)主要是中煤不需要出系統(tǒng)，直接進(jìn)入中煤再選旋流器，利用旋流余壓以及通過補(bǔ)水或補(bǔ)介來調(diào)節(jié)分選密度，補(bǔ)充分選壓力，從而實(shí)現(xiàn)中煤的有效分選，提高精煤產(chǎn)量。

3 試驗(yàn)部分

3.1 試驗(yàn)思路

為了對(duì)中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器的可行性進(jìn)行探究，采用帶介質(zhì)試驗(yàn)，分別對(duì)各出料口進(jìn)行取樣并測(cè)量密度，通過分析旋流器底流口和溢流口密度的差異來探究設(shè)備的可行性。試驗(yàn)主要分為兩個(gè)部分：

(1)不加第三段中煤再選旋流器，保持入料密度不變，設(shè)置不同的入料壓力，測(cè)出第一段旋流器溢流口、第二段旋流器的底流以及溢流的密度。

(2)加上第三段中煤再選旋流器，將第三段補(bǔ)介或補(bǔ)水管關(guān)閉，保持入料密度和第一組試驗(yàn)相同不變，設(shè)置和第一組試驗(yàn)相同的三個(gè)不同入料壓力，分別測(cè)出各個(gè)取樣點(diǎn)密度。

對(duì)以上兩部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并結(jié)合理論對(duì)中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器初步試驗(yàn)系統(tǒng)主要由混料桶、旋流器、渣漿泵、離心泵、控制柜、槽體以及測(cè)壓裝置等組成。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，此系統(tǒng)所有的出料都利用管道返回到混料桶。為了取樣方便，設(shè)置了①—⑤五個(gè)取樣點(diǎn)，試驗(yàn)從這五個(gè)點(diǎn)取樣化驗(yàn)。

1—槽體；2—離心泵；3—離心泵控制柜；4—入料渣漿泵控制柜；5—入料渣漿泵；6—混料桶；7—旋流器；8—補(bǔ)水或補(bǔ)介壓力表；9—補(bǔ)水或補(bǔ)介管開關(guān)閥門；10—入料壓力表；11—分流閥

①第一段旋流器溢流取樣點(diǎn)；②第二段旋流器底流取樣點(diǎn)；③第二段旋流器溢流取樣點(diǎn)；④第三段旋流器底流取樣點(diǎn)；⑤第三段旋流器溢流取樣點(diǎn)

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

Fig.3 Process flowsheet of the 3-stage cyclone test system

3.3 試驗(yàn)步驟

3.3.1 不加第三段中煤再選旋流器試驗(yàn)

在混料桶中配制密度為1.45 g/cm3的重懸浮液，通入高壓風(fēng)使懸浮液充分?jǐn)嚢?。關(guān)閉高壓風(fēng),同時(shí)打開入料泵，調(diào)節(jié)入料泵的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，使入料壓力分別穩(wěn)定在0.06、0.08、0.10 MPa, 用密度壺在取樣點(diǎn)分別采集三個(gè)出口的懸浮液，測(cè)量密度并記錄。

3.3.2 加第三段中煤再選旋流器試驗(yàn)

保持重懸浮液的密度為1.45 g/cm3不變，改變?nèi)肓媳玫霓D(zhuǎn)動(dòng)頻率，使得入料壓力穩(wěn)定在0.06、0.08、0.10 MPa，進(jìn)行三段重介質(zhì)旋流器帶介質(zhì)試驗(yàn)，并進(jìn)行取樣，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不加第三段中煤再選旋流器試驗(yàn)時(shí)，一段旋流器溢流、二段旋流器底流以及二段旋流器的溢流密度在不同入料壓力下的變化結(jié)果見表1。加第三段中煤再選旋流器試驗(yàn)時(shí)，一段旋流器溢流、二段旋流器底流，三段旋流器的入料即二段旋流器的溢流、三段旋流器的溢流及三段旋流器的底流密度在不同入料壓力下的變化結(jié)果見表2。

表1 兩段三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器各出料口密度與壓力的關(guān)系

當(dāng)入料壓力為0.06 MPa時(shí)，三段旋流器入料密度和底流密度相等，溢流沒有出料，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是入料壓力過小，通過裝在二、三段旋流器連接管處的壓力表的示數(shù)(為0.01左右)可知此壓力不足，中煤沒有分選。當(dāng)壓力為0.08 MPa和0.10 MPa時(shí)，三段旋流器的溢流和底流均有物料，而且溢流和底流密度存在一定差異，雖然差異不大，但是入料壓力提高時(shí)，此密度差異有所增加。結(jié)合旋流器工藝參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器的分選效果可知，通過調(diào)整旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及增大分選壓力都可以使旋流器溢流和底流密度差異變大，從而實(shí)現(xiàn)高效率的分選[13-14]。

表2 三段重介質(zhì)旋流器各出料口密度與壓力的關(guān)系

當(dāng)入料懸浮液密度為1.45 g/cm3時(shí)，在同一入料壓力情況下，三段重介質(zhì)旋流器第二段旋流器溢流密度即第三段旋流器的入料密度都高于入料懸浮液的密度，所以要想實(shí)現(xiàn)從中煤里回收精煤，必須將此密度降低到合適密度才能實(shí)現(xiàn)很好的分選效果[15]，所以可以確定第三段中煤再選旋流器需要在入料鏡像對(duì)稱的開口處補(bǔ)加適量的清水，這樣不僅可以降低分選密度，同時(shí)也可以解決中煤再選旋流器壓力不足的問題。將表1和表2的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成變化趨勢(shì)圖，如圖4所示。

圖4 旋流器溢流、底流密度與入料壓力的關(guān)系

由圖4(a)可知，當(dāng)懸浮液入料密度為1.45 g/cm3時(shí)，第一段旋流器的溢流密度隨入料壓力的增大而出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但兩者密度差異很?。挥蓤D4(b)可知，當(dāng)懸浮液入料密度為1.45 g/cm3時(shí)，第二段旋流器的底流密度隨入料壓力的增大而出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，此時(shí)兩者密度差異較第一段旋流器溢流密度差異較大；由圖4(c)可知，當(dāng)懸浮液入料密度為1.45 g/cm3時(shí)，第二段旋流器的溢流密度隨入料壓力的增大而呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，此時(shí)兩者對(duì)比密度差異也比較小。

通過分析可知，在傳統(tǒng)三產(chǎn)品旋流器的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)中煤再選旋流器會(huì)對(duì)前兩段旋流器的分選有一定的影響，但對(duì)第一段主選旋流器的影響較小，對(duì)第二段旋流器的影響并不是太大，可以通過調(diào)整第二段旋流器的溢流管大小以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)將這種影響降到最低，同時(shí)由于選煤廠都是以精煤質(zhì)量和產(chǎn)量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以只要第一段主選旋流器所受影響較小，不影響精煤質(zhì)量和數(shù)量即可。

5 結(jié)語

在相同入料壓力和入料懸浮液密度的情況下，通過對(duì)比兩段三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器和三段重介質(zhì)旋流器各個(gè)出口處的密度的變化以及密度差異大小，驗(yàn)證了三段重介質(zhì)旋流器回收中煤里夾帶的精煤的可行性，同時(shí)為了降低中煤再選旋流器的分選密度，確定了第三段中煤再選旋流器與入料鏡像對(duì)稱開口處應(yīng)該補(bǔ)加適量的清水的方案，中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器的初步試驗(yàn)研究也為后續(xù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1] 杜煥銅，師文虎．影響重介質(zhì)旋流器分選效果的因素分析[J]．選煤技術(shù)，2012，39(6) : 42-44．

[2] 劉 峰．重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)的研究與發(fā)展[J]．選煤技術(shù)，2006，33 (5) : 1-12．

[3] 張力強(qiáng)．影響重介質(zhì)旋流器分選效果的工藝因素分析[J].煤炭技術(shù)，2014，33 (4) : 220-221．

[4] 葉志剛.無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)探討和實(shí)際應(yīng)用[J].煤炭工程，2004(12)：16-18.

[5] 彭榮任，何青松，楊 喆，等.重介質(zhì)旋流器選煤理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[6] 樂宏剛，邵 濤.重介質(zhì)旋流器的推廣及新技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(5):5-9.

[7] 王祥震，申克忠，趙 龍，等.中煤有壓再選三段重介質(zhì)旋流器數(shù)值模擬研究[J]. 選煤技術(shù)，2017(2): 1-5．

[8] 趙樹彥.重介質(zhì)旋流器選煤技術(shù)的熱點(diǎn)問題[J].煤炭加工與綜合利用, 2017(3) : 1-5,7．

[9] 唐山煤研分院水介質(zhì)旋流器課題組.組合式旋流器與浮選聯(lián)合工藝的研究[J].選煤技術(shù), 1993(2):3-5.

[10] 黃玉祥,張學(xué)坤.小直徑煤泥重介質(zhì)旋流器分選粗煤泥工藝探討[J].煤炭加工與綜合利用, 2010(2): 12-14,60．

[11] 黃 波,陳晶晶.重介質(zhì)旋流器顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析及數(shù)值模擬[J].煤炭工程，2015(5)：115-117,121.

[12] 陳建中,沈麗娟,戴化震.煤泥重介質(zhì)旋流器分選粗煤泥的探討[J].選煤技術(shù)，2010(4): 48-50．

[13] 孟亞麗.重介旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離性能影響的數(shù)值研究[D].蘭州：蘭州大學(xué),2016.

[14] 王鵬鵬.新型煤泥重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[D].合肥：安徽理工大學(xué)，2016.

[15] 劉井江,孫 瑞,胡秉雙,等.三錐角水介質(zhì)旋流器分選粗煤泥試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用能源技術(shù),2017(2):13-15.