一種粗煤泥分級分選設(shè)備的研制

田忠坤

(煤炭科學研究總院唐山研究院，河北 唐山 063012)

1 概述

隨著采煤機械化程度的不斷提高，原煤中細粒級物料含量在逐漸升高。目前，廣泛應用的選煤工藝，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性質(zhì)差異的浮選等。對大于3.0mm的粗顆粒煤，可用重力分選方法進行有效分選, 小于0.3mm的細煤泥可用浮選，均能達到較好的效果；而對于>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)細粒煤分選設(shè)備不能對其進行有效分選，從而導致細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粒級精煤, 保證精煤產(chǎn)率。

MJXJ型粗煤泥分級分選機是在深入研究顆粒干擾沉降理論的基礎(chǔ)上，借鑒吸收國外上升流水力分選機的先進經(jīng)驗，在無數(shù)次實驗研究的前提下，研制的粗煤泥分級分選一體化設(shè)備。它是將水力分級旋流器與上升流水力分選機的完美結(jié)合，不僅實現(xiàn)了粗煤泥(3.0～0.3mm)與細煤泥(<0.3mm)之間的分級，而且有效地實現(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分選機上部的旋流器，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，而細顆粒的慣性力小，隨料漿回轉(zhuǎn),形成粗細顆粒由器壁向中心的分層排列。在后續(xù)給料的推動下，粗煤泥沿器壁由底流口排出，細煤泥則由溢流口排出，從而完成了粗細煤泥的分級。

表1 MJXJ型粗煤泥分級分選機的主要技術(shù)特征

旋流器底流粗煤泥由中央給料箱進入粗煤泥分級分選機下部的分選槽中，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控制。當達到穩(wěn)定狀態(tài)時,入料中那些沉降速度低于上升水流速的顆粒將進入溢流成為精礦, 而沉降速度大于上升水流速的顆粒將穿過床層進入底流成為尾礦, 從而實現(xiàn)粗煤泥的分選。

3 工藝系統(tǒng)

MJXJ型粗煤泥分級分選機的工藝系統(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)

粗煤泥分級分選機的入料粒度范圍大致在3.0～0mm，為了達到更好的分選效果，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分選機中，水力分級旋流器入料口處線速度為5～6m/s，入料壓力為0.1MPa～0.15MPa，入料濃度不宜過大，一般情況下不要超過200g/L，否則不僅易堵塞，而且影響分級效果。入料進入粗煤泥分級分選機上部的分級旋流器進行煤泥濃縮和分級，通過閥門來控制流量和壓力來確保其底流濃度達到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)

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

3.2.1 專門給水箱

對于設(shè)備的給水，可以選擇在設(shè)備進水總管上8～10m處安裝一個給水箱。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。為解決這一虹吸問題, 應保證給水管高出設(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現(xiàn)，并且現(xiàn)場有現(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，再使用一個壓力調(diào)節(jié)閥來控制給水壓力。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

粗煤泥分級分選機由水力分級旋流器裝置、上升水流分選裝置和控制裝置組成，見圖2。

4.1 水力分級旋流器裝置

水力分級旋流器裝置，是由一組(二個或二個以上)平行的水力分級旋流器組成，這與國外多選用單一大直徑旋流器有所不同，其特點是每個旋流器入口均采用漸開線給料方式。應用的旋流器有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)計特征。

圖2 MJXJ型粗煤泥分級分選機結(jié)構(gòu)示意圖

典型旋流器的圓柱段長度等于旋流器直徑，并配以200圓錐角。對于細粒分級，傳統(tǒng)的方法是加長圓柱段長度提供較長的停留時間，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。通過我們大量的實驗研究，一個較好的方法是采用一個較長的園錐段，錐角為10°～15°之間。較長的圓錐體段可較精確地分級細粒,并且處理能力較大。試驗表明,10°錐角旋流器要比20°錐角旋流器要好得多,不管進口設(shè)計如何。

長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旋流器整個長度，是達到最佳性能的關(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，使其進入到主槽體的中部。整個給料箱采用了含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。上升水流管包括一個焊接于設(shè)備槽體周圍的環(huán)形槽體和多個均布彎管。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多個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)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(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，來控制梭形閥的開啟或開度。其接收識別信號和排料動作的精確與否, 對粗煤泥有效分選起著決定性作用。與國外普遍采用的氣動執(zhí)行器相比，采用電控液動復合型執(zhí)行器具有定位精度高(達到0.15%)、響應速度快(可達0.01s)、輸出力大(最大可達100kN)、可實現(xiàn)100%連續(xù)調(diào)節(jié)工作、能耗低(低于2kW)、維護簡便、操作方便、堅固耐用等優(yōu)點。

4.2.4 密度傳感器

密度傳感器可稱為靜壓液位變送器，是由兩個不同長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，來測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，并將該信號傳到工廠內(nèi)的PLC，起到床層內(nèi)的任何密度變化都將產(chǎn)生一個4～20mA的信號去操作執(zhí)行器。

4.3 控制系統(tǒng)裝置

為精確地對入料進行分選，床層密度必須保持連續(xù)性，床層密度由控制系統(tǒng)進行控制?？刂葡到y(tǒng)包括密度傳感器、執(zhí)行器、PLC控制器以及流量測量、壓力測量儀器等?？刂葡到y(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)定的運行條件?？刂葡到y(tǒng)組成見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

5 粗煤泥分級分選機上升流流場特性的分析

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

在流場中布撒大量示蹤粒子跟隨流場運動，把激光束經(jīng)過組合透鏡擴束成片光照明流場，使用數(shù)字相機拍攝流場照片，得到的前后兩幀粒子圖像。對圖像中的粒子圖像進行互相關(guān)計算，得到流場一個切面內(nèi)定量的速度分布。進一步處理可得流場渦量、流線以及等速度線等流場特性參數(shù)分布。測試系統(tǒng)主要包括：照明激光器、圖像采集板、同步控制器、高速數(shù)字相機和計算機和測試物。上述原理如圖4 所示。

圖4 測試系統(tǒng)示意圖

5.2 借助PIV技術(shù)對上升流流場特性進行分析[1]

在上升水流的作用下，介質(zhì)可以對顆粒進行基于密度的分選，也可以進行基于粒度的分級，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(與煤顆粒相比)，比較適合PIV試驗。因而試驗采用粒度<1.0mm的石英砂作為固體顆粒，對其進行分級試驗。分別對顆粒沉降末速 、上升水流 、顆粒在上升流中的運動、 上升水流速度對顆粒分離的影響進行試驗。

針對上升水流中顆粒的運動情況，把分選槽體從上到下分為三個區(qū)域：溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)。得到的各區(qū)流場成像圖見圖5、圖6和圖7。

溢流區(qū)流場兩相速度場合成圖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運動，小顆粒粒徑稍大一點的在圖中顯示綠色，即速度小于液相，也影響到顆粒周圍的液相速度；稍小一點的顯示紅色，即速度大于液相，液相速度變化的地方，即因為顆粒的存在，延緩或增大了液相速度，使周圍液相速度產(chǎn)生脈動；也有相當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)流場兩相速度場合成圖

圖6 分選區(qū)流場兩相速度場合成圖

圖7 底流區(qū)流場兩相速度場合成圖

由分選區(qū)流場兩相速度場合成圖(圖6)中可以看出，液相速度較小之處，顆粒有下沉的趨勢。邊壁處由于邊界層的存在，液相運動緩慢，顆粒在此處下沉的概率較高。 從具體試驗也可以觀察到，顆粒在分離區(qū)內(nèi)會貼著邊壁向下快速運動，直至紊亂區(qū)再次進行分選。另外，只有較小的顆粒會跟隨液相運動。由分選區(qū)流場兩相速度場合成圖6中可以看出，底流區(qū)內(nèi)處于一個沸騰狀態(tài)，粒群在其中上下翻滾，但是紊亂程度降低。

通過上述試驗，可以得到如下結(jié)果：

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

2)在整個流場中，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

其壓降又最小)，是設(shè)備良好分級或分選的必要條件。這就要求我們設(shè)計出合理一體化分級分選機的結(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測試實驗系統(tǒng)分析的流場特性結(jié)果穩(wěn)定，這說明所設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，否則修改設(shè)計結(jié)構(gòu)，對參數(shù)進行修正。實踐證明，采用此項技術(shù)不僅揭示了流場特性，而且可對所設(shè)計結(jié)構(gòu)合理性進行評價，并且為大型化分級分選機的優(yōu)化設(shè)計提供指導。

6 結(jié)論

MJXJ型粗煤泥分級分選機與國內(nèi)外煤泥分級與分選均為獨立作業(yè)的設(shè)備比較，除具有分級與分選單獨作業(yè)設(shè)備的一切優(yōu)點外，還具有簡化選煤工藝流程和自動化控制系統(tǒng)、建設(shè)投資和運行成本降低20%、節(jié)省廠房體積30%～50%的優(yōu)勢。由此可見，開展適于大型動力煤選煤廠粗煤泥水力分級分選一體化技術(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，對于促進我國煤炭行業(yè)技術(shù)進步、改善動力煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)資源合理利用、提高經(jīng)濟效益和改善環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義。

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