淺槽重介質(zhì)分選機(jī)重介懸浮液流量的計算

劉遠(yuǎn)力,陳 文,伍潤保,胡志國

(株洲天橋舜臣選煤機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412007)

淺槽重介質(zhì)分選機(jī)重介懸浮液流量的計算

劉遠(yuǎn)力,陳 文,伍潤保,胡志國

(株洲天橋舜臣選煤機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412007)

從物料在分選機(jī)中的運(yùn)動狀態(tài)分層假設(shè)出發(fā)，結(jié)合分選機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，引入水力學(xué)公式，提出了一種淺槽重介質(zhì)分選機(jī)重介懸浮液所需流量的計算方法。計算數(shù)據(jù)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比表明，計算方法可行。

淺槽重介質(zhì)分選機(jī)；重介懸浮液；流量 ；薄壁堰；入料上限

自上世紀(jì)90年代平朔安太堡選煤廠從國外引進(jìn)第一臺淺槽重介質(zhì)分選機(jī)以來，淺槽重介質(zhì)分選機(jī)以其分選效率高、處理能力大、適應(yīng)性強(qiáng)、噸煤介耗小、次生煤泥量低等優(yōu)點(diǎn)在我國得到了廣泛認(rèn)可[1]。近幾年，國內(nèi)科研院所和制造企業(yè)通過20多年的探索和研究，研制出了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的淺槽重介質(zhì)分選機(jī)，在國內(nèi)近百家選煤廠的應(yīng)用實(shí)踐表明，國產(chǎn)設(shè)備性能已經(jīng)達(dá)到國外產(chǎn)品同等水平。但是，國內(nèi)對于淺槽重介質(zhì)分選機(jī)工藝參數(shù)的研究缺少精確的理論依據(jù)，因此無法有效指導(dǎo)其推廣應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，在淺槽重介質(zhì)分選機(jī)工藝參數(shù)中，重介懸浮液流量的確定對于淺槽重介質(zhì)分選機(jī)的選煤廠設(shè)計和生產(chǎn)管理具有重要意義。GB 50359—2005《煤炭洗選工程設(shè)計規(guī)范》根據(jù)國外產(chǎn)品在我國一些廠家的使用經(jīng)驗(yàn)，確定采用懸浮液流量為每米槽寬約175～200 m3/h。實(shí)際上，影響淺槽重介質(zhì)分選機(jī)重介懸浮液流量選擇的因素是復(fù)雜的，其中分選機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)、原料性質(zhì)對流量的影響均較顯著。為此，從分析礦粒在分選機(jī)中的運(yùn)動狀態(tài)入手，利用重力選礦理論和流體力學(xué)理論將分選機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、原料性質(zhì)、懸浮液性質(zhì)、分選效果等因素進(jìn)行綜合考慮，對淺槽重介質(zhì)分選機(jī)所需重介懸浮液的流量確定進(jìn)行了探討。

1 工作原理

淺槽重介質(zhì)分選機(jī)是重力分選設(shè)備，主要依據(jù)浮沉原理實(shí)現(xiàn)低密度煤和高密度矸石的分選[2]。分選機(jī)內(nèi)的懸浮液是通過兩個部位給入：一是下部給入的上升流，約占10%～20%，通過布流板進(jìn)入槽內(nèi)，使其分散均勻。上升流具有保持懸浮液穩(wěn)定、均勻及分散入料的作用；二是側(cè)面給入的水平流，約占80%～90%，通過布料箱的反擊和限制，可使水平流全寬、均勻地進(jìn)入槽內(nèi)。水平流的作用是保持槽體上部懸浮液密度穩(wěn)定，同時形成由入料端向排料端的水平介質(zhì)流，對上浮精煤起輸送作用。當(dāng)入料煤進(jìn)入淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選槽后，在調(diào)節(jié)擋板作用下全部浸入懸浮液中開始分層；精煤等低密度物浮在上層，矸石等高密度物沉到槽底；在下沉過程中，與矸石混雜的低密度物在上升流的作用下充分分散后繼續(xù)上?。辉谒搅髯饔孟?，浮在上部的低密度物由排料溢流口排出成為精煤產(chǎn)品；在刮板作用下，沉到槽底的高密度物由機(jī)頭溜槽排出成為矸石產(chǎn)品，從而完成分選過程。淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選原理示意如圖1所示。

圖1 淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選原理示意圖

2 工作斷面分層假設(shè)探討

根據(jù)物料在淺槽重介質(zhì)分選機(jī)中受上升流、水平流、刮板運(yùn)動等因素的影響，提出了其工作斷面分層假設(shè)，可將斷面分為圖1中所示的穩(wěn)流層、分選層和紊流層。

(1)穩(wěn)流層是指溢流堰上溢流高度以上區(qū)域(H)。穩(wěn)流層物料已經(jīng)過充分分選，輕產(chǎn)物隨溢流重介懸浮液排出，此處要求水平流速度平穩(wěn)，以保證分選好的輕產(chǎn)物及時排出，如流速過快，可造成“短路”，使未來得及分選的物料直接進(jìn)入溢流。

(2)分選層是指紊流層和穩(wěn)流層之間區(qū)域(P)。分選層是物料最主要的分選區(qū)域，物料和水平流的固液混合物穿過穩(wěn)流層進(jìn)入分選層進(jìn)行分選，低于分選密度的物料進(jìn)入穩(wěn)流層，高于分選密度的物料進(jìn)入紊流層。為保證分選效果，固液混合物速度不可太快，此時可通過調(diào)節(jié)板來進(jìn)行微調(diào)，但最重要的是要選擇合適的流量。

(3)紊流層是指刮板槽箱斷面區(qū)域(P1)。紊流層是上升流、刮板以及部分物料和水平流固液混合物復(fù)合作用的區(qū)域。當(dāng)上升流的曳力與重力平衡時，分選槽內(nèi)的物料即可實(shí)現(xiàn)按密度分選[2]。由于沉物矸石在運(yùn)輸過程中存在有由機(jī)尾向機(jī)頭的漸進(jìn)過程，向前逐步增加了槽體中懸浮液單位體積濃度，因此在穩(wěn)定局部懸浮液的前提下將前部漏斗上升流曳力調(diào)節(jié)得比機(jī)尾漏斗上升流曳力略大，可減少因局部固體濃度過大而造成的干擾沉降的發(fā)生，提高上升流漏斗垂直方向上各自分選帶的分選效果[3-4]。刮板運(yùn)行速度的選擇在滿足矸石及時排出的前提下越慢越好。

3 重介懸浮液流量的理論計算

3.1 輕產(chǎn)物排出所需溢流高度的確定

分配曲線上分配率為50%處的密度稱為分配曲線的實(shí)際分選密度[2]，此時進(jìn)入輕重兩種產(chǎn)物中的機(jī)會均等，各為50%。

根據(jù)阿基米德原理，當(dāng)物體的重量與所受浮力相等時，物體可潛沒于液體中的任意位置而保持平衡[5]。在淺槽重介質(zhì)分選機(jī)中，密度與分選密度相同的物料將潛沒于液體中的任意位置而保持平衡。由實(shí)際分選密度的定義可知，等于分選密度的物料進(jìn)入輕產(chǎn)品中的可能性為50%，要保證這部分物料能越過溢流堰進(jìn)入輕產(chǎn)品中，溢流堰頂溢流高度要達(dá)到或大于該類物料的重心高度。

為便于分析，設(shè)等于分選密度的物料為理想狀態(tài)的均質(zhì)正方體，因在自由懸浮狀態(tài)下其重心高度是同質(zhì)不同形狀物料中最高的[6]，所以如正方體物料能越過溢流堰進(jìn)入輕產(chǎn)物，則同粒度或小于該粒度級的其他形狀物料均可成為輕產(chǎn)物。

例如：當(dāng)目標(biāo)分選粒度為200 mm時(圖1)，理論上堰頂溢流高度要≥100 mm，考慮到重介淺槽中上升流的作用以及分選物料不是完全均質(zhì)的，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所需溢流高度達(dá)到95 mm即可。

3.2 所需流量的計算

3.2.1 淺槽排料堰流與薄壁堰的符合性判斷

無壓緩流經(jīng)障壁溢流時，上游發(fā)生壅水，然后水面降落，這一局部水流現(xiàn)象稱為堰流，障壁稱為堰，表征堰流的特征量有：堰寬b，堰前水頭H，堰頂厚度δ和它的剖面形狀，堰上游坎高p，行近流速v0等，如圖2所示。

圖2 矩形薄壁堰示意圖

根據(jù)堰流的水力特點(diǎn)，當(dāng)δ/H<0.67時稱為薄壁堰，堰頂厚度不影響堰流的性質(zhì)；當(dāng)上游渠道寬B大于堰寬b時稱為側(cè)收縮堰；當(dāng)B=b時稱為無側(cè)收縮堰；當(dāng)下游水深足夠小，不影響堰的過流能力時，稱為自由式堰流[7]。

淺槽重介分選機(jī)的排料堰流的特征是：堰頂厚度約為15 mm，堰前水頭H約為95 mm，δ/H=0.15<0.67，選煤工藝設(shè)計布局合理時，排料溢流通暢，不受其他影響。因此，淺槽重介分選機(jī)的排料堰流屬于自由溢流的無側(cè)收縮矩形薄壁堰。

自由溢流的無側(cè)收縮矩形薄壁堰流量Q可采用式(1)計算：

(1)

式中：m0為流量系數(shù)，可采用雷布克公式(1912)進(jìn)行計算[7]：

(2)

式(2)適用范圍為:0.1 m

3.2.2 理論計算實(shí)例

考慮到設(shè)備型號不同排料寬度也不相同，引入每米排料寬度流量常用指標(biāo)：

(3)

堰寬b取決于淺槽重介質(zhì)分選機(jī)的型號，上游堰高P一般約為765 mm(淺槽槽底至溢流堰鋼板立面高約為1 245 mm，圖1中P1高度480 mm，兩者相減得P=765 mm)；因行近流速v0水頭較小，在槽體內(nèi)水頭降低很小，計算時用堰頂溢流高度代替H；g取9.8 m/s2。

(1)當(dāng)目標(biāo)分選粒度為200 mm時，取堰前水頭H=95 mm，則有：

=0.054 m3/(m·s)=194.4 m3/(m·h)。

(2)當(dāng)目標(biāo)分選粒度為150 mm時，取堰前水頭H=72 mm,則有：

m0=0.418;

=0.036 m3/(m· s)=128.6 m3/(m· h)。

上述目標(biāo)分選粒度是指分選物料是理想狀態(tài)的單一粒度,或者是分選物料中沒有比該粒度更大的顆粒。由此可以看出,重介淺槽分選機(jī)所需重介懸浮液流量Q與溢流寬度b(b是重介淺槽分選機(jī)的處理量最主要決定因素)和分選粒度(2H)的大小直接相關(guān)。

3.2.3 理論計算與生產(chǎn)實(shí)際的符合性驗(yàn)證

自由溢流的無側(cè)收縮矩形薄壁堰主要用作水利工程中的量水設(shè)備[7]，因此參照相關(guān)原理和公式進(jìn)行淺槽重介分選機(jī)所需重介懸浮液流量的計算在理論上是可靠的。

入料上限(入料最大粒度)是以物料中95%能通過的篩孔尺寸所確定的[9]，也即物料中有約為5%的顆粒大小會超過入料上限尺寸。在生產(chǎn)中為了保證精煤產(chǎn)品的回收率和排料的暢通，流量選擇一般要大于理論計算所需流量。

例如，當(dāng)要求入料上限為150 mm時，按上述目標(biāo)分選粒度為200 mm時，理論計算需要的懸浮液流量為194.4 m3/(m·h)，與各淺槽重介分選機(jī)制造廠家根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際總結(jié)出來的選型表中推薦的額定流量基本吻合。

重介懸浮液最大流量的選擇可通過對分選物料中最大粒級進(jìn)行進(jìn)一步篩分試驗(yàn)，以掌握這部分占分選物料5%含量的粒度組成情況，并以H等于目標(biāo)粒度的1/2，參照式(3)計算確定，最終得出該煤質(zhì)情況下最合適的重介懸浮液流量。

在實(shí)際生產(chǎn)中，刮板運(yùn)輸機(jī)上重產(chǎn)物會帶走部分懸浮液，但在刮板速度選擇合適時，此量較小，可忽略不計。

從以上計算情況可知，在流量滿足與分選密度相同的粗顆粒有50%機(jī)率進(jìn)入輕產(chǎn)品的情況下，與分選密度一致的細(xì)顆粒進(jìn)入輕產(chǎn)品的機(jī)會得到了很大提高，再加上懸浮液粘度等因素的影響，在寬粒度級分選的情況下，淺槽重介質(zhì)分選機(jī)實(shí)際分選密度比選擇的懸浮液密度要高。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，約高0.02～0.08 kg/L，這是淺槽重介質(zhì)分選機(jī)的流量選擇后的“系統(tǒng)誤差”。但在進(jìn)入淺槽重介質(zhì)分選機(jī)物料的粒度組成和重介懸浮液性質(zhì)相對穩(wěn)定的情況下，淺槽重介質(zhì)分選機(jī)的分選精度仍然能得到保證。

4 結(jié)語

通過對淺槽重介分選機(jī)和主要用作水利工程中量水設(shè)備的自由溢流無側(cè)收縮矩形薄壁堰的符合性研究判斷，引入水力學(xué)相關(guān)公式對淺槽重介分選機(jī)所需重介懸浮液流量進(jìn)行理論計算，實(shí)例計算結(jié)果得到了選煤廠實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的驗(yàn)證。該法為選煤廠設(shè)計和生產(chǎn)操作較為準(zhǔn)確的重介懸浮液流量計算提供了方法，對選煤廠的精細(xì)化管理具有積極作用。

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Calculation method of the flow of dense medium suspension of H.M. vessel

LIU Yuan-li，CHEN Wen，WU Run-bao，HU Zhi-guo

(Zhuzhou Tianqiao Shunchen Coal Preparation Machinery Co., Ltd., Zhuzhou，Hunan 412007，China)

Assuming that layered materials can remain motion in H.M. vessel, based on structure and technological parameters of H.M. vessel, a calculation method of the flow of dense medium suspension of H.M. vessel is proposed using hydraulic formula. Through comparing calculating data with production ones, the calculation formula can be used, and the calculation method is feasible.

H.M. vessel；dense medium suspensions；flow；thin plate weir；top size

TD942

A

1001-3571(2015)04-0023-03

2015-05-01

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.006

劉遠(yuǎn)力(1970—)，男，湖南省株洲市人，工程師，從事選煤設(shè)備研發(fā)和技術(shù)管理工作。

E-mail：736193537@qq.com Tel:13975311520