一種新型尾礦干排多錐體旋流器計算分析及工業(yè)應(yīng)用

趙環(huán)帥 張紅霞 丁紅亮

(1.中國冶金礦山細(xì)粒篩分機械工程技術(shù)研究中心，河北 唐山063020；2.淮南市節(jié)能監(jiān)察中心，安徽 淮南232001；3.淮南礦業(yè)集團電力有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001)

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，對各種礦產(chǎn)資源的需求大幅度增加，但同時也產(chǎn)生了大量的尾礦，有關(guān)資料表明，全國共有尾礦庫約一萬多座，同時尾礦的大量堆存給國家的資源、環(huán)境、安全和土地等都帶來了諸多問題，普遍存在浸潤線過高、調(diào)洪庫容不夠、壩體裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重、壩體安全觀測設(shè)施不健全等重大安全與環(huán)保隱患。目前，尾礦庫產(chǎn)出量仍以每年約3億t增加，尾礦資源綜合利用越來越重要和迫切。如何采用先進的工藝和技術(shù)設(shè)備，高效完成尾礦的濃縮和脫水，減少尾礦隨意堆積所造成的污染和不安全隱患，已成為尾礦處理必須克服的難題。

尾礦是被專家普遍認(rèn)為挖掘潛力大，二次利用高的重要寶藏。尾礦干堆處理技術(shù)是近些年國內(nèi)逐漸興起的一項新的尾礦處理工藝，其工藝管理簡單、易于操作、應(yīng)用面廣，適合各種粒度和濃度尾礦濃縮干排。尾礦處理后可圍堰造田植樹，又可回填礦坑和塌陷區(qū)，還可用于建筑制磚等。尾礦干排旋流器作為一種利用離心力將礦漿分級的設(shè)備，可提高脫水效率、降低生產(chǎn)成本。通過旋流器與高頻脫水篩等組合脫水工藝，可將尾礦含水量控制在16%以內(nèi)，達到尾礦干排干堆的目的，與原有壓濾機全尾脫水工藝成本可降低約40%，設(shè)備投資可節(jié)省約50%。為了旋流器分離精度和濃縮速度，提升旋流器的工作穩(wěn)定性，在原尾礦干排旋流器的技術(shù)上，把新型的錐體組合結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)的離心脫水理念進行有機結(jié)合，研發(fā)一種新型尾礦干排及綜合利用多錐體旋流器，為資源綜合高效回收和利用提供設(shè)備和技術(shù)支撐。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)特點

1.1 工作原理

旋流器內(nèi)的流體流動成雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，其內(nèi)部存在著軸向速度和徑向速度。軸向速度從器壁到中心存在由大變小再增大的過程，其方向是由負(fù)變正的過程，中間存在一個零速點，若干個零速點形成一個零速包絡(luò)面；在包絡(luò)面外部礦漿強烈旋轉(zhuǎn)，并同時沿著器壁向下做螺旋運動，形成向下的外螺旋流；外螺旋流向下運動過程中，由于錐段逐漸收縮，流動阻力增大，達到底流口附近后，迫使外旋流中部分流體從底流口流出外，大部分流體轉(zhuǎn)而上運動，在內(nèi)部形成回流，即內(nèi)螺旋流，并從溢流管流出[1～2]。

在旋流器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流動場中，懸浮液中密度大的顆粒在離心力的作用下容易沉降到器壁附近，并隨著外旋流在底流口附近排除，密度小的顆粒由于沉降速度小，來不及沉降到器壁，則隨大部分液體形成內(nèi)旋流從溢流口排除，使得礦漿得到分選脫水[3～5]。

當(dāng)固體物與懸浮液一起由圓柱段進入圓錐段時，與軸向垂直的圓的半徑逐漸減小，而固體物等切線速度、離心力、所受的浮力也是該同一個平年上的力，這時固體物料所受的離心力與浮力差值擴大，固體物料速度也迅速增加，在旋流器器壁上的固體顆粒對器壁產(chǎn)生正壓力，并且因圓面半徑的減小而迅速增大，由于固體物料對器壁的摩擦力增大，最終導(dǎo)致錐體磨損加劇[6]。旋流器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

1-流接管；2-溢流管；3-進料筒；4-一段錐體；5-二段錐體；6-三段錐體；7-底流管；8-入料接管

1.2 結(jié)構(gòu)特點

——進料筒采用鋼材外殼，內(nèi)襯高級耐磨橡膠且磨損后可更換。進料筒使得礦漿在旋流器內(nèi)形成螺旋流并實現(xiàn)顆粒群的初步沉降和分層；其高度影響固體物在旋流器內(nèi)的停留時間；其給礦口的大小對處理能力、分級粒度以及分級效率均有影響。給礦口的橫斷面為矩形，縱向斷面常采用圖2所示切線形。本產(chǎn)品采用切線進料形式，因為切線形進料方式容易使礦漿在進入旋流器時與器壁沖擊產(chǎn)生局部漩渦影響礦粒分級，而漸開線進料有效的避免了渦流的出現(xiàn)，同時延長了旋流器進料體的使用壽命。

(a)切線形 (b)漸開線形

圖2 切線形及漸開線形

——多段錐體均采用鋼材外殼，并內(nèi)襯高級耐磨橡膠，磨損后可更換。多段錐體間的連接均采用環(huán)形凸起與環(huán)形凹槽相匹配的連接形式。錐體內(nèi)固體物在離心力與浮力共同作用下，速度迅速增加，在器壁上形成正壓力，并隨錐體圓面半徑的減小而迅速增大，由于固體物料對器壁的摩擦力增大，最終導(dǎo)致錐體磨損加劇。多錐體旋流器在錐體機構(gòu)上改變?yōu)槿碌娜五F體組合。

首先采用角度較大的上端錐體來提高固體物料的切線速度(6～10m/s)，增強離心力，加速顆粒的離心沉降，在大錐角區(qū)域顆粒群的順?biāo)俪两当厝粫A帶不少的細(xì)小顆粒；然后，在二級錐體采用小角度(7°～10°)，物料在較小的切線速度變化下可以按粒度重新分布并延長在旋流器內(nèi)的停留時間，物料在此得以有足夠的時間和空間進行交換，從而降低粗細(xì)顆粒的混雜程度，提高旋流器的分離精度；最后，采用錐角較大的第三段錐體，主要是析出夾雜在外層粗顆粒群中的密度大的顆粒，析出的細(xì)小顆粒在向下運動中因端面的急劇減小又被迫轉(zhuǎn)入內(nèi)旋流向上流動，從而降低旋流器底流中細(xì)顆粒的夾帶量。

——底流管外殼為鋼材制成，內(nèi)部放置沉沙嘴，沉沙嘴是可更換的。沉沙嘴材質(zhì)和口徑根據(jù)物料性質(zhì)、粒度組成及要求達到的分級效果來變更。

2 計算分析

2.1 工作條件及參數(shù)設(shè)定

NX250型多錐體旋流器主要用于尾礦干排系統(tǒng)，根據(jù)尾礦的一般性質(zhì)確定工作點。尾礦粒度以0.074mm物料含量一般在60%～90%間，處理量40～100m3/h，入料濃度控制在10%～30%，需求溢流-0.074mm含量90%，底流濃度大于60%。旋流器內(nèi)的物料分選遵循阿基米德原理，物料在旋流器中是通過徑向上的離心力和阿基米德力(阻力)來分選的。

2.2 離心力場相關(guān)計算

礦漿進入旋流器時，總流的全部邊界受固體邊界的約束，即流體充滿流道，所以為有壓流動。流量的計算公式為:

Q=vA

式中 Q——流量，m3/h；v——流速，m/s；A——過流面積，m2。

在旋流器研究過程中將此段流體算為均勻流，各質(zhì)點流速相同。該旋流器設(shè)計最大處理能力Q為100m3/h，進料口當(dāng)量直徑為為0.078m，旋流器進料速度為：

v=Q/A=Q/3600πr2=5.8m/s

式中 r——圓形半徑，m。

在回轉(zhuǎn)流中顆粒的慣性離心加速度與同步運動的流體向心加速度方向相反、數(shù)值相等，即：

式中 a——慣性離心加速度，m2/s；ω——回轉(zhuǎn)運動的角速度，rad/s；uτ——回轉(zhuǎn)運動的切向速度，m/s。

因此離心強度為：

旋流器中所用離心力是重力的137倍，因此大幅強化了分選過程。在離心力場中，顆粒在介質(zhì)中所受離心力:

式中 F——離心力，N；δ——礦粒的密度，kg/m3；ρ——介質(zhì)的密度，kg/m3；dv——直徑，m。

介質(zhì)對顆粒在徑向上運動的阻力為：

Rr=φdv2Vc2ρ

式中 Rr——阻力，N；φ——阻力系數(shù)；Vc——礦粒的體積，m3。

根據(jù)礦粒在徑向運動時受力情況的分析，可建立起運動微分方程式為：

式中 m——礦粒的質(zhì)量，kg；Vc——顆粒徑向速度，m/s；t——時間，s。

由于離心力F是旋轉(zhuǎn)半徑的函數(shù)，所以顆粒徑向速度Vc不是常數(shù)，而是旋轉(zhuǎn)半徑的函數(shù)。不同的雷諾系數(shù)范圍內(nèi)需要個別公式求解。

2.3 設(shè)計參數(shù)范圍確定

NX250型多錐體旋流器溢流管直徑d0與旋流器筒體直徑D呈相應(yīng)比例，d0=(0.2～0.4)D。當(dāng)旋流器筒體直徑為250mm時，D的范圍為50～100mm。溢流管插入旋流器的深度一般為筒體高度的0.7～0.8之間。沉沙嘴直徑ds與溢流管直徑d0的比值d0/ds稱為角錐比，濃縮過程中取ds=(0.5～0.7)d0。

2.4 工藝參數(shù)計算

——物料平衡表計算。NX250型多錐體旋流器在尾礦干排應(yīng)用處理量Vi=80m3/h,入料濃度Ci=20%，溢流粒度β-200=0.9，底流濃度大于60%，礦石比重δ=3t/m3，經(jīng)計算物料平衡表見表1。

表1 物料平衡表

——設(shè)計產(chǎn)品規(guī)格計算。旋流器的直徑與錐角的修正系數(shù)為：

式中 KD——水力旋流器直徑修正系數(shù)；Kα——水力旋流器錐角修正系數(shù)；α——旋流器錐角20°。

對于直徑大于0.5m的水力旋流器，入口處的壓力應(yīng)考慮旋流器的高度，即旋流器進料壓力為：

P0=P+0.01×H×δ=0.17(MPa)

式中 P0——旋流器給礦口工作壓力，MPa；H——給礦口的高度，m；δ——給礦礦漿的密度，t/m3；P——旋流器入口處礦漿壓力，MPa。

選取旋流器給礦口工作壓力ΔP為0.1Mpa，旋流器處理能力為：

因此，旋流器處理能力滿足要求。

旋流器進料壓力為：

因此，旋流器進料壓力滿足要求。

——沉沙嘴口徑驗算。選取沉沙嘴口徑 ds=4cm，查表得到處理量Gs=15.0t/h，公式為：

qs在0.5～2.5t/h·cm2之間均滿足要求。

——分級粒度校核。旋流器結(jié)構(gòu)設(shè)計的溢流上限粒度為：

式中 d95——溢流上限粒度，μm。

生產(chǎn)實際要求的溢流上限粒度為：

由于旋流器設(shè)計<生產(chǎn)工藝要求，因此分級粒度滿足使用要求。

3 實施效果

NX250型多錐體旋流器于2017年5月經(jīng)河北省礦山機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站按照J(rèn)B/T9035-2015標(biāo)準(zhǔn)檢驗合格，其主要技術(shù)指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)

隨后開始在全國各大選礦廠進行推廣應(yīng)用，通過在多家選礦廠現(xiàn)場應(yīng)用工業(yè)試驗效果表明，在尾礦給料-0.074mm含量60%，給料濃度約23%，入料壓力在0.12MPa的工況下，穩(wěn)態(tài)下底流濃度達到73%，通過高頻脫水篩后尾礦含水量低于13%。截至2019年5月，NX250型多錐體旋流器累計制造和推廣應(yīng)用該系列產(chǎn)品數(shù)百臺, 不僅為企業(yè)創(chuàng)造了較大的新增銷售額、新增利潤及新增納稅額, 也大量銷售到俄羅斯、南非、澳大利亞等國外出口創(chuàng)匯。

4 效益分析

目前，單臺本項目產(chǎn)品可回收再利用尾礦水30～70m3/h ，約占入料水分的40%～60%，旋流器溢流進入尾礦庫沉降后可作為磨礦環(huán)節(jié)添加水進行再次利用；根據(jù)入料濃度、礦石性質(zhì)不同旋流器底流可直接干堆，也可與直線篩、濃密機等組成尾礦干排系統(tǒng)，實現(xiàn)尾礦干排堆放。

現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用試驗中，NX250型多錐體旋流器和直線篩組合的新型干排系統(tǒng)，擁有占地面積小，便于布置，項目投資少，維護使用成本低。在處理尾礦干礦45t工況下，旋流器干排系統(tǒng)共需篩面6.5,旋流器2～3臺，總體占地面積12.8，整套系統(tǒng)功率60kW(含渣漿泵45kW)。與壓濾機干排工藝比較，同工況需要60～80過濾布的壓濾機一臺，此外需配套氣壓機、儲氣罐及攪拌槽，占地面積約22，整套系統(tǒng)功率147kW。兩種工藝對比，旋流器干排系統(tǒng)占地面積節(jié)約42%，每年每套設(shè)備可節(jié)約電能2.09×105kW，按照0.77元/kW·h來計算，每年每套節(jié)省電費16.1萬元；同時正常工作時無需專人看護，系統(tǒng)維護工作量小，降低維修成本10%～15%。綜合比較尾礦干排旋流器干排工藝比壓濾機全尾脫水工藝成本降低約40%，設(shè)備一次性投資可節(jié)省50%。

另外，濃縮脫水后的尾款產(chǎn)品根據(jù)粒度和性質(zhì)不同可用于圍堰造田，又可回填礦坑和塌陷區(qū)，還可用于建筑制磚等，減少尾礦占用土地所造成的資源浪費和河沙的過量開采。

5 結(jié)語

NX250型多錐體旋流器既能有效提高分離精度和濃縮速度，又能提升旋流器的工作穩(wěn)定性，可用于尾礦干排工藝，替換原有壓濾機全尾脫水工藝，實現(xiàn)了尾礦干排旋流器與濃密機、脫水篩設(shè)備組合工藝技術(shù)在生產(chǎn)上的應(yīng)用，從而為礦山企業(yè)節(jié)能減排提供了一種可供選擇的有效途徑，并推動了尾礦產(chǎn)品回收利用工藝技術(shù)的發(fā)展。隨著今后選礦設(shè)備智能化的發(fā)展，今后旋流器現(xiàn)場應(yīng)用需分別對單臺進行閘閥控制，可增加電信號控制的液壓電動閘閥，實現(xiàn)在線監(jiān)控，提高自動化水平。