充氣式水力旋流器的現(xiàn)狀及在選煤領(lǐng)域的應(yīng)用

古 緣，郭延昆

（1.威海市海鑫礦山洗選設(shè)備有限公司，山東威海 264200；2.威海行雨化工機(jī)械有限公司，山東威海 264200）

0 引言

自被開發(fā)之日起，充氣式水力旋流器便成為人們所關(guān)注的重點(diǎn)，其在油田業(yè)與金屬探索領(lǐng)域一直占據(jù)核心地位，被作為離心浮選設(shè)備使用，因此，對其的探索和研究將為未來各個(gè)行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大支撐，為能源開發(fā)行業(yè)帶來新的發(fā)展契機(jī)。

1 充氣式水力旋流器的發(fā)展現(xiàn)狀

充氣式水力旋流器是在離心力場強(qiáng)化浮選的設(shè)想下形成的研究拓展，根據(jù)礦物質(zhì)的自身密度與物質(zhì)表現(xiàn)的通水性不同進(jìn)行物理分離、層級(jí)分選，進(jìn)而對不同物質(zhì)進(jìn)行分離的設(shè)備。充氣式水力旋流器是水力旋流器的新興發(fā)展，結(jié)合浮選法的相關(guān)方式形成全新的發(fā)展方向，其發(fā)展過程大致經(jīng)過三個(gè)階段。

第一階段是20 世紀(jì)30 年代的法國燃油工業(yè)企業(yè)制造了第一臺(tái)浮選旋流器，經(jīng)過十幾年的發(fā)展后，由德國特立希結(jié)合離心力場強(qiáng)化浮選構(gòu)想再次發(fā)展，形成水力旋流器。

第二階段是在20 世紀(jì)80 年代前后，在水力旋流器不斷完善的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了柱型結(jié)構(gòu)的水力旋流器，并且還改變了其充氣方式，分為實(shí)用性差的進(jìn)口充氣式水力旋流器和實(shí)用性較高的邊壁充氣式水力旋流器。

第三階段是自20 世紀(jì)末期至今，在我國著名科學(xué)家褚良銀等人的努力下，通過對水力旋流器內(nèi)部的旋流場景模擬、內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力的分布規(guī)律與礦物質(zhì)表面的水力氣場分析，著重處理水力旋流器的分離層級(jí)，開辟了充氣式水力旋流器的新興研究方向，對采礦業(yè)的礦物開發(fā)分類具有重要意義。

2 充氣式水力旋流器的研究現(xiàn)狀

水力旋流器是根據(jù)離心力場強(qiáng)化浮選的設(shè)想對礦物質(zhì)進(jìn)行分層分級(jí)處理，其中采用兩相流的流體方式；充氣式水力旋流器是水力旋流器的全新發(fā)展，采用了三相流的流體，能夠最大限度地強(qiáng)化浮選，在日常采礦領(lǐng)域中發(fā)揮著更重要的作用。

在20 世紀(jì)80 年代，對充氣式水力旋流器的描述很普通，只是認(rèn)為其比水力旋流器的浮選作用強(qiáng)烈，但并未有深入的研究。在接下來的10 年內(nèi)，許多科學(xué)家借助邊壁充氣對水力旋流器進(jìn)行了全新研究，發(fā)現(xiàn)隨著離心力場的不斷增強(qiáng)，慣性會(huì)導(dǎo)致警戒值的礦物顆粒迅速下降，能夠大大提升力場的浮選速率。在這一時(shí)期，對充氣式水力旋流器充氣方式進(jìn)行的細(xì)微研究表明，充氣式水力旋流可以提升礦物顆粒的力場浮選速率，此后對充氣式水力旋流器的內(nèi)部流速、礦物質(zhì)顆粒的存留量和浮選泡沫的相關(guān)研究表明，對充氣式水力旋流器的進(jìn)一步深入研究能夠發(fā)展其中更有價(jià)值的理論研究。

自20 世紀(jì)90 年代以來，我國的褚良銀等人結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于與充氣式水力旋流器的相關(guān)研究，重新創(chuàng)建了全新的充氣式水力旋流器的實(shí)驗(yàn)方法，通過更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)部的測控手段，加緊調(diào)控水力旋流器內(nèi)部的壓力分布規(guī)律，以及對旋流器內(nèi)部的顆粒承受程度等進(jìn)行分析研究，得出了全新的充氣式水力旋流器的理論補(bǔ)充。

（1）流場特點(diǎn)。將充氣式水力旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行仔細(xì)劃分，分為液體柱存區(qū)、顆粒泡沫留存區(qū)和水力流通層級(jí)。其中，液體柱存區(qū)使得整個(gè)旋流器流會(huì)形成顆粒泡沫的留存區(qū)，使得整體旋流器正常運(yùn)轉(zhuǎn)與工作，在水力流通的上端層級(jí)來看，形成了一個(gè)完善協(xié)調(diào)的工作方式。此外，充氣式水力旋流器的液體流通方式包括內(nèi)旋流與外旋流，能夠鞏固整體充氣式水力旋流器的運(yùn)行機(jī)制。

（2）壓力分布特點(diǎn)。在充氣式水力旋流器中，存在留存泡沫的空間占位并且占位較大，影響著旋流器的壓力分布，使得旋流器有著自上往下、自內(nèi)往外的壓力分布，并且呈現(xiàn)逐漸遞增的態(tài)勢。由于顆粒泡沫柱區(qū)的存在，所以壓力形成一種馬鞍形狀的規(guī)律。整體充氣式水力旋流器的軸向壓力是由上到下呈現(xiàn)遞增態(tài)發(fā)展。

（3）運(yùn)行機(jī)制特點(diǎn)。在旋流器內(nèi)部，由于壓力呈現(xiàn)遞增的分布態(tài)勢，所以導(dǎo)致礦物顆粒所形成的氣泡受到壓力的限制，氣泡從液體柱存區(qū)向顆粒泡沫留存區(qū)不斷涌入，在比區(qū)域內(nèi)形成大量氣泡留滯。

（4）礦物顆粒的運(yùn)行方式。充氣式水力旋流器是根據(jù)離心力場強(qiáng)化浮選進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的，在其內(nèi)部，由于受到自下而上的離心力的支撐與液體流動(dòng)的阻力，結(jié)合充氣式水力旋流器的軸向心向上的動(dòng)力支撐，導(dǎo)致礦物顆粒中的喜水性顆粒向著礦物顆粒留存區(qū)相互運(yùn)動(dòng)，在液體柱存區(qū)周圍向下運(yùn)動(dòng)，從而使得顆粒較小且喜水性較強(qiáng)的顆粒不斷涌入充氣式水力旋流器的循環(huán)流體。在此過程中，厭水性顆粒則相應(yīng)地在旋流器的聚合體中運(yùn)動(dòng)，旋流器工作時(shí)就通過液體柱存區(qū)涌入顆粒泡沫留存區(qū)，由于礦物中有些物質(zhì)的顆粒較大，它們通過重力與留存在其中的氣泡相互分離，出現(xiàn)在充氣式水力旋流器的底部。

由于內(nèi)部壓力、充氣式方式不同等，在充氣式水力旋流器的內(nèi)部形成了顆粒物質(zhì)的篩選分類比普通的水力旋流器更為清楚、明了。普通水力旋流器的分類處理較為簡單，通過不同的升降關(guān)系進(jìn)行處理，不夠仔細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)，分類不夠清楚。而在充氣式水力旋流器中，礦物顆粒是根據(jù)在液體柱存區(qū)的喜水性進(jìn)行分類處理，喜水性的物質(zhì)顆粒向充氣式水力旋流器的軸向力做向上的動(dòng)力運(yùn)作，而厭水性的礦物質(zhì)則涌入顆粒泡沫留存區(qū)。此外，由于在液體柱存區(qū)存在循環(huán)流系統(tǒng)，所以能夠?qū)ΦV物顆粒進(jìn)行再次分離處理，篩選出其中可能遺漏的礦物顆粒進(jìn)入外部旋流區(qū)域。因此，充氣式水力旋流器是對水力旋流器的進(jìn)一步完善研究，使得其發(fā)展更加完善，達(dá)到分級(jí)功效的同時(shí)完成顆粒的分選作業(yè)。

3 充氣式水力旋流器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

在充氣式水力旋流器相關(guān)研究未能實(shí)現(xiàn)之時(shí)，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器進(jìn)行礦物顆粒篩選所耗費(fèi)的時(shí)間過長，篩選過程中的浮選場地要求過大，這無形中提高了作業(yè)的生產(chǎn)成本，大大限制了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，由于技術(shù)處理不到位，常常導(dǎo)致篩選的成果不夠理想，效率低下。同時(shí)，常常因?yàn)闄C(jī)器緣故導(dǎo)致對礦物顆粒的篩選質(zhì)量低下，存在浪費(fèi)動(dòng)力的情況。

由于充氣式水力旋流器是根據(jù)離心力場強(qiáng)化浮選的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的，所以只適用于小型礦物顆粒的篩選工作，在針對大型顆粒的礦物時(shí)不能奏效，容易導(dǎo)致礦物的脫落力度過大。

4 充氣式水力旋流器在選煤領(lǐng)域的應(yīng)用探究

由于是依據(jù)離心力場強(qiáng)化浮選的規(guī)則進(jìn)行研究分析形成的理論，所以充氣式水力旋流器對于細(xì)微礦物顆粒的篩選具有獨(dú)特優(yōu)勢，并且對不具備喜水性的礦物篩選更為敏感。在煤礦行業(yè)中，大部分采煤企業(yè)對充氣式水力旋流器的離心力場強(qiáng)化浮選很重視，從而導(dǎo)致分級(jí)的重視程度較低，但是可以針對煤礦行業(yè)的選煤特點(diǎn)，對旋流器內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律與運(yùn)行方式進(jìn)行重新研發(fā)、設(shè)計(jì)，通過對旋流器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離處理、分級(jí)選取，對煤礦中的大型顆粒進(jìn)行篩選流入充氣式水力旋流器的底部，此外對其中存在的喜水性顆粒進(jìn)行運(yùn)行篩選，從而得到不同的篩選產(chǎn)品，為選煤行業(yè)提供新的發(fā)展方向。

目前我國對于選煤技術(shù)的研究不夠完善，對選煤過程中的浮選速率與浮選質(zhì)量不能滿足時(shí)代的需求，尋求新的發(fā)展是我國應(yīng)當(dāng)注重的關(guān)鍵點(diǎn)，充氣式水力旋流器的到來無疑提供了一劑“強(qiáng)心針”。從充氣式水力旋流器的分級(jí)技術(shù)來看，著重對選煤過程中的高灰細(xì)泥的處理，解決了傳統(tǒng)選煤過程中不能提取出高質(zhì)量高灰細(xì)泥的情況，因此，采用充氣式水力旋流器的離心力場強(qiáng)化浮選機(jī)制是一個(gè)正確的選擇。

充氣式水力旋流器對選煤廠的影響格外深遠(yuǎn)，通過充氣式水力旋流器能夠處理大量留存的低質(zhì)煤炭，對其中存在顆粒較大的煤礦進(jìn)行分離處理，從而提取出高質(zhì)量的高灰細(xì)泥，大大降低了選煤廠的生產(chǎn)成本，創(chuàng)造了大量的工廠效益。此外，充氣式水力旋流器的占地范圍小、流程簡潔有效，也為選煤廠無形之中添加了一筆寶貴的收益。

5 小結(jié)

關(guān)于充氣式水力旋流器的研究自20 世紀(jì)就開始不斷完善，充氣式水力旋流器不僅能夠快速篩選過濾礦物顆粒，也能利用其中的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特性與顆粒物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行分選處理。將充氣式水力旋流器作為一個(gè)選煤領(lǐng)域的新興方向，能夠促使選煤工作提升一個(gè)新的臺(tái)階。