選煤廠重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其實(shí)踐應(yīng)用

崔 鵬

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

引言

煤炭資源是我國整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中重要的構(gòu)成部分，煤炭在礦井中被開采出來后還需要通過選煤廠選煤處理，可見選煤技術(shù)對(duì)煤炭產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要[1-2]。經(jīng)過多年發(fā)展，當(dāng)代選煤技術(shù)呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)，但在眾多選煤技術(shù)中，傳統(tǒng)的重介質(zhì)選煤方法表現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)，比如選煤過程簡單、效率高、設(shè)備整體體積小等，在選煤廠中得到了非常廣泛的應(yīng)用[3-4]。重介質(zhì)旋流器是重介質(zhì)選煤技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備[5]，然而受到其結(jié)構(gòu)制約，在實(shí)踐中也存在一些問題。這些問題對(duì)選煤過程產(chǎn)生了不良影響，使得設(shè)備能源消耗增高，選煤精度降低[6]。因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 重介質(zhì)旋流器的基本工作原理

圖1為重介質(zhì)旋流器分選基本工作原理圖。重介質(zhì)旋流器工作時(shí)，煤礦物料及懸浮液從入料口進(jìn)入，沿旋流器內(nèi)壁作切線運(yùn)動(dòng)。在重力以及離心力的綜合作用下，在旋流器外側(cè)形成明顯的外螺旋流，而在旋流器中心部位形成內(nèi)螺旋流，其中外螺旋流向下運(yùn)動(dòng)，而內(nèi)螺旋流向上運(yùn)動(dòng)。煤礦物料進(jìn)入外螺旋流還是內(nèi)螺旋流，主要取決于物料本身的密度與懸浮液密度之間的差值。如果煤礦物料密度比懸浮液密度大，則在離心力作用下進(jìn)入外螺旋流。相反，如果煤礦物料密度比懸浮液密度小，則其離心力也相對(duì)較小，此時(shí)會(huì)進(jìn)入內(nèi)螺旋流。精煤密度相對(duì)較小會(huì)進(jìn)入內(nèi)螺旋流，從溢流口流出；矸石密度相對(duì)較大會(huì)進(jìn)入外螺旋流從底流口流出。經(jīng)由上述過程，采用重介質(zhì)旋流器分選可達(dá)到選煤的目的。基于上述原理可以看出，懸浮液密度對(duì)最終的分選效果有直接影響。

圖1 重介質(zhì)旋流器分選基本工作原理圖

2 重介質(zhì)旋流器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題

受重介質(zhì)旋流器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，在對(duì)煤礦懸浮液進(jìn)行分選時(shí)容易在內(nèi)部形成空氣柱。雖然部分學(xué)者認(rèn)為空氣柱不會(huì)對(duì)分選過程產(chǎn)生顯著的影響，但不可忽略的事實(shí)是，空氣柱的形成過程需要消耗一定的能量。已有研究表明：空氣柱在形成過程中需要消耗大約一半的流場(chǎng)能量，而能量的損耗會(huì)使重介質(zhì)旋流器的能耗增加；溢流口部位存在空氣柱會(huì)導(dǎo)致溢流口部位精煤的流動(dòng)空間被壓縮；空氣柱的位置、形狀、大小會(huì)隨機(jī)擺動(dòng)，而隨意移動(dòng)的空氣柱會(huì)導(dǎo)致旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)紊流問題，會(huì)在一定程度上影響分選質(zhì)量和效果。

3 新型重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

在新型重介質(zhì)旋流器中，煤礦物料及懸浮液從方形入料口切入旋流器內(nèi)部，在離心力、重力、湍流擴(kuò)散力等多個(gè)力的綜合作用下，按照密度大小沿徑向方向進(jìn)行分離?；谶@種工作流程，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能避免形成空氣柱或者空氣柱的擺動(dòng)，防止空氣柱造成的能量消耗及其對(duì)流場(chǎng)造成的不良影響。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)選煤廠實(shí)際情況，將新型旋流器直徑大小設(shè)置為300 mm。由于旋鈕器上部區(qū)域?yàn)閳A柱體，因此物料進(jìn)入旋流器內(nèi)部后開始做螺旋線運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)形式能有效避免空氣柱的擺動(dòng)問題，保障旋流器流場(chǎng)的穩(wěn)定性，從而提升煤礦物料的分選質(zhì)量。入料口結(jié)構(gòu)尺寸非常重要，該尺寸會(huì)影響物料及懸浮液進(jìn)入旋流器內(nèi)部時(shí)的速度，進(jìn)而影響分選效果。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，入料口為圓柱體且其直徑為旋流器直徑的0.08～0.25倍。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，將方形進(jìn)料口尺寸確定為45 mm×45 mm。

煤礦物料及懸浮液進(jìn)入旋流器內(nèi)部的速度，除受到入料口尺寸影響外，還會(huì)受到注入壓力的影響。當(dāng)需要分離的顆粒尺寸越小時(shí)，就需要提供更大的離心力，也就需要更大的注入壓力。結(jié)合選煤廠實(shí)際情況，確定煤礦物料及懸浮液注入壓力為0.025 MPa以上。

在旋流器直徑及入口速度確定的情況下，旋流器筒體高度是另外一個(gè)影響分選效果的關(guān)鍵因素，直接決定分選時(shí)間。待分選的顆粒直徑越小則需要的分離時(shí)間越長。尤其是當(dāng)顆粒尺寸在0.35 mm以下時(shí)，曳力會(huì)顯著上升，因此必須預(yù)留足夠的分離時(shí)間，才可達(dá)到預(yù)期的分選效果。但是分離時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致精煤密度過低，影響生產(chǎn)效率。所以必須科學(xué)設(shè)定分離時(shí)間，即需要合理設(shè)計(jì)旋流器筒體的高度。為了確定最優(yōu)的旋流器筒體高度，利用FLUENT軟件建立了旋鈕器的模型，對(duì)分選過程進(jìn)行了模擬仿真，并確定了入料顆粒直徑與旋流器筒體高度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。從圖中數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以看出，旋鈕器筒體高度主要受分離密度、入料顆粒直徑的影響，但前者影響相對(duì)較小，后者影響相對(duì)較大。由于選煤廠中入料顆粒大小為0.21 mm，所以確定的旋流器筒體高度為850 mm。

4 新型重介質(zhì)旋流器的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 循環(huán)量的確定

根據(jù)上文設(shè)計(jì)研究的新型重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，搭建了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物，結(jié)果如圖3所示。在設(shè)備調(diào)試階段，研究了旋流器循環(huán)量對(duì)入口壓力及內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，旋流器的循環(huán)量越小，則入口壓力越小。當(dāng)循環(huán)量不超過35 m3/h、入口壓力不超過0.026 MPa時(shí)，由于壓力太小無法在旋流器內(nèi)部建立穩(wěn)定的流場(chǎng)。當(dāng)循環(huán)量提升到35～50 m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的入口壓力在0.026～0.056 MPa，此時(shí)壓力比較合適，能夠在旋流器內(nèi)部形成相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)。但是當(dāng)循環(huán)量進(jìn)一步增大超過50 m3/h時(shí)，入口壓力相應(yīng)增加，又無法在旋流器內(nèi)部形成穩(wěn)定流場(chǎng)，不利于分選過程。

圖2 不同入料直徑對(duì)應(yīng)的旋流器筒體高度大小

圖3 新型重介質(zhì)旋流器的現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 新舊旋流器的對(duì)比分析

表1為新舊兩種重介質(zhì)旋流器的實(shí)踐應(yīng)用效果對(duì)比分析。表中所示數(shù)據(jù)是在完全相同的參數(shù)條件下測(cè)量得到的，可以明顯看出，在其他技術(shù)條件相同的情況下，新型重介質(zhì)旋流器的入口流量與舊設(shè)備相比較有了一定程度的提升，提升量大約為5.15%。而溢流口和底流口的流量卻出現(xiàn)了非常顯著的變化，此變化充分說明了通過對(duì)重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，改變了旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而影響最終的分選效果。在能量損失方面，新型結(jié)構(gòu)的能量損失有了一定程度的降低，降低程度約為17.6%?？梢姡滦椭亟橘|(zhì)旋流器具有很好的節(jié)能效果。

表1 新舊旋流器的應(yīng)用效果對(duì)比分析

5 結(jié)論

結(jié)合選煤廠實(shí)際情況，對(duì)重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。新型重介質(zhì)旋流器的入口流量提升了約5.15%，能量損失降低了約17.6%，可見新型旋流器具有更好的分選效果，能源損耗更低。