分级旋流器分选作用与分选旋流器分级作用的试验研究

董连平,高建川,杨宏丽,樊民强

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2.西山煤电集团屯兰矿选煤厂,山西太原 030206)

分级旋流器分选作用与分选旋流器分级作用的试验研究

董连平1,高建川2,杨宏丽1,樊民强1

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2.西山煤电集团屯兰矿选煤厂,山西太原 030206)

为考查颗粒粒度与密度对旋流器分级、分选的影响,采用20°锥角的分级旋流器与130°锥角的分选旋流器对＜3 mm粒级的煤泥进行了分离试验,对其产品进行筛分及分粒级浮沉,得到了不同粒度、密度颗粒在旋流器产品中的分配规律。结果表明:20°锥角旋流器以分级为主,但对各粒级均存在一定的分选作用,其中对＜0.125 mm粒级分选作用最强,这是导致溢流低灰精煤跑粗及底流细泥夹带的根源;130°锥角旋流器以分选为主,对较低密度颗粒不存在分级作用,随密度的增大,分级作用开始显现,对高密度颗粒存在明显的分级作用,这是导致溢流高灰细泥污染的根源。

旋流器;分级;分选;分配曲线

分级旋流器是选煤厂煤泥分级浓缩的主要设备,常用于粗煤泥分级回收和浮选入料粒度控制,但经常出现溢流低灰精煤跑粗、底流高灰细泥夹带的现象[1-3],这已成为困扰选煤厂高效运行的重要问题。水介质旋流器采用大于90°锥角,无需添加重介质即可实现按密度分选,运行成本低,但大量高灰细泥进入溢流,不脱泥无法获得合格精煤[4]。目前广泛采用的粗煤泥干扰床分选机(TBS,RC,CSS)也存在与水介质旋流器同样的问题[5-7]。

针对分级旋流器溢流低灰精煤跑粗、底流高灰细泥夹带的现象,诸多学者进行了研究。樊茂明等统计了捞坑与水力旋流器分级过程中各粒级底流与入料灰分差,发现水力分级设备中颗粒分离存在较强的分选作用,水力旋流器0.1～0.2 mm粒级底流与入料绝对灰分差高达30%以上[8]。李梅等针对太原选煤厂分级旋流器各粒级底流与溢流灰分差进行了分析归纳,确认了分级旋流器对0.045～0.250 mm粒级有明显的按密度分选作用[9]。

新型水介质旋流器分选山西兴无选煤厂粗煤泥的工业运行结果显示,随粒度的减小,旋流器溢流、底流灰分明显增加[10]。董连平等研究了70°～120°四种不同锥角旋流器与旋流重选柱对不同粒级细粒煤的分选效果,发现在同一设备中随粒度的减小,溢流产品灰分与产率明显提高[11]。这种现象是否意味着分选旋流器具有分级作用需要作进一步研究。

上述关于分级旋流器分选作用的研究没有采用经典的分配曲线评定方法,而仅仅采用了底流、溢流(入料)灰分差,说服力不足。水介旋流器通常只采用分配曲线评定分选效果,很少绘制分级曲线去关注其分级作用。本文采用20°锥角的分级旋流器与130°锥角的分选旋流器对＜3 mm煤泥进行分离试验,对其产品进行筛分及分粒级浮沉实验,绘制不同粒度级的分配曲线和不同密度级的分级曲线,以期对分级旋流器的分选作用与分选旋流器的分级作用有较为全面的认识。

1 试 验

1.1 试验系统

试验用旋流器为20°锥角与130°锥角两种旋流器,两种旋流器除锥角不同外,其他结构参数完全相同。旋流器结构及参数如图1所示。

试验系统如图2所示,一定浓度的矿浆在搅拌桶内混合均匀后由渣浆泵以一定压力切向给入旋流器,不同性质的颗粒经旋流器分离成底流与溢流产品,待旋流器运行工况稳定后,同时间段内接取旋流器底流与溢流产品进行筛分、过滤、烘干、称重、化验,计算各粒级产率与灰分。旋流器入料压力与矿浆流量可通过变频器调整电机转速进行控制,压力与流量由压力表与电磁流量计在线显示。旋流器溢流管插入深度可调。试验过程中矿浆入料压力保持0.10 MPa不变,入料矿浆质量浓度为100 g/L,此条件下20°锥角旋流器矿浆流量约为16.5 m3/h,130°锥角旋流器矿浆流量约为13.5 m3/h。

图1 旋流器结构示意Fig.1 Sketch of the experimental cyclone

图2 试验系统Fig.2 The systematic diagram of experiments

1.2 物料性质

试验物料为山西沙曲选煤厂＜3 mm粒级粗煤泥,灰分为18.43%,其粒度、密度组成见表1。可知, 0.5～1.0 mm粒级为主要粒级,且灰分较低;细粒级含量低,且灰分较高。粗粒级低密度级物料含量高,高密度级物料较少;细粒级低密度级物料含量相对较低,但高密度级物料含量较高。各粒级中间密度级物料含量少,可选性较好。

2 试验结果与分析

2.1 分级旋流器

20°锥角旋流器在溢流管插入深度Lv分别为125,150,175 mm时的分级曲线如图3所示。可以看出,随粒度增大,颗粒在旋流器底流中的分配率增加, 20°锥角旋流器分级作用明显。但粗粒级(＞0.25 mm)约15%进入溢流,旋流器溢流存在跑粗,且溢流管插入深度越深,跑粗越明显,细粒级(＜0.074 mm)约50%进入底流,旋流器底流细粒夹带严重。

表1 入料粒度、密度组成Table 1 Size and density distribution of feed

图3 20°锥角旋流器分级分配曲线Fig.3 The size-partition curves of hydrocyclone with 20°cone

20°锥角旋流器各粒级溢流、底流产品灰分与底、溢流灰分差如图4所示。可以看出,在不同溢流管插入深度下,各粒级底流灰分均高于溢流,初步说明20°锥角旋流器对各粒级均有一定的分选作用。除＞1.0 mm粒级外,随粒度的减小,底流灰分、溢流灰分及底流、溢流灰分差均增大,特别是当粒度＜0.125 mm时,底流、溢流灰分差大幅增加,说明20°锥角旋流器对细粒的分选作用更加明显。溢流中＞0.25 mm各粒级灰分小于7%,底流中＜0.125 mm粒级底流灰分大于40%,说明溢流中的颗粒跑粗为低密度物料,而底流中的细粒夹带为高密度物料。

图4 20°锥角旋流器各粒级产品灰分与灰分差Fig.4 Product ash and D-value of hydrocyclone with 20°cone

对溢流管插入深度150 mm时20°锥角旋流器各个粒级溢流、底流产品进行浮沉实验,溢流产品与底流产品的粒度、密度组成见表2,3。由表2可以看出,分级旋流器溢流＞0.25 mm粒级中＜1.4 g/cm3密度级物料占90%左右,而＞1.8 g/cm3密度级物料不足0.2%,说明溢流跑粗的颗粒绝大部分是低密度颗粒。由表3可以看出,分级旋流器底流＜0.074 mm粒级中＞1.8 g/cm3密度级物料占65%左右,而＜1.4 g/ cm3密度级物料不足10%,说明底流夹带的细粒中含有大量的高密度物料。

根据同时间段接样产率计算不同粒级各密度级物料在底流中的分选分配率与不同密度级各粒级物料在底流中的分级分配率,绘制20°锥角旋流器各粒级的分配曲线与各密度级的分级曲线如图5所示。

由图5(a)可以看出,20°锥角旋流器对各粒级都存在一定的分选作用,随粒度的减小,分选作用更加明显,特别是对＜0.125 mm粒级的分选分配曲线基本完整,表现出很强的分选作用与较高的分选精度。从图5(b)可以看出,随颗粒密度增加,分级粒度变细,相同粒级在底流中的分配率增加。＞0.25 mm粗颗粒中＜1.3 g/cm3密度级有20% ～30%进入到溢流,1.3～1.4 g/cm3密度级有10% ～20%进入到溢流,而高密度粗粒只有少量进入溢流,说明低密度颗粒是导致旋流器跑粗的主要因素。＜0.125 mm细颗粒中＞2.0 g/cm3密度级有90%以上进入到底流, 1.8～2.0 g/cm3与1.7～1.8 g/cm3密度级有70% ～ 95%进入到底流,而＜1.4 g/cm3密度级进入到底流的量不足20%,说明旋流器底流中细粒夹带有大量高密度物料。正是由于20°锥角旋流器对较粗粒级具有一定的分选作用,导致小部分低密度颗粒溢流跑粗,溢流粗粒级灰分很低,粗粒级底流、溢流灰分有10%～15%的差别;对细粒级存在较强的分选作用,

且分选精度与分选密度较高,导致大部分高密度细粒级底流夹带,底流细粒级灰分很高,底流、溢流灰分差在30%以上。因此,分级旋流器对各粒级的分选作用是导致溢流低灰精煤跑粗及底流细泥夹带的根源。

表2 20°锥角旋流器溢流产品粒度、密度组成Table 2 Overflow product size and density distribution of hydrocyclone with 20°cone

表3 20°锥角旋流器底流产品粒度、密度组成Table 3 Underflow product size and density distribution of hydrocyclone with 20°cone

图5 20°锥角旋流器各粒度级分配曲线与各密度级分级曲线Fig.5 The density-partition curves and size-partition curves of hydrocyclone with 20°cone

2.2 分选旋流器

130°锥角旋流器在溢流管插入深度分别为125, 150,175 mm时的分级曲线如图6所示。由图6可知,随粒度的增大,颗粒在底流中的分配率先增加后降低,且各粒级分配率均在25%以下,从分级曲线上看不出130°锥角旋流器存在明显的分级作用。随溢流管插入深度增加,各粒级在底流中的分配率减小。

130°锥角旋流器溢流、底流产品各粒级灰分与底流、溢流灰分差如图7所示。在不同溢流管插入深度下,＞0.125 mm底溢流灰分差在35%以上,说明130°锥角旋流器对粗粒级有较好的分选作用,当粒度＜0.125 mm时,溢流灰分急剧增大,底流灰分增加不明显,底流、溢流灰分差明显减小,分选作用减弱。＜0.125 mm溢流灰分大于30%,说明含有部分高密度细粒。

图6 130°锥角旋流器分级分配曲线Fig.6 The size-partition curves of water-only cyclone with 130°cone

图7 130°锥角旋流器各粒级产品灰分与灰分差Fig.7 Product ash and D-value of water-only cyclone with 130°cone

对溢流管插入深度150 mm时的130°锥角旋流器各粒级溢流、底流产品进行浮沉实验,溢流产品与底流产品的粒度、密度组成见表4,5。

由表4可以看出,分选旋流器溢流中0.074～0.125 mm与＜0.074 mm粒级灰分高达30%以上,其主要原因在于＞2.0 g/cm3密度级物料含量分别为12.34%,29.96%,仅比入料中＞2.0 g/cm3密度级物料含量略有降低,因此导致溢流细粒级灰分过高。

根据同时间段接样产率,计算不同粒级各密度级别物料在底流中的分选分配率与不同密度级各粒度级别物料在底流中的分级分配率,绘制130°锥角旋流器各粒级的分配曲线与各密度级的分级曲线,如图8所示。可以看出,130°锥角旋流器对粗颗粒有很好的分选作用,但随粒度的减小,分选密度增加,分选效果变差。从图8(b)可以看出,对于＜1.5 g/cm3密度级不存在分级作用,随颗粒密度的增加,分级作用逐渐突显,＞2.0 g/cm3与1.8～2.0 g/cm3密度级呈现较完整的分级曲线。＞2.0 g/cm3密度级中0.074～0.125 mm细颗粒有近65%进入到溢流,＜0.074 mm有近85%进入到溢流,1.8～2.0 g/cm3密度级中＜0.25 mm细颗粒85%以上进入到溢流,正是由于130°锥角旋流器对高密度颗粒较强的分级作用与较高的分级精度,大部分高密度细粒进入溢流,溢流细粒级灰分高达30% ～40%,底流、溢流灰分差减小。因此分选旋流器对高密度级的较强分级作用是导致高灰细粒污染分选旋流器溢流精煤的根源。

3 原因分析

离心力场中颗粒在径向上受到的作用力主要有离心力、向心浮力与介质阻力等,其在半径r处的沉降速度v[12]为

m

其中,ρm,ρ为固体颗粒密度和流体密度,kg/m3;μ为液体动力黏度,Pa·s;d为固体颗粒直径,m;vt,vr为流体切向速度和径向速度,m/s。由式(1)可以看出,颗粒在径向的沉降速度与半径及流体切向速度和径向速度有关,同时与颗粒的粒度与密度有关。

表4 130°锥角旋流器溢流产品粒度、密度组成Table 4 Overflow product size and density distribution of water-only with 130°cone

表5 130°锥角旋流器底流产品粒度、密度组成Table 5 Underflow product size and density distribution of water-only cyclone with 130°cone

图8 130°锥角旋流器各粒度级分配曲线与各密度级分级曲线Fig.8 The density-partition curve and size-partition curve of water-only cyclone with 130°cone

在同一半径处,当颗粒粒度相差不大时,颗粒密度决定着沉降速度的大小与方向,致使旋流器中颗粒分离表现为按密度分选。颗粒粒度较大但密度较小时,颗粒的沉降速度可能为负值,即颗粒向旋流器中心运动,进入到旋流器内旋流并由溢流管排出,造成旋流器低密度颗粒溢流跑粗;颗粒粒度较小但密度较大时,颗粒的沉降速度可能为正值,即颗粒向旋流器器壁运动,进入到旋流器外旋流并由底流口排出,造成旋流器高密度细粒底流夹带。

对于大锥角旋流器,携带有中、高密度颗粒的外旋流运动到大锥角锥体时受到阻碍,形成紧密的悬浮转动床层,起到重介质作用。低密度颗粒不能穿过此床层,从而经溢流管排出,高密度粗颗粒则由底流口排出,因而大锥角水介质旋流器中颗粒的分离主要表现为按密度分选[13-14]。因为低密度颗粒在一定范围内无论粒度大小均不能穿透由中、高密度颗粒形成的旋转床层,所以低密度颗粒在水介质旋流器中不存在分级作用;对于形成旋转床层的中、高密度颗粒,其沉降速度同样与粒度、密度有关,粒度小的颗粒沉降速度较小,位于旋转床层上部,大部分由内旋流携带经溢流管排出,粒度大的颗粒沉降速度大,进入外旋流由底流口排出,从而对于较高密度颗粒的分离,水介质旋流器表现出较强的分级作用,导致细粒级按密度分选效果较差。

4 结论与建议

(1)20°锥角旋流器主要以粒度分级为主,但少部分低密度粗颗粒进入溢流,大部分高密度细颗粒进入底流,从而降低旋流器分级精度。20°锥角旋流器对各粒级均存在分选作用,对＜0.125 mm粒级分选作用最强,旋流器分选作用是导致溢流低密度跑粗、底流高密度细粒夹带的根源。

(2)130°锥角旋流器主要以密度分选为主,但溢流中含有大量高密度细颗粒,从而污染旋流器溢流精煤质量。130°锥角旋流器对较低密度颗粒不存在分级作用,随密度的增大,分级作用开始显现,对高密度颗粒存在明显的分级作用,分选旋流器高密度颗粒的分级作用是导致溢流高灰细泥污染的根源。

(3)分级旋流器的分选作用导致溢流低密度颗粒跑粗与底流高密度细粒夹带,在其应用中会给后续作业环节带来诸多问题,例如选煤厂浮选尾煤粗粒精煤损失严重、粗煤泥回收灰分超标等,如何削弱分级旋流器的分选作用值得重视并进行深入研究。粒度因素影响分选旋流器的分选效果,特别是分选旋流器对高密度细颗粒的明显分级作用致使溢流高灰细泥污染精煤质量,溢流产品不配备高效脱泥环节无法达到产品质量合格,如何削弱分选旋流器的分级作用、进一步降低有效分选粒度下限有待进一步研究。

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Experimental study on the separation effect based on density in hydrocyclone and the classification effect based on size in water-only cyclone

DONG Lian-ping1,GAO Jian-chuan2,YANG Hong-li1,FAN Min-qiang1

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Tunlan Coal Washery,Shanxi Coal Electricity Group Co., Ltd.,Taiyuan 030206,China)

In order to study the effect of particle size and density on the classification and separation of cyclones,separation experiments of＜3 mm coal slimes were carried out on a hydrocyclone with 20°cone and a water-only cyclone with 130°cone.Screen and sink-and-float analysis of each size fraction were conducted and the distribution law of particles with different size and density was obtained.The results show that classification predominates in hydrocyclone with 20°cone,while density-based separation effect does exist in each size fraction,and the density-based separation effect is especially significant for＜0.125 mm fraction,which is the origin of low ash coarse coal loss into the vortex finder and fine coal slime entrainment in the underflow.Density-based separation predominates in water-only cyclone with 130°cone while significant classification does occur for particles of higher density,which is the origin of high ash contaminate in the vortex finder.This size-based classification does not occur for low density particles,but becomes apparent for higher density.

cyclone;classification;separation;partition curve

TD922

A

0253-9993(2014)05-0954-07

董连平,高建川,杨宏丽,等.分级旋流器分选作用与分选旋流器分级作用试验研究[J].煤炭学报,2014,39(5):954-960.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1827

Dong Lianping,Gao Jianchuan,Yang Hongli,et al.Experimental study on the separation effect based on density in hydrocyclone and the classification effect based on size in water-only cyclone[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):954-960.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1827

2013-12-13 责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金资助项目(50974094);国家高科技发展计划(863)资助项目(2007AA05Z317)

董连平(1976—),男,河北石家庄人,讲师,博士研究生。E-mail:dlp082@163.com。通讯作者:樊民强(1964—),男,山西永济人,教授,博士。Tel:0351-6014776,E-mail:fanminqiang@sohu.com