激光粒度分析仪在雾化跌落式煤浆预处理器研发中的应用

王海艳，张玉磊,许成谱，郭建伟，王登辉，吴大为

(北京国华科技集团有限公司，北京 101300)

激光粒度分析仪在雾化跌落式煤浆预处理器研发中的应用

王海艳，张玉磊,许成谱，郭建伟，王登辉，吴大为

(北京国华科技集团有限公司，北京 101300)

阐述了激光粒度分析仪的工作原理，并介绍了测试系统组成。首次采用激光粒度分析仪对雾化跌落式煤浆预处理器所产生的浮选剂雾滴直径进行了测试研究，考察了其雾化装置的工作效果，以为其大型化提供设计依据。

浮选；煤浆预处理器；激光粒度分析仪；雾滴直径；喷嘴直径

煤浆预处理是浮游选煤工艺中必不可少的环节，它的主要作用是将入浮煤浆稀释到合理的浓度范围，使浮选剂充分分散，并将分散的浮选剂良好地混合到入浮煤浆中，同时为浮选剂与煤泥提供一定的作用时间。煤浆预处理只有做到以上几点才能充分发挥浮选剂的作用，这是浮选设备获得良好的技术经济指标的先决条件。跌落式煤浆预处理器是近年来兴起的一种新型、高效的煤浆预处理设备，它通过风动喷射式雾化装置将浮选剂雾化，混有浮选剂雾滴的煤浆在跌落箱体内流动的过程中，越过每根坎条时不断跃起和跌落，从而实现煤浆与浮选剂的充分混合，并使粗细煤粒与浮选剂雾滴有不同的混合时间。

浮选剂在煤浆中的分散均匀与否与其油滴直径有关，液滴数目与其直径的3次方成反比，液滴比表面积与其直径成反比。雾化装置是跌落式煤浆预处理器[1-2]的核心部件，担负着将浮选剂雾化成微米级粒径的作用，它产生的雾滴直径是其工况的具体体现。随着采煤机械化程度的提高，原煤中的煤泥量不断上升，煤用浮选机正逐步向大型化趋势发展，因此迫切需要与之配套的大型跌落式煤浆预处理器。为此，首次采用激光粒度分析仪对跌落式煤浆预处理器雾化装置所产生的浮选剂雾滴直径展开了测试研究，以考察雾化装置的工作效果，从而为其大型化提供设计依据。

1 激光粒度分析仪

1.1 测试原理

激光粒度分析仪[4]采用信息光学原理，通过测量颗粒群的散射谱来分析颗粒群的粒度分布。该仪器由主机和计算机两部分组成：主机内含光学系统、信号采集处理系统；计算机完成数据处理并显示、打印测试结果。主机与计算机由标准串行通讯口连接。工作时，来自激光器的激光束经滤光、扩束、滤波，经准直透镜变成平行光线后照射到测试区；测试区中的待测雾滴在激光的照射下产生散射谱，散射谱的强度及其空间分布与被测雾滴的大小及分布有关，散射谱经透镜再次汇聚后，被位于透镜后焦面上的光电阵列探测器所接收；接收的光信号被转换成电信号后，经放大和A/D转换，由通讯口送入计算机进行反演运算和数据处理，进而给出被测雾滴的大小、分布等参数，并经屏幕显示或打印机打印输出。激光粒度分析仪工作原理框图如图1所示。

图1 激光粒度分析仪工作原理框图Fig.1 Working principle diagram of laser particle size analyzer

需要注意的是，在选煤领域采用直径分布的统计方式来计算煤粒平均直径。由于跌落式煤浆预处理器产生的雾团是由大小不等的雾滴所组成的集合体，因此在雾化科学研究领域是用体积分布的统计方式来计算它们的平均直径。

1.2 试验系统

试验系统主要由气泵、雾化装置、激光粒度分析仪、电脑等组成，如图2所示。

1—压力表；2—喷射式雾化器；3—加药漏斗图2 试验系统图Fig.2 Diagram of testing system

激光粒度分析仪发射端和接收端位于整个喷雾器的下方；电脑与激光粒度分析仪接收端用数据线相连接；气泵与喷雾器通过风管连接，且中间设有球阀，用以调节压力的大小。

试验时，压缩空气从气泵经过风管到达喷雾器；浮选剂从加药漏斗添加后，在高速喷射流的裹卷和剪切作用下，分散成直径为微米级的雾滴；激光粒度分析仪位于喷雾器下方，其发射端发射激光信号，激光穿过雾团，并最终被接收端接收，光电阵列探测器随之将其转化成电信号，经数据线传输到电脑，由电脑完成数据的统计和处理。

2 测试结果分析

首次研究工作是在淮北临涣选煤厂展开的[3]。临涣选煤厂浮选生产采用的是煤泥两级浮选工艺，主要浮选设备是FCA型雾化跌落式煤浆预处理器(图3)和喷射式浮选机。在生产中，煤浆预处理器实际浮选剂雾化量为40 kg/h。但是随着选煤技术的发展，浮选机的大型化，实际浮选剂雾化量需要增加至120 kg/h左右。因此，通过激光粒度仪测试雾滴直径可进一步了解风动喷射式雾化器的结构参数(喷嘴直径)和工作参数(风压、浮选剂雾化量)对煤浆预处理器工作效果的影响规律，为其大型化提供依据。

测试工作于2014年5月进行的，所用的浮选剂为0#轻柴油(密度0.84 kg/L)，选用了三种不同直径大小(并且D3

2.1 雾滴平均直径d与风压P的关系

该试验是在喷射式雾化器喷嘴直径为D1的结构参数条件下进行的，在保持浮选剂雾化量T相同的条件下，通过调整雾化器的工作参数——风压P值(0.06、0.08、0.10、0.12、0.15 MPa)，测试雾化时产生的浮选剂雾团的平均直径。测试结果见表1和图4。

1—风动喷射式雾化器；2—控制阀门；3—压力表；4—加药漏斗；5—溢流槽；6—上滑板；7—下滑板；8—坎条图3 FCA型雾化跌落式煤浆预处理器结构示意图Fig.3 Structure diagram of FCA type spray drop preprocessor of coal pulp

表1 雾滴平均直径和风压的回归方程Table 1 Regression equation of wind pressure and average droplet diameter

图4 雾滴平均直径和风压的回归方程线Fig.4 Regression equation curves of wind pressure and average droplet diameter

从测试结果可以看出：

(1)随着雾化器工作风压的增加，喷嘴所形成的气流速度加大，其剪切力增强，雾滴平均直径相应减小，风压P与雾滴平均直径d的负相关关系极为显著，其可靠性在95%以上。

(2)图4中所示的三条直线是截距不同、斜率相近的斜直线，这表征在相同喷嘴直径和浮选剂雾化量的情况下，风压每增加0.01 MPa，雾滴平均直径相应减小0.56 μm。

2.2 雾滴平均直径d与雾化量T的关系

试验是在喷射式雾化器喷嘴直径为D1、D2的条件下进行的。在保持相同的风压P的条件下，调整浮选剂雾化量，测试相应产生的雾团的平均直径。测试结果见表2、图5。

表2 雾滴平均直径和浮选剂雾化量的回归方程Table 2 Regression equation of flotation agent spray volume and average droplet diameter

从测试结果可知：

(1)将浮选剂雾化是需要外力做功的。在喷嘴直径和风压已固定的条件下，高速气流剪切动能也已固定，那么随着浮选剂添加量(雾化量)的增多，其雾滴平均直径必然增大，所以雾化量与雾滴平均直径的正相关也是显著的。

图5 雾滴平均直径和浮选剂雾化量的回归方程线Fig.5 Regression equation curves of flotation agent spray volume and average droplet diameter

(2)比较图5中三条回归方程线可知，风压越大的越接近x轴线，这表征剪切动能越大，雾滴平均直径就越小。

(3)与回归方程线1相比较，回归方程线4的风压仅大0.01 MPa，但其喷嘴直径却增加了25%，这是由于剪切动能大幅度增大，雾滴平均直径就会大幅度减小。

(4)四条回归曲线具有近似的斜率，就其平均值而言，雾化量每增加10 kg/h,雾滴平均直径增大近0.5 μm。

2.3 雾滴平均直径d和喷嘴直径D的关系

2.3.1D1直径的喷嘴与D3直径的喷嘴比较(D1=2.67D3)

图6所示的是在相同的雾化量(45 kg/h)的条件下，采用不同直径的喷嘴时雾滴平均直径的比较。

图6 喷嘴直径为D1和D3时的雾滴平均直径与风压的回归方程线Fig.6 Regression equation curves of wind pressure and average droplet diameter in the case of spray nozzle D1 and D3

从图6可见，两条雾化量皆为45 kg/h的回归方程线尽管斜率相近，但在纵轴上的截距相差甚大。对于直径为D3的喷嘴，当风压提高到0.22 MPa时，雾滴平均直径实测值接近12 μm；而直径为D1的喷嘴，在风压为0.12 MPa，雾滴平均直径已低于12 μm。

当喷嘴直径缩减了60%时，如不相应调整喷射式雾化器其他部位的尺寸，其结果自然是很差的。由于选煤厂的工作环境所限，压缩空气中不可避免含有少量尘絮、油垢，有可能将小直径的喷嘴堵塞，所以在生产中不宜选用小直径喷嘴。

2.3.2D1直径的喷嘴与D2直径的喷嘴比较(D1=0.8D2)

图7所示的是在120 kg/h雾化量的条件下，采用不同直径喷嘴时的雾滴平均直径的比较。

由图7可知，两条雾化量均为120 kg/h的回归方程线虽然斜率相近，但在纵坐标轴上的截距有较大差别。可用作图法或回归方程计算出当要求雾滴平均直径≤12 μm时所需的风压：直径为D1的喷嘴为0.183 MPa；直径为D2的喷嘴为0.095 MPa，前者近乎是后者的两倍，并且产生压缩空气的能耗也要高一些。

从生产安全角度出发考虑，为满足120 kg/h雾化量的大型煤浆预处理设备需要，其风动喷射式雾化器的喷嘴直径应确定为D2是适宜的。

图7 喷嘴直径为D1和D2时的雾滴平均直径与风压的回归方程线Fig.7 Regression equation curves of wind pressure and average droplet diameter in the case of spray nozzle D1 and D2

3 结语

综上可见，在我国选煤领域首次采用激光粒度分析仪对浮选剂雾滴直径进行的检验是成功的，通过该研究，初步掌握了风动喷射式雾化器的主要结构参数、工作参数和雾滴直径影响的规律，取得了可靠性好的诸多回归方程，以此可以做出较为准确的定量预测和分析比较，为大型雾化跌落式煤浆预处理器的研发提供了可靠的数据。但是，该试验研究仅仅是个开始，今后还需要在以下几个方面展开工作：

(1)针对不同密度、粘度的各类浮选剂进行测试，以了解它们的雾化特性。

(2)对一些典型入浮煤泥的表面特性和孔隙度进行深入研究，以制定浮选剂雾化的工作制度。

(3)对于各种工作原理和结构的雾化器进行详尽测试，按照性价比原则，择优选用。

[1] 吴大为.浮游选煤技术(修)[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014：79-85.

[2] 张立华，周国亮,朱金波，等.煤浆预处理器的综合评述[J].选煤技术，2011(5).

[3] 时令博.FCA2500型雾化-跌落式矿浆预处理器在淮北选煤厂中的应用[J].中国科技博览,2014 (12).

[4] 吴新生. 河工模型量测与控制技术[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010：79-80.

Application of laser particle size analyzer in the research of spray drop preprocessor of coal pulp

WANG Hai-yan，ZHANG Yu-lei，XU Cheng-pu，GUO Jian-wei，WANG Deng-hui，WU Da-wei

(Beijing Guohua Technology Group Ltd.，Beijing 101300，China)

Working principle of laser particle size analyzer is introduced as well as composition of its testing system. It is the first time to use this analyzer to study and measure diameter of flotation regent droplet produced by spray drop preprocessor of coal pulp in coal preparation industry of China,which is helpful to understand working result of this analyzer and will provide reference of designing large-scale device.

flotation; preprocessor of coal pulp; laser particle size analyzer; diameter of spray droplet; diameter of spray nozzle

1001-357(2015)02-0012-04

TD943

A

2015-03-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.004

王海艳(1984—)，女，安徽省宿州市人，工程师，硕士，从事选煤技术研究工作。

E-mail:why@ghkj.cn Tel:0315-5913455