浅槽重介质分选机重介悬浮液流量的计算

刘远力,陈 文,伍润保,胡志国

(株洲天桥舜臣选煤机械有限责任公司，湖南 株洲 412007)

浅槽重介质分选机重介悬浮液流量的计算

刘远力,陈 文,伍润保,胡志国

(株洲天桥舜臣选煤机械有限责任公司，湖南 株洲 412007)

从物料在分选机中的运动状态分层假设出发，结合分选机结构参数和工艺参数，引入水力学公式，提出了一种浅槽重介质分选机重介悬浮液所需流量的计算方法。计算数据与生产经验数据的对比表明，计算方法可行。

浅槽重介质分选机；重介悬浮液；流量 ；薄壁堰；入料上限

自上世纪90年代平朔安太堡选煤厂从国外引进第一台浅槽重介质分选机以来，浅槽重介质分选机以其分选效率高、处理能力大、适应性强、吨煤介耗小、次生煤泥量低等优点在我国得到了广泛认可[1]。近几年，国内科研院所和制造企业通过20多年的探索和研究，研制出了具有我国自主知识产权的浅槽重介质分选机，在国内近百家选煤厂的应用实践表明，国产设备性能已经达到国外产品同等水平。但是，国内对于浅槽重介质分选机工艺参数的研究缺少精确的理论依据，因此无法有效指导其推广应用。生产实践表明，在浅槽重介质分选机工艺参数中，重介悬浮液流量的确定对于浅槽重介质分选机的选煤厂设计和生产管理具有重要意义。GB 50359—2005《煤炭洗选工程设计规范》根据国外产品在我国一些厂家的使用经验，确定采用悬浮液流量为每米槽宽约175～200 m3/h。实际上，影响浅槽重介质分选机重介悬浮液流量选择的因素是复杂的，其中分选机的结构参数、工艺参数、原料性质对流量的影响均较显著。为此，从分析矿粒在分选机中的运动状态入手，利用重力选矿理论和流体力学理论将分选机结构参数、原料性质、悬浮液性质、分选效果等因素进行综合考虑，对浅槽重介质分选机所需重介悬浮液的流量确定进行了探讨。

1 工作原理

浅槽重介质分选机是重力分选设备，主要依据浮沉原理实现低密度煤和高密度矸石的分选[2]。分选机内的悬浮液是通过两个部位给入：一是下部给入的上升流，约占10%～20%，通过布流板进入槽内，使其分散均匀。上升流具有保持悬浮液稳定、均匀及分散入料的作用；二是侧面给入的水平流，约占80%～90%，通过布料箱的反击和限制，可使水平流全宽、均匀地进入槽内。水平流的作用是保持槽体上部悬浮液密度稳定，同时形成由入料端向排料端的水平介质流，对上浮精煤起输送作用。当入料煤进入浅槽重介质分选机分选槽后，在调节挡板作用下全部浸入悬浮液中开始分层；精煤等低密度物浮在上层，矸石等高密度物沉到槽底；在下沉过程中，与矸石混杂的低密度物在上升流的作用下充分分散后继续上浮；在水平流作用下，浮在上部的低密度物由排料溢流口排出成为精煤产品；在刮板作用下，沉到槽底的高密度物由机头溜槽排出成为矸石产品，从而完成分选过程。浅槽重介质分选机分选原理示意如图1所示。

图1 浅槽重介质分选机分选原理示意图

2 工作断面分层假设探讨

根据物料在浅槽重介质分选机中受上升流、水平流、刮板运动等因素的影响，提出了其工作断面分层假设，可将断面分为图1中所示的稳流层、分选层和紊流层。

(1)稳流层是指溢流堰上溢流高度以上区域(H)。稳流层物料已经过充分分选，轻产物随溢流重介悬浮液排出，此处要求水平流速度平稳，以保证分选好的轻产物及时排出，如流速过快，可造成“短路”，使未来得及分选的物料直接进入溢流。

(2)分选层是指紊流层和稳流层之间区域(P)。分选层是物料最主要的分选区域，物料和水平流的固液混合物穿过稳流层进入分选层进行分选，低于分选密度的物料进入稳流层，高于分选密度的物料进入紊流层。为保证分选效果，固液混合物速度不可太快，此时可通过调节板来进行微调，但最重要的是要选择合适的流量。

(3)紊流层是指刮板槽箱断面区域(P1)。紊流层是上升流、刮板以及部分物料和水平流固液混合物复合作用的区域。当上升流的曳力与重力平衡时，分选槽内的物料即可实现按密度分选[2]。由于沉物矸石在运输过程中存在有由机尾向机头的渐进过程，向前逐步增加了槽体中悬浮液单位体积浓度，因此在稳定局部悬浮液的前提下将前部漏斗上升流曳力调节得比机尾漏斗上升流曳力略大，可减少因局部固体浓度过大而造成的干扰沉降的发生，提高上升流漏斗垂直方向上各自分选带的分选效果[3-4]。刮板运行速度的选择在满足矸石及时排出的前提下越慢越好。

3 重介悬浮液流量的理论计算

3.1 轻产物排出所需溢流高度的确定

分配曲线上分配率为50%处的密度称为分配曲线的实际分选密度[2]，此时进入轻重两种产物中的机会均等，各为50%。

根据阿基米德原理，当物体的重量与所受浮力相等时，物体可潜没于液体中的任意位置而保持平衡[5]。在浅槽重介质分选机中，密度与分选密度相同的物料将潜没于液体中的任意位置而保持平衡。由实际分选密度的定义可知，等于分选密度的物料进入轻产品中的可能性为50%，要保证这部分物料能越过溢流堰进入轻产品中，溢流堰顶溢流高度要达到或大于该类物料的重心高度。

为便于分析，设等于分选密度的物料为理想状态的均质正方体，因在自由悬浮状态下其重心高度是同质不同形状物料中最高的[6]，所以如正方体物料能越过溢流堰进入轻产物，则同粒度或小于该粒度级的其他形状物料均可成为轻产物。

例如：当目标分选粒度为200 mm时(图1)，理论上堰顶溢流高度要≥100 mm，考虑到重介浅槽中上升流的作用以及分选物料不是完全均质的，根据实际生产中的经验数据，所需溢流高度达到95 mm即可。

3.2 所需流量的计算

3.2.1 浅槽排料堰流与薄壁堰的符合性判断

无压缓流经障壁溢流时，上游发生壅水，然后水面降落，这一局部水流现象称为堰流，障壁称为堰，表征堰流的特征量有：堰宽b，堰前水头H，堰顶厚度δ和它的剖面形状，堰上游坎高p，行近流速v0等，如图2所示。

图2 矩形薄壁堰示意图

根据堰流的水力特点，当δ/H<0.67时称为薄壁堰，堰顶厚度不影响堰流的性质；当上游渠道宽B大于堰宽b时称为侧收缩堰；当B=b时称为无侧收缩堰；当下游水深足够小，不影响堰的过流能力时，称为自由式堰流[7]。

浅槽重介分选机的排料堰流的特征是：堰顶厚度约为15 mm，堰前水头H约为95 mm，δ/H=0.15<0.67，选煤工艺设计布局合理时，排料溢流通畅，不受其他影响。因此，浅槽重介分选机的排料堰流属于自由溢流的无侧收缩矩形薄壁堰。

自由溢流的无侧收缩矩形薄壁堰流量Q可采用式(1)计算：

(1)

式中：m0为流量系数，可采用雷布克公式(1912)进行计算[7]：

(2)

式(2)适用范围为:0.1 m

3.2.2 理论计算实例

考虑到设备型号不同排料宽度也不相同，引入每米排料宽度流量常用指标：

(3)

堰宽b取决于浅槽重介质分选机的型号，上游堰高P一般约为765 mm(浅槽槽底至溢流堰钢板立面高约为1 245 mm，图1中P1高度480 mm，两者相减得P=765 mm)；因行近流速v0水头较小，在槽体内水头降低很小，计算时用堰顶溢流高度代替H；g取9.8 m/s2。

(1)当目标分选粒度为200 mm时，取堰前水头H=95 mm，则有：

=0.054 m3/(m·s)=194.4 m3/(m·h)。

(2)当目标分选粒度为150 mm时，取堰前水头H=72 mm,则有：

m0=0.418;

=0.036 m3/(m· s)=128.6 m3/(m· h)。

上述目标分选粒度是指分选物料是理想状态的单一粒度,或者是分选物料中没有比该粒度更大的颗粒。由此可以看出,重介浅槽分选机所需重介悬浮液流量Q与溢流宽度b(b是重介浅槽分选机的处理量最主要决定因素)和分选粒度(2H)的大小直接相关。

3.2.3 理论计算与生产实际的符合性验证

自由溢流的无侧收缩矩形薄壁堰主要用作水利工程中的量水设备[7]，因此参照相关原理和公式进行浅槽重介分选机所需重介悬浮液流量的计算在理论上是可靠的。

入料上限(入料最大粒度)是以物料中95%能通过的筛孔尺寸所确定的[9]，也即物料中有约为5%的颗粒大小会超过入料上限尺寸。在生产中为了保证精煤产品的回收率和排料的畅通，流量选择一般要大于理论计算所需流量。

例如，当要求入料上限为150 mm时，按上述目标分选粒度为200 mm时，理论计算需要的悬浮液流量为194.4 m3/(m·h)，与各浅槽重介分选机制造厂家根据生产实际总结出来的选型表中推荐的额定流量基本吻合。

重介悬浮液最大流量的选择可通过对分选物料中最大粒级进行进一步筛分试验，以掌握这部分占分选物料5%含量的粒度组成情况，并以H等于目标粒度的1/2，参照式(3)计算确定，最终得出该煤质情况下最合适的重介悬浮液流量。

在实际生产中，刮板运输机上重产物会带走部分悬浮液，但在刮板速度选择合适时，此量较小，可忽略不计。

从以上计算情况可知，在流量满足与分选密度相同的粗颗粒有50%机率进入轻产品的情况下，与分选密度一致的细颗粒进入轻产品的机会得到了很大提高，再加上悬浮液粘度等因素的影响，在宽粒度级分选的情况下，浅槽重介质分选机实际分选密度比选择的悬浮液密度要高。从实际经验来看，约高0.02～0.08 kg/L，这是浅槽重介质分选机的流量选择后的“系统误差”。但在进入浅槽重介质分选机物料的粒度组成和重介悬浮液性质相对稳定的情况下，浅槽重介质分选机的分选精度仍然能得到保证。

4 结语

通过对浅槽重介分选机和主要用作水利工程中量水设备的自由溢流无侧收缩矩形薄壁堰的符合性研究判断，引入水力学相关公式对浅槽重介分选机所需重介悬浮液流量进行理论计算，实例计算结果得到了选煤厂实际生产经验的验证。该法为选煤厂设计和生产操作较为准确的重介悬浮液流量计算提供了方法，对选煤厂的精细化管理具有积极作用。

[1] 黄亚飞，齐正义，徐春江，邵景君.浅槽刮板重介质分选机流场试验研究[J].选煤技术，2012(6):27-32

[2] 谢广元.选矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2010:148-301.

[3] 张信龙，庞鼎峰，候晋兵，等.长丰矿选煤厂的设计特点[J].洁净煤技术，2013,19(1)：16-20.

[4] 杜颖峰.浅槽分选机上升流工艺的优化改造[J].洁净煤技术，2013,19(4):8-11.

[5] 陈贵锋.选煤[M].北京：化学工业出版社，2010：66-67.

[6] 张光伟.工程力学[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007:69-70.

[7] 黄儒钦.水力学[M].成都：西南交通大学出版社，2006:130-134

[8] 谷 欣.水力学[M].郑州：黄河水利出版社，2012:111-112.

[9] 煤炭行业职业技能鉴定指导中心.采制样工[M].北京:煤炭工业出版社，2005:6-7.

Calculation method of the flow of dense medium suspension of H.M. vessel

LIU Yuan-li，CHEN Wen，WU Run-bao，HU Zhi-guo

(Zhuzhou Tianqiao Shunchen Coal Preparation Machinery Co., Ltd., Zhuzhou，Hunan 412007，China)

Assuming that layered materials can remain motion in H.M. vessel, based on structure and technological parameters of H.M. vessel, a calculation method of the flow of dense medium suspension of H.M. vessel is proposed using hydraulic formula. Through comparing calculating data with production ones, the calculation formula can be used, and the calculation method is feasible.

H.M. vessel；dense medium suspensions；flow；thin plate weir；top size

TD942

A

1001-3571(2015)04-0023-03

2015-05-01

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.006

刘远力(1970—)，男，湖南省株洲市人，工程师，从事选煤设备研发和技术管理工作。

E-mail：736193537@qq.com Tel:13975311520