重介质旋流器选煤技术研究进展

丛日红

(神华神东煤炭集团 洗选中心，陕西 榆林719315)

煤炭是我国的重要能源和资源，在各领域得到了广泛应用，支撑着我国经济的长期中高速发展和社会进步[1]。由于之前煤炭行业的粗放式发展，带来了严重的环境污染，因此煤炭利用在一定程度上被限制。随着国家环保政策的严格实施，煤炭的洁净利用和高品质产品的开发显得尤为迫切。在煤炭加工利用方法中，选煤是最经济、最有效的方法，也是煤炭后续清洁利用的基础。由于采煤机械化的不断提高、煤田地质的不断恶化及用户对产品质量要求的不断提高，选煤技术也在不断革新。

近年来，重介质选煤技术发展尤为迅速。重介质选煤技术是以阿基米德原理为指导，利用煤与矸石的密度差异进行分选的技术，具有分选效率高、分选精度高等特点。在各类选煤厂中，重介质选煤技术所占比例在50%以上。随着选煤生产现场的需要和重介质选煤技术的发展，重介质分选设备不断涌现，如早期的斜轮重介质分选机、立轮重介质分选机，现阶段的重介质旋流器、浅槽重介分选机、干法重介质流化床等。其中，重介质旋流器以分选速度快、分选效率高的特点，在选煤厂得到了广泛应用[2-4]。文章总结了重介质旋流器技术的研究进展，并分析了其存在问题和发展前景，以期指导下一步的研究和实践。

1 重介质旋流器

1.1 结构组成

荷兰国家矿山局于1939年设计出第一台圆柱-圆锥形重介质旋流器，此后各国开始持续研发，不断对其进行改进与创新[5-6]。我国对重介质旋流器的研究较晚，起步于1970年左右，但这方面的研发速度较快，在之后的较短时间内研制出三产品重介质旋流器、微细介质和非磁性介质的重介质旋流器。

重介质旋流器主要由基架、入料管、溢流管、底流口、溢流室等组成。在重介质旋流器工作时，在强大的旋流力场作用下，沿切线方向高速进入旋流器的原料和重介悬浮液分成向下的外螺旋流和向上的内螺旋流，它们分别在旋流器的内壁和轴心处产生。溢流室和底流口均是物料排出通道，但所排物料的密度存在差异。低密度物料所受离心力小，在轴心处聚集后以螺旋流方式上升，通过溢流室排出；高密度物料在强大的离心力作用下，沿内壁以螺旋流方式向下运动，通过底流口排出[7]。重介质旋流器结构示意图如图1所示。

图1 重介质旋流器结构示意图

马亭亭[8-11]等通过在重介质旋流器上安装磁场线圈，强化了设备分选效果。张睿[12-13]等开发了浓密旋流器，并研究了硅铁重介悬浮液的特性及重介悬浮液在浓密旋流器中的作用规律。中煤科工集团唐山研究院有限公司开发了高分选密度重介质旋流器，采用低密度悬浮液实现了高密度物料的分选，设备能耗、损耗均降低，使用寿命得到延长[14]。这些新研究为重介质旋流器技术的发展提供了新思路。

1.2 基本分类

根据产品数目、给料方式、安装方式、机体结构和形状，重介质旋流器可以分成不同的类型，具体见表1。

表1 重介质旋流器分类[3]

2 重介质旋流器相关理论

2.1 工作原理

重介质旋流器主要根据煤与矸石的密度差异及其所受离心力的不同，实现煤与矸石的分离。就不同密度的矿石颗粒而言，密度小于重介悬浮液密度的矿石颗粒在离心力作用下向旋流器中心移动，并在内旋流中不断向上旋转，最后通过溢流口排出；密度大于悬浮液密度的矿石颗粒向外运动，在外旋流作用下从底流口排出。重介质旋流器工作原理如图2所示。

在重介质旋流器内，矿石颗粒受到的离心力和沉降速度计算式分别为：

(1)

(2)

式中：F为矿石颗粒所受的离心力；Vc为矿石颗粒的沉降速度；K1、K2为系数；H为重介质旋流器的入料压头；d为矿石颗粒的直径；D为重介质旋流器的直径；μ为粘滞系数；δ为矿石颗粒的密度；Δ为重介悬浮液密度；g为重力加速度。

由式(1)、式(2)可知：矿石颗粒在重介质旋流器内所受的离心力、沉降速度与筒体直径成反比，与入料压头成正比，同时还与矿石颗粒的直径、密度、粘滞系数及重介悬浮液密度有关。

图2 重介质旋流器工作原理示意图

2.2 重介悬浮液的稳定性

重介质旋流器内重介悬浮液的稳定性是保证物料分选效果的前提。韦鲁滨等[15]系统研究了密度在1.45～1.80 g/cm3之间、煤泥含量在0～30%之间的重介悬浮液流变特性，考察了固体体积分数和煤泥含量对重介悬浮液流变特性的影响。研究结果表明：常规重介悬浮液为假塑性流体，当固体体积含量一定时，随着煤泥含量的增加，重介悬浮液的稠度系数近似线性减小，幂律指数增大；当煤泥含量一定时，随着重介悬浮液体积分数的增加，稠度系数近似线性增大，幂律指数减小。李大虎等[16]研究了固体体积浓度和煤泥含量对重介悬浮液流变特性的影响，并建立了重介悬浮液黏度预测模型。研究结果表明：当煤泥含量不变时，重介悬浮液黏度随固体体积浓度的增加而增大；当固体体积浓度不变时，重介悬浮液黏度随煤泥含量增加而减小。

3 重介质旋流器分选过程的流场测试与模拟手段

3.1 流场测试手段

由于重介质旋流器内的流场不透明，并且颗粒运动速度较快，采用常规方法无法描述设备内流体的运动行为。随着PIV(Particle Image Velocimetry)、密度示踪剂、超声相控阵等的兴起，给重介质旋流器内的流体运动行为研究提供了机会。

PIV属于光学测量设备，可用于测量透明、稀流体内颗粒的运动行为，也可与Fluent软件联合使用，用于选择模型和验证模拟结果。与PIV相比，密度示踪剂使用条件相对宽松，可用于不透明、稠流体的测量，也可在实际生产过程中使用。IZERDEM D等[17]采用密度示踪剂对土耳其一座重介质选煤厂的重介质全分选流程进行了研究，并对介质桶和重介质旋流器内颗粒的运动行为进行了重点研究；他们自主开发出选煤厂模拟器，用于计算选煤厂的质量平衡。

3.2 流场模拟

重介质旋流器内的物料分选涉及空气、水、煤、磁铁矿颗粒等多相介质，而各种介质的尺寸、密度等属性变化较大。同时，设备内存在旋涡湍流、空气柱、介质与煤颗粒的分离等行为，流动非常复杂，要想准确描述这一过程非常困难，一般需要对模型进行简化处理[18]。CFD(Computational Fluid Dynamics)是常用的流体模拟软件，在研究中得到了广泛应用。近年来，CFD与其他软件的联合使用正在兴起，如 CFD-DEM(Discrete Element Method)、CFD-LPT(Lagrangian Particle Tracking)等方法逐渐得到应用。

王祥震[19]针对三产品重介质旋流器存在中煤带精煤的问题，设计出三段重介质旋流器，并采用CFD软件进行了数值模拟，确定了第二段溢流管末端尺寸。邓建军等[20]对无压三产品重介质旋流器流场分析得出：旋流器一段流场不受二段底流口直径影响，但二段底流口直径对旋流器二段流场、空气柱直径和压力梯度有较小影响。位革老等[21]对一种新型复合型煤泥旋流器内的流场进行了模拟，发现在较大的轴向和切向、径向速度影响下，煤泥能够在径向有效分层并在轴向分离，从而完成细煤泥分级和粗煤泥分选。刘峰等[22]对1000/700无压给料三产品重介质旋流器流场进行了数值模拟，发现旋流器中心处存在一个负压区；在同一水平截面上，切向速度随着半径的减小先增大后减小，最大值出现在接近空气柱和溢流管壁处。

4 存在问题与展望

重介质旋流器具有分选粒级宽、分选精度高、分选效率高等特点，适用于难选煤、极难选煤的分选，是目前选煤厂应用较多的选煤设备[23]。随着煤炭资源的不断开采，原煤煤质逐渐变差，分选设备及其配套设备的适应性有待提高，因此必须对现有重介质旋流器技术进行升级，以适应新的发展需要。综合考虑，重介质旋流器技术需要在以下六方面实现突破：

(1)深入研究重介质旋流器选煤的基础理论。基础理论研究是设备研制和工艺发展的基础，因此应着重研究重介质旋流器分选粗细粒煤炭的基础理论，这是重介质旋流器选煤基础理论突破的关键。

(2)拓展重介质旋流器的分选下限。目前，重介质旋流器的分选下限已经较低，如果能进一步降低分选下限，则能对浮选剂用量大、生产成本高、脱水难度大的煤泥处理作业起到改善作用。

(3)探索研制大排矸型三产品重介质旋流器。重介质旋流器的研究应着眼于制造能够实现大排矸的三产品重介质旋流器，以满足矸石含量较高原煤的分选要求。

(4)研发新型高效复合型重介质旋流器。重介质旋流器是分选过程中的核心设备，直接决定原煤分选结果，并决定选煤厂的经济效益。将电场力、磁场力及其他复合力场组合到重介质旋流器中，对提高设备分选效率具有重要意义。

(5)开发新型高效介质净化和回收设备。应开发高密度大颗粒的高效磁选设备、透筛率更高的大振幅脱介筛，以实现介质的高效回收和循环利用，降低系统介耗和生产成本。

(6)重视新材料的研究与开发。磁铁矿的密度在4.50 g/cm3左右，其硬度也很大，导致设备内衬磨损严重，需要不断及时更换。因此，研发出新型耐磨材料对降低生产成本，提高设备使用寿命有着重要意义。