煤泥水连续分级装置研究进展综述

朱宏政，李 甜，黄典强，邵善敏，徐文玉，李梦闪，杨璐映，王海楠

(1.安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2.圣路易斯波托西自治大学 冶金研究所，墨西哥 圣路易斯波托西 78210)

近年来，随着机械化采煤技术的广泛应用以及原煤性质的不断恶化，原煤中粘土类矿物含量不断增大，此类矿物遇水极易碎散成高灰分细泥[1-2]，进入浮选系统后，极易粘附在煤表面竞争吸附药剂，并影响煤与气泡的直接接触，造成浮选精煤产率低，灰分高，药剂消耗量大等问题[3-5]。同时，随着重介质选煤技术的发展，旋流器分选下限已低于0.25 mm[6]，0.5～0.25 mm粒级进入浮选系统，属于重复分选，会造成药剂浪费和精煤损失[7]。因此，将煤泥分为多个粒级进行精细化处理具有重要意义。

微细矿物颗粒的分级装置主要有浓缩机和水力旋流器等。浓缩机是一种固液分离设备，我国上世纪先后有剧殿臣、江渭清、郭德[8-10]在杏花选煤厂、芦岭选煤厂、临涣选煤厂等单位探索过通过控制浓缩时间和耙式浓缩机底流浓度来实现微细矿物颗粒的分级，并在实践中取得了一定的效果，但分级效率不高；王永田、常延源、宋战胜等[11-13]运用流体分析软件建立了浓缩机内煤泥水沉降数值模型，并对流场进行了模拟计算，分析了流速场、浓度场和浓度分布，以及连续沉降数学模型；郭跃久、谢广元、ZHANG等[14-16]利用实验室研究模型，对不同倾斜板角度时的浓缩效率进行了研究分析，探索出浓缩效率与倾斜板角度之间的渐变规律。水力旋流器是一种利用离心力增大颗粒之间干扰沉降速度差异来实现分级的设备。魏德洲、韦鲁滨、TANG等[17-19]建立了贴合实际的旋流器分离模型，对水力旋流器的分离粒径、生产能力、底流质量分数等多个重要分离指标进行了模拟研究，同时对经验模型和庞学诗法的准确性进行了对比分析；ZHAO、MA、KIM、WANG、蔡圃等[20-24]利用计算流体力学方法对水力旋流器内部流场分布、颗粒运动、速度梯度、分级效率等进行了全面分析。

国内外有学者针对煤泥颗粒的分级问题尝试过创新。杨宏丽、樊民强[25]利用干扰沉降原理，针对浮选柱中矿循环量，设计了双排尾重浮联合分选机，并对分级曲线数学模型和分级分配率进行了推导和定量描述；位革老、刘文礼等[26]借鉴分级旋流器和大锥角水介质旋流器的优点，提出兼具分级和分选功能的复合型煤泥旋流器，并利用Fluent 软件计算出设备的切向速度、轴向速度和径向速度，研究了装置内的流场分布和运行参数；王冰、沈丽娟[27]利用不同粒级矿物颗粒干扰沉降速度的差异，设计了煤泥水整流脱泥槽装置，利用圆管的整流作用，使物料分级，并通过实验室试验研究了操作参数对设备分级性能的影响。

然而，这些设备均存在占地面积大、煤泥过粉碎等弊端，且无法实现煤泥颗粒的连续分级。因此基于流体力学原理，提出了具有连续分级功能的煤泥水分级装置，并对装置的流体力学特征和分级效果进行了研究[28-31]。

1 煤泥水连续分级装置原理和结构设计

大部分煤颗粒的灰分随着粒度的减小而增加，不同粒级的煤颗粒干扰沉降末速不同，其中细颗粒干扰沉降末速较小，易随上升水流溢出，可按斯托克斯公式计算颗粒的干扰沉降速度vg[32]：

(1)

式中：v0为自由沉降速度，m/s；n为浓度干扰指数；λ为固体容积浓度，%。

基于以上原理，设计了煤泥水连续分级装置，结构如图1所示。

1—入料槽；2—下降区；3—分级区；4—整流管束；5—隔板；6—底流口

煤泥水连续分级装置由若干个高度不同的圆环柱体连接组成，在最外层的圆环柱体外侧上方设置一个环形入料槽，在每一个圆环柱体内部设置隔板，隔板外侧为下降区，内侧为分级区；在分级区内设置整流管束，用于将煤泥水调整为层流状态。在工作过程中，矿浆由入料槽溢入分级池，在沉降区，矿浆向下流动，受隔板粘滞阻力的影响，流态发生改变，调整为层流状态，颗粒按其干扰沉降末速进行水力分级，粗颗粒沉降至底部排出，细颗粒随着上升水流溢入下一个池体，逐级完成颗粒的分级。底流泵设有变频调速器，通过调节底流量，间接调整分级粒度。

2 整流管束形状选择及流场分布

煤泥水经过整流管束流态控制为层流的主要原因是黏性的煤泥水通过整流管束时产生沿程损失，使其速度降低且方向一致，整流管束内沿程损失hf可按达西公式计算[33]：

(2)

式中：λ为沿程阻力系数；l为整流管束长度，m；d为整流管束当量直径，m；v为煤泥水运动速度，m/s；g为重力加速度，m/s2。

在实际应用中，四边形和六边形管束易于加工和规则排列，因此对四边形和六边形整流管束装置内流体力学特征进行分析。简化后的装置模型如图2所示，结构参数见表1，利用Fluent软件对模型进行数值计算[30]。

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图2 简化模型

截取z=0和y=75 cm截面，分析其流场分布和速度特征，结果如图3、图4所示。

表1 简化模型结构参数

图3 z=0截面速度云图

图4 y=75 cm截面速度云图

由图3可知，选取正四边形或正六边形管束时，分级装置内的流体分布基本一致，在流体绕过隔板时，流体运动产生一定波动，在经过整流管束后，流场趋于均匀，有利于颗粒的分级，也同时验证了设置整流管束的必要性。

由图4可知，相比于正六边形管束，选取正四边形管束时，下降区流体运动速度略小，主要是正四边形管束湿周大，产生的阻力大，流体运动受阻增大。在整流管束中，流体运动相似，受管束壁的粘性力作用，四周流体运动速度较小，管束中间较大。

选取部分管束中心线，其垂直于xz平面，在xz平面内投影坐标分别为line1(52.21，0)、line2(58.31，0)、line3(64.41，0)、line4(50.99，0)、line5(54.65，3.27)、line6(60.14，0)、line7(63.80，3.27)。对整流管束内流体运动参数进行计算，结果见表2。由表2可知，选取正四边形或正六边形管束时，流体流态均可控制为层流状态。相比于正六边形管束，选用正四边形管束时，流体的最大运动速度较小，主要是因为正四边形湿周产生的阻力大于正六边形；正四边形管束中雷诺数方差远小于正六边形管束，表明正四边形管束中流场分布更均匀；正四边形管束中沿程损失较大，表明在运动过程中，正四边形管束对流体的阻力更大，有利于流体流态的调控。

表2 整流管束内流体动力学参数计算

3 分级效果研究

3.1 实验室试验

试样选取望峰岗选煤厂浮选入料，分析其粒度与密度组成，结果见表3。

在实验室研究模型中进行固体物含量为10%的煤泥水分级试验，对分级试验的入料、溢流和底流分别进行筛分试验，试验结果见表4。

表3 入料粒度组成

表4 分级试验结果

由表4可知，产率总方差为6.596 5，灰分总方差为2.784 8，计算入料与实际入料吻合程度较好。因溢流不存在0.5～0.25、0.25～0.125 mm粒级矿物颗粒，所以分级效果较好；底流中部分<0.045 mm粒级未能脱除；值得注意的是，底流灰分比入料灰分降低了9.09个百分点，说明该装置有一定的降灰作用。

3.2 模拟计算

(a) 0.5～0.25 mm (b) 0.25～0.125 mm (c) 0.125～0.075 mm (d) 0.075～0.045 mm (e) <0.045 mm

图5 各粒级颗粒运动轨迹

Fig.5 Motion trajectory of each size fraction

由图5可以看出，不同粒径的矿物颗粒在分级装置中的运动轨迹存在差异，粒径较粗的0.5～0.25、0.25～0.125 mm粒级矿物颗粒均运动至底流口或集中于下降区，并未向溢流运动；0.125～0.075、0.075～0.045、<0.045 mm粒级的矿物颗粒部分运动至底流口，部分进入溢流。

由Fluent软件导出相关参数，计算其产率，结果见表5[31]。

表5 分级试验模拟结果

由表5可知：0.5～0.125 mm粒级矿物颗粒全部进入底流，分级效果好；0.125～0.075 mm粒级底流产率占该粒级的97.92%，分级效果较好；0.075～0.045 mm粒级底流产率占该粒级的50.00%，分级效果较差；<0.045 mm粒级溢流产率占该粒级的70.10%，分级效果较好。

3.3 对比分析

对比各粒级产率的试验值和模拟值，如图6、图7所示。

图6 溢流各粒级产率对比

图7 底流各粒级产率对比

由图6可知，溢流各粒级产率的模拟计算结果与试验结果吻合度较高，0.5～0.25 mm和0.25～0.125 mm粒级在溢流中产率为0，随着粒度的减小，产率增加，其中0.075～0.045 mm粒级误差较大，约为4.49%。由图7可知，底流的试验结果与模拟计算结果变化趋势相似，中间粒级误差最大，粗粒级和细粒级误差较小。

对各粒级错配率的试验值和模拟值进行计算和对比，结果见表6。

表6 错配率计算

由表6可知，0.075～0.045 mm粒级错配率的试验值和模拟值的误差为19.94个百分点，偏差较大；其余粒级差值较小，吻合程度较高，模拟结果可以较好地反映颗粒的分级过程。试验结果表明0.5～0.075 mm粒级颗粒的错配率较低，分级效果好；<0.075 mm粒级颗粒的错配率达到30.06%，表明颗粒的运动较为复杂，受外力作用较为显著。

4 结论与建议

(1)利用水力分级原理，设计出一种可以连续分级的煤泥水分级装置，通过调节底流排放速度间接控制上升水流速度，从而控制分级粒度。

(2)利用Fluent软件分别模拟计算设置正四边形和正六边形管束时分级装置内的流场，计算结果表明：采用正四边形管束时装置内流场分布更加均匀，管束内流体沿程阻力更大，有利于控制流态。

(3)模拟计算结果和实验室试验结果均表明：煤泥水连续分级装置有较好的分级作用，且模拟计算结果与试验结果较为吻合，充分证明了CFD软件可以较好的应用于煤泥水分级过程的模拟计算。

(4)煤泥水各粒级分级错配率总体随着粒度的减小而增大，尤其是0.075～0.045 mm和<0.045 mm粒级的错配率较高，分级效果受外界影响较大，因此，需要对微细颗粒分级效果的影响因素进行深入的研究，探索提高微细粒分级效果的有效方法。