螺旋分选机研究进展

叶贵川， 马力强

(1. 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

0 引 言

螺旋分选机又称螺旋选矿机、螺旋溜槽，是一种利用离心力场和重力场的高效流膜分选设备，目前广泛应用于金属矿、海滨砂矿以及煤炭分选中。相对于其他分选设备，螺旋分选机具有结构简单、分选效率高、无噪音、无动力部件、维修费用少、使用期限长等优点。螺旋分选机出现较早，直到20世纪80年代初，澳大利亚、美国、加拿大以及南非等国才相继投入科研力量，深入研究螺旋分选机理，优化螺旋分选机结构，并成功用于3～0.75 mm级粉煤的分选。我国将螺旋分选机引入煤炭分选领域，相继研制出XL系列、SML系列、ZK-LX系列、LL系列以及振动螺旋干法分选机，推动了螺旋分选机的发展。近年来，由于矿业、煤炭业的快速发展，以及当前固体废弃物处理的急迫需求，螺旋分选机以其能耗低、结构简单等优势受到青睐。本文主要综述了螺旋分选机近年来的理论研究成果、设备优化现状以及新的研究手段，力求为螺旋分选机的发展提供参考。

1 螺旋分选机理论研究进展

21世纪以来，传统的研究方法已不足以支撑螺旋分选理论的进一步完善以及螺旋分选设备的进一步优化。学者对螺旋分选机的研究开始向螺旋分选过程的数值模拟与检测发展，截料器的智能化调控近年来得以突破。螺旋分选机的研究进展可以分为3个方面：一是螺旋分选机流场的研究进展；二是螺旋分选过程的研究进展；三是螺旋分选机工艺优化及智能化调控研究进展。

1.1 螺旋分选机流场

螺旋分选机流场分布复杂，通常认为，螺旋分选机流场主要分主流(沿螺旋线向下运动)和径向环流两类。基于流体力学相关理论对螺旋分选机中纵向、径向速度进行理论计算是研究螺旋分选机流场分布特性的重要手段，但理论公式的推导对螺旋分选机中流场做了诸多假设，只能对螺旋分选机中流场分布特性进行定性分析。此后，Holland-Batt[1]、Holtham[2]通过测定矿浆自由液面与槽底的高度差来表征螺旋分选机流膜厚度。该方法操作便利，应用广泛，但测试精度有限，尤其是针对螺旋分选机内缘流膜较薄的区域。Holtham[3]在槽底通入示踪液体，利用摄像机记录的示踪液体与螺旋线的偏移角度来表征径向环流的大小，但该方法对操作要求较高，不易实现。陈廷中等[4]提出用电解质电测法测定螺旋分选机中的流场分布情况，这种方法对设备的灵敏度要求较高，精度有限，不够便利。黄秀挺[5]利用激光多普勒测速仪得到螺旋槽外缘流体速度分布，但无法有效获取螺旋槽内缘的速度分布。

随着计算流体力学的兴起，利用数值模拟方法来模拟螺旋分选机中流场分布特性是当前的研究热点。Doheim[6]、Matthews[7]、Ye等[8]借鉴明渠流的数值模拟方案，基于VOF多相流模型对螺旋槽中流体分布特征进行数值模拟，直观展示了螺旋槽中下层流体和上层流体的速度矢量图，证实了螺旋槽中径向环流的存在，细化了螺旋分选机中的流场分布特征，为进一步研究结构参数/操作参数对螺旋分选机中流场分布特性提供了较为便利的手段。

综上，基于螺旋分选机流场的相关研究经历了理论分析、试验测定和数值模拟的演变，各研究方法的主要成果、优势和不足见表1。

表1 螺旋分选机流场研究的相关研究方法

由表1可知，通过理论分析的方法只可定性描述螺旋分选机中流场分布情况，无论是自制的流场测定装备还是利用激光多普勒测速仪测定螺旋分选机流场分布规律，都难以准确测量内缘薄流膜区域的纵向速度、径向速度分布。如何更有效地对螺旋分选机中速度分布(纵向速度和径向速度)、流膜厚度分布特征进行检测，是未来必须解决的问题之一。数值模拟技术可较为准确地预测螺旋分选机中的流场分布特征，未来螺旋分选机流场的数值模拟需要提高计算效率，并进一步优化模拟精度，从而更准确地揭示螺旋分选机中的流场分布特征，便于通过数值模拟研究径向环流等流场特征的调控机制。

1.2 螺旋分选过程

螺旋分选的实质是颗粒松散—分层—分离的过程。针对颗粒在螺旋分选机中的分层研究主要停留在理论分析上。通常认为拜格诺剪切力是颗粒在薄流膜中实现分层的根本原因[9]。颗粒在螺旋分选过程中的径向分带规律从动力学分析、分选试验、示踪试验以及数值模拟方面都取得广泛关注。

长期以来，颗粒在螺旋分选机中的动力学分析是研究的热点和难点。传统方法通常是将颗粒在螺旋槽上的受力分解到纵向和横向建立牛顿第二定律进行动力学分析[10-15]，但这种方法忽略了螺旋槽面的三维曲面特性。卢继美[12]、叶贵川[16]基于螺旋线的形成特性，在螺旋线上的任意点创建自然坐标系，将颗粒的受力分解到切向方向和法线方向，可以更直观地分析颗粒螺旋分选的受力情况。此外，叶贵川等[17]利用微元思想将颗粒在螺旋槽上复杂的受力进行简化，建立了颗粒在螺旋槽中径向位置的数学模型，基于该模型得出结论：颗粒达平衡状态后的径向距离随螺距、流量以及内径的减小而减小，随槽深的减小而增加；较小的螺距、较小的内径和较大的槽深有利于粗煤泥的分选。

粗煤泥分选试验是研究螺旋分选过程的常用手段，通常采用闭路循环系统，利用特殊设计的截料装置对螺旋槽不同位置物料进行取样分析。基于传统煤泥分选试验，Atasoy等[18]、Li等[19]发现中间密度颗粒在外缘和内缘均有较多分布[19]，证实了部分中等密度颗粒在螺旋分选机精煤区聚集导致螺旋分选精度较低的事实。诸多学者研究了操作参数对煤用螺旋分选机分选效果的影响。表明提高流量会导致中间密度和低密度矿物向外缘运动，导致精煤灰分和产率随着流量的增加而增加[20-24]。Honaker等[24]研究了入料浓度对精煤灰分的影响，认为精煤灰分随着浓度的增加先减小后增加。20%～40%的矿浆浓度是螺旋选矿的比较适宜的浓度[25]。

近年来，正电子发射型颗粒追踪技术(positron emission particle tracking，PEPT)用于检测颗粒在螺旋分选机中的运动规律，是螺旋分选机理论研究的一大突破。待测颗粒经特殊处理后因同位素衰变产生正电子信号，通过对该信号进行实时检测并进行重构计算，可以获取待测颗粒的三维空间位置，实现颗粒运动行为的动态在线检测，其试验系统及试验结果如图1所示(v为电子中微子)[26-28]。

图1 PEPT测试系统及测试结果

基于PEPT技术，Boucher首次实时追踪了轻重颗粒在螺旋分选过程中的运动轨迹和运动速度，证实PEPT技术可以用来检测颗粒在薄流膜中的运动速度和运动轨迹，对螺旋分选机理的进一步完善具有重要意义[26-27]。

螺旋分选过程中颗粒运动行为的数值模拟也是研究热点。学者利用欧拉固液两相流模型、离散相模型、光滑流体粒子模型等模拟了颗粒在螺旋分选机中的分布规律，可以直观地观测到颗粒在螺旋槽中的运动轨迹，为螺旋分选机理的定性分析提供了便捷[6-7,29-34]。由于模拟过程中忽略了诸多现实条件，模拟结果与试验结果仍有较大差距。

总体而言，目前针对螺旋分选机颗粒运动行为的研究取得了一定的进步，但仍具有较大提升空间。针对颗粒在螺旋槽中的分层，未来应尝试通过试验手段揭示颗粒在螺旋槽不同径向位置处的分层情况，进而分析结构参数对颗粒分层的影响机制。颗粒在螺旋分选过程中径向分带规律的相关研究方法及其优势和不足见表2。可知针对颗粒在螺旋分选机中的分带，借助PEPT技术，研究不同密度、不同粒度颗粒的运动行为，对完善螺旋分选理论、揭示结构参数对颗粒运动行为的影响规律具有重要意义。数值模拟是研究颗粒在螺旋分选机中运动行为的一种有效手段，未来的数值模拟还应优化算法，考虑颗粒碰撞的前提下对大量颗粒进行数值模拟，提升模拟结果对设备优化设计的可参考性。

表2 颗粒在螺旋分选过程中的径向分带规律的研究方法

1.3 螺旋分选机工艺优化及智能化调控

螺旋分选机截料器智能化调控如图2所示。Mohanty等[35]针对煤用螺旋分选机，在螺旋槽的内缘和外缘分别安装了配有传感器的感应槽，用以测定感应槽位置的矿浆浓度、导电性，经过特殊的算法调节位于感应槽之间的截料器位置，从而实现煤泥分选过程中截料器位置随矿浆波动的自动化控制(图2(a))。Nienaber等[36-37]针对选矿用螺旋分选机，基于精矿、尾矿间的颜色差异进行图像处理，通过识别灰度值图像的交界线来反映精矿、尾矿的分带区域，进而通过计算机命令实现截料器位置的智能化调控(图2(b))。此外，分选回路对螺旋分选性能也有较大影响[38-39]。Kohmuench[40]试验证明采用一段螺旋粗选，中煤螺旋精选可以在精煤灰分相似的基础上将精煤产率提高3.86%。

图2 螺旋分选机截料器智能化调控

总体而言，螺旋分选机工艺优化及智能化调控研究还处于起步阶段。螺旋分选工艺选择与入选煤泥性质之间的适配关系还有待明确，实际分选作业中，截料器感应精度和图像识别精度有待提高。

2 螺旋分选机应用及设备优化现状

2.1 煤用螺旋分选机应用现状

美国、澳大利亚等产煤国，螺旋分选机是常规粗煤泥分选设备[41]。由于其分选密度较高，目前在我国主要应用于动力煤选煤厂和个别炼焦煤选煤厂的粗煤泥分选作业，如同煤晋华宫选煤厂、神华神东大柳塔选煤厂等大型动力煤选煤厂，以及山东、山西、河南等地一些中小型选煤厂。我国煤用螺旋分选机主要是澳大利亚Roche公司的LD系列螺旋分选机和南非MULTOTEC公司的SX、SC系列螺旋分选机，以及国内开发的XL系列、ML系列、ZK-LX1100、LXA系列螺旋分选机。

相比于选矿用螺旋分选机分选圈数3～5圈，距径比0.5～0.7，由于精煤和尾煤的密度差异较小，所以煤用螺旋分选机的分选圈数多为6.0～6.5圈，距径比0.4左右，目的是创造物料良好分层环境的同时增加矿浆在螺旋分选机中的停留时间。单头干煤泥处理量在2.0～3.5 t/h，最大可达6 t/h(ZK-LX1100系列)；入料粒度0.1～2.0 mm，分选精度I值在0.1～0.2，分选密度一般大于1.6 g/cm3。

南非Outokumpu技术公司生产的CARPCO CS2000型螺旋分选机应用于潞安矿业集团漳村选煤厂。CARPCO CS2000型螺旋分选机包含稳定槽、变径分选槽以及排料槽组成，入料浓度30%～50%，矿浆通过量6～8 m3/h，单头干煤泥处理量达2.0～3.5 t/h，可以实现0.1～2.0 mm煤泥有效分选，分选密度1.5～2.0 g/cm3[42]。潞安矿业集团余吾矿选煤厂应用了威海海王公司生产的LXA1000型螺旋分选机。LXA1000型螺旋分选机在第3圈配备了预先排矸尺，横断面采用立方抛物线形状，有4圈和7圈2种，入料浓度30%～50%，矿浆通过量6～8 m3/h，单头干煤泥处理量达2～4 t/h，可实现0.1～2.0 mm煤泥有效分选，分选密度1.5～2.0 g/cm3。该设备可能偏差为0.135 g/cm3，不完善度为0.18，数量效率为97.5%[43]。赵娟等[44]介绍了螺旋分选机在宁煤集团太西选煤厂二分区的应用。针对选煤厂入选原煤煤质变差，导致煤泥系统分选效果下降的问题，采用螺旋分选机分选无烟煤粗煤泥，降低了浮选系统处理能力，提高了分选效果和经济效益。石坚[45]将螺旋分选机作为一种预处理设备，对浮选入料经过磨矿-螺旋抛尾处理，改善了浮选效果。

2.2 新型螺旋分选机设计

新型螺旋分选机设计包括结构参数优化、新型结构、新材料应用以及引入外力等。南非MTI公司研发了一种低分选密度的螺旋分选机(low-cut spiral separator)，设备有8圈，采用两段截料法，第1段在第4圈截料，第2段在第6圈截料。该设备采用较低的距径比、较长的分选圈数创造较为平稳的分层环境，延长煤泥分选时间，促进中高密度颗粒的分选。试验表明产率降低4%左右时，分选密度可由1.61 g/cm3降至1.54 g/cm3[46-47]。

王光庆等[48]设计了一种煤用隔条螺旋溜槽，在螺旋溜槽面铺设一定厚度和角度的格条引流尾煤，减弱尾煤对精煤分选区域的影响。由于格条具有一定的厚度，矿浆在流经格条时将产生水跃现象，从而促进床层的松散分层。分选试验表明：相对于无格条时，在正角度范围内，各粒级精煤灰分和精煤产率均升高；在负角度范围内，细粒级精煤灰分均升高，分选效率均降低，粗粒级精煤灰分在-45°处最低，分选效率在0°最高。李广等[49]借鉴摇床的分选机理，采用特殊工艺在螺旋溜槽面上形成不同的凹槽，产生水跃现象的同时具有一定的引流作用。该螺旋分选机能有效提高贫、细矿石的选别指标，具有节能、降耗、高效和环保等特点。叶贵川[16]研究了槽面形状以及距径比对粗煤泥螺旋分选性能的影响规律，基于动力学分析、数值模拟及分选试验，设计了超低距径比的复合槽面螺旋分选机(内缘立方抛物线、外缘椭圆型)，在粗选阶段预排矸，分选密度可降低至1.543 g/cm3，相较于采用传统参数的椭圆型槽面和立方抛物线槽面煤用螺旋分选机，在精煤灰分要求相当的情况下，分选效率分别提高了19.41%、13.11%。王超等[50]以空气介质代替水介质，在螺旋槽面下方沿螺旋线方向铺设气流通道，物料在自身重力和气流通道提供的气流输送力作用下沿筛面螺旋向下运动，在层间剪切力和离心力作用下实现物料的松散与分级。陈晓鸣等[51]将磁性耐磨涂料涂在螺旋槽内表面上，使槽面对磁性颗粒具有一定的引力，增大磁性物料在螺旋槽中移向内缘的趋势，实现对磁性物料的分选。Vysyaraju等[52]基于螺旋分选机结构特性设计了一种新的强化重力封闭螺旋分级机，平均粒度82 μm的二氧化硅颗粒分级试验表明：螺旋槽外缘(outer outlet)和内缘(inner outlet)的平均粒度分别为60.6、107.1 μm，具有一定的分级效果。

2.3 螺旋分选机新的应用领域

基于螺旋分选机结构简单、无动力部件等特点，设备处理的对象也逐渐丰富。Dehaine等[53]利用澳大利亚MDL公司的MKIIA Reichert spiral螺旋分选机对稀土矿进行预富集，回收了80%的重矿物；Liu[54-55]基于含钒石煤中物相的赋存特性，设计了距径比0.36的立方抛物型螺旋分选机，将V2O5品位为0.8%的原矿富集到1.0%。近年来螺旋分选机在固体废弃物循环利用方面也得到了很多应用，如在钛尾矿、铅锌尾矿、锡尾矿、铜硫尾矿以及黄铁矿制酸烧渣、炼铁高炉除尘灰等固废的再处理工艺中，螺旋分选机作为主要分选设备发挥了重要作用。

3 结语与展望

随着研究手段进步，螺旋分选机分选理论进一步完善，设备和工艺得到优化，应用领域扩大。未来螺旋分选机研究重点主要还是利用PEPT技术、数值模拟技术等先进手段，进一步研究槽面形状、距径比(螺距直径之比)等结构参数对螺旋分选机流场分布特性、分选过程的影响，配合结构、工艺、新材料运用方面的改进，力争在提高分选精度、扩大分选密度调控范围方面有所突破。

1)全面深入了解颗粒在螺旋分选机中的纵向分层和径向分带规律，探索多流态复合力场中影响颗粒运动行为的关键因素，揭示流膜流体特性与颗粒物性对分选效果的影响，是螺旋选矿理论与设备发展的根本。

2)针对螺旋分选机薄流膜的特性，设计精度高、操作性强的薄流膜流场检测系统，实现螺旋分选机流场分布特征的有效检测，同时优化流场数值模拟方案，提升数值模拟精度，深入分析二次环流的形成、强弱、作用以及调控手段，是完善螺旋选矿机理，优化螺旋分选机结构参数的必经之路。

3)建立颗粒群在螺旋分选过程中的运动模型，设计切实可行的试验方法研究颗粒在螺旋分选机中的分层规律，利用先进的颗粒示踪技术和数值模拟技术，揭示螺旋分选机结构参数与颗粒径向分布的适配关系。

4)基于螺旋分选机结构简单、无动力部件等特点，螺旋分选机在固废处理、稀有矿物预富集等方向具有较大的潜力。设计“各专用”螺旋分选机时，应综合动力学分析、流场特征/颗粒运动行为的检测与模拟结果，结合各物料性质，有针对性地优化螺旋分选机结构参数，实现有用矿物的高效富集。