重介质旋流器的结构优化设计研究

李 强

（晋能控股煤业集团大地选煤工程（大同）有限责任公司，山西 大同 037003）

引言

目前，在矿井选煤技术中，选用重介质选煤技术的比例在逐渐攀升，尤其是对于粗煤泥的高效回收分选，采用重介质选煤方法具有很好的分选效果，且普遍适用性也很好，因此，应用重介质旋流器分选技术具有很好的发展前景[1-2]。重力分选中，在流体介质中矿物颗粒的沉降属于最基本的运行形式，因物料本身的密实度、粒径以及形状、大小的不一样，直接造成在流体介质中的沉降速度不一样，因此，重介质旋流器是基于阿基米德机理实现其内部的离心力场，并依靠离心沉降来完成对煤炭的分选工作[3-4]。此外，重介质旋流器分选煤泥的特点有：其可以与浮选机配合使用，形成完整的煤炭分选体系；可以采用主选旋流器对介质进行浓缩分级，使进入煤泥重介的粒度较细，细粒物料的分选精度也提高；其属于物理分选技术，相比于浮选工艺，分选效果比较好；可运用密度来进行煤泥的重介分选，对密度大的细粒矿物物料的脱除效果更好[5]，因此，重介质旋流器的分选原理简单、分选效率相比与其他设备要高，还可进行连续操作，分选效果好。但是，由于传统重介质旋流器内部存在一个不断摆动的空气柱，不仅会形成湍流混合，还会发生降低分离效率和分离精度等现象[6]。本文对重介质旋流器进行优化设计，采取独特的溢流中心管，不仅弱化了空气柱，使湍流混合最小化，且提高分选精度，能达到很好的分选效果。

1 新型重介质旋流器的结构组成及分选原理

对于传统重介质旋流器，其给料方式为切向或渐开线，每端都有出口，因空气柱与反向涡流的作用影响，除会形成湍流混合外，还会造成煤泥的分选效果降低，往往达不到预期的分选效果[7]。本文对溢流管进行单独设计，并插入一定的深度，同时将重介质旋流器的入料口与重产物的出口截面都设计为圆形。此外，为便于后期研究，又将其化圆为方，并保证其相同的截面积和入口流量。其中，传统和优化后介质旋流器的结构分别如图1 和图2 所示。

图1 传统重介质旋流器的结构

图2 优化后重介质旋流器的结构

对于优化后的重介质旋流器，其分选原理是将需要分选的煤介和重介质悬浮液进行混合，然后将得到的混合物从入料口沿切向方向送入旋流器中。浆料混合作用形成的离心力作用于浆料中的颗粒，并在流体曳力、离心力和湍流扩散等的作用下，依据密度大小对物料颗粒完成分离。当弱化空气柱时，物料依据密度径向分成两块，可使因流场干扰作用产生的湍流混合达到最低化[8-9]。所以，高于重介质密度的物料，被移至位于紧靠旋流器器壁的方位，以螺旋流动方式沿着器壁向下移动，直至经位于旋流器底端的重产物出口排出；小于重介质密度的物料，向中间方位进行移动，最后经旋流器的轻产物出口排出，因此，物料可被分成轻、重产品两类。因轻、重产物的出料口均位于同一方位，这样就降低了传统旋流器出现的物料颗粒振动滞留现象[10]。

2 重介质旋流器的结构优化设计研究

本文中优化后的重介质旋流器，其结构参数为：直径为300 mm，进料口方形尺寸是45 mm×45 mm，筒体长度850 mm。试验中，选用的细粒煤粒径小于等于2 mm，且小于0.5 mm 的矿物颗粒约占总数的1/4 左右，并且仅加入磁铁矿粉，在入料口位置处安装压力表测量入料物料的压力，电磁流量计测量流量大小，还采用密度壶仪器检测各个出口位置的密度值。

首先对细粒煤的分配进行分析，得到图3 所示的曲线，从图3 中可看出，物料的分选密度δp是1.34 g/cm3，与入料密度相比约小0.11 g/cm3，且结果也与传统旋流器不同，采用新型旋流器分选的密度始终小于进料口密度。此外，从图3 中还可看出，可能偏差Ep值是0.04，对细粒煤的分选精度也比较高，明显优于传统结构的旋流器，这就表明，应用该重介质旋流器对细粒煤的分选效果比较好。

图3 细粒煤（粒径小于等于2 mm）分配曲线

因为优化后的旋流器使空气柱弱化，对细粒煤的分离精度好，可使因随机偏心运动的空气柱产生的湍流混合最低化。且轻产物出口的应用设计也降低了传统重介质旋流器中产生的向上、向下涡流相互间的剪切作用引起的湍流混合，湍流混合降低后，物料的分选效果就会更好。

为深入研究不同入料压力对粗煤泥分选效果的影响，本文选取两种不同入料压力为0.035 MPa 和0.05 MPa，且只加入磁铁矿粉，入料密度均为1.5 g/cm3，并采用密度示踪剂得到图4 和图5 所示的分配曲线。在试验中，在位于轻重产物的出口处，加入入料介质示踪剂，对其进行回收利用。

图4 入料压力是0.035 MPa 时，得到的密度分配变化曲线

图5 入料压力是0.05 MPa 时，得到的密度分配变化曲线

从图4 和图5 中均可看出，入料压力的不同不仅对分选密度产生影响，也对可能偏差Ep产生了影响，当入料压力是0.035 MPa 时，分选密度是1.36 g/cm3，Ep值是0.06；当入料压力是0.05 MPa 时，分选密度降低至1.32 g/cm3，Ep值减小为0.017。由此可见，只有当入料压力大于某个值时才能保证矿物颗粒的快速分选。且在进料口压力是0.05 MPa 时，分选密度和入料密度相差高达约0.18 g/cm3，表明该入料压力下，物料能够有效地分离。相比于常规旋流器，结构优化后的旋流器存在显著的优点，表现为：在低密度分选的前提下，不会影响介质的稳定性，这是由于入料介质的密度远大于分选密度，而对常规旋流器，由于其入料介质的密度比分选密度要小，当在分选密度较低的情形下，会引起入料介质稳定性较低的情形。此外，从两个图中还可看出，可能偏差Ep值及分选密度都随着入料压力的增大而减小。

3 结论

针对传统重介质旋流器的分离效率和分离精度比较低的现象。本文设计新型重介质旋流器，采用独特的溢流中心管，不仅降低了物流分选中的流体紊乱，且弱化了中间空气柱，对直径是300 mm 的旋流器进行研究，结论如下：

1）新型重介质旋流器，不仅减少了湍流混合，且提高了分离精度。对粒径小于等于2 mm 的细粒煤分选时，得到的可能偏差Ep值是0.04。

2）入料压力会直接影响分选机的分选效果，且分选密度和可能偏差Ep值均随着入料压力的增大而降低。