旋流器离心浓缩工艺参数的优化

徐 达

（华阳新景矿洗煤厂， 山西 阳泉 045000）

0 引言

煤炭在我国国民经济的发展中占据主导地位，继而极大促进了煤矿的开采。在煤矿开采期间会产生大量的固体废物，包括煤矸石、尾矿以及粉煤灰等。对于尾矿而言，其处理不当会对其存储区域造成污染，也对下水造成污染，破坏了生态平衡。将尾矿浓缩处理后作为胶结体充填煤矿井下的采空区，不仅解决了尾矿环境污染的问题，而且解决了综采工作面采空区塌陷的问题。对于尾矿的资源化利用的关键是采用适当的设备并配套合理的浓缩工艺对其进行浓缩处理[1]。本文将采用旋流器对尾矿进行浓缩处理，并通过试验方式对其浓缩工艺参数进行优化。

1 水力旋流器概述

水力旋流器的一般结构如图1 所示。

图1 水力旋流器基本结构

如图1 所示，水力旋流器主要包括有溢流口、入流孔、旋流腔、锥段以及沉砂口等。待处理的物料进入水力旋流器中后，物料在其中做螺旋运动并产生强烈的涡流。在上述作用下，物料分别通过溢流口和底流口排出，分为溢流口悬浮液和底流口悬浮液[2]。基于水力旋流器对尾矿进行浓缩的工艺流程如图2 所示。尾矿在旋流器浓缩的作用下形成低浓度且可被回收利用的溢流和浓度较高的底流。其中，溢流在进一步重力浓缩的作用下对其中的水进行回收，形成的底流液与第一步中形成的高浓度底流合并形成高浓度浓缩的全尾矿。

图2 水力旋流器分选尾矿工艺流程

从原理上讲，影响水力旋流器最终浓缩或分选效果的参数包括有操作参数、结构参数和物性参数等。本文重点对水力旋流器锥角、进料浓度、底流口直径、溢流口直径等参数对浓缩效果的影响展开研究。

2 试验方法的设计

本次试验所选的尾矿的密度为2.78 g/cm3。经过对尾矿进行测试可知：该尾矿的颗粒直径普遍处于0.450～0.074 mm 之间，即该尾矿属于较粗的尾矿。基于水力旋流器对上述尾矿进行浓缩所设计的试验装置如图3 所示。

图3 水力旋流器浓缩尾矿试验装置组成

为能够准确掌握不同工艺参数对应的浓缩效果，设定如下试验步骤：

1）将尾矿与水按照一定的比例配制成待浓缩的物料，并在搅拌桶内对其进行充分搅拌。

2）将图3 中的放料阀打开，而后开水力旋流器的进料泵，在泵的作用下将物料送入水力旋流器中；在送料过程中，通过对回流阀开口大小的调节实现对入料压力和流量的控制。

3）旋流器对送入其中的物料进行处理，10 min 以后从回流管和溢流管中对样品进行接收，并对相关物料的特性进行测试。

最终通过对底流口收集底流的浓度、固相产率两项指标进行测量，从而实现对不同工艺参数下的浓缩效果。

3 旋流器浓缩工艺参数的优化

对于旋流器而言，影响最终浓缩效果的参数可分为结构参数和工艺参数。其中，结构参数中的直径以及锥角根据旋流器的规格已经确定；在工艺参数中物料的粒度和密度等也已确定。因此，本文主要对可调变量进行研究，包括入料压力、进料浓度、溢流口直径和底流口直径等。本文采用单因素变量法分别对上述四个参数的变化对浓缩效果的影响展开研究[3]。

3.1 入料压力对旋流器浓缩效果的影响

在溢流口直径为40 mm、底流口直径为16 mm，锥角为8°、进料口直径为25 mm、进料质量分数为10.21%时，分别对不同入料压力为0.08 MPa、0.12 MPa、0.15 MPa 和0.20 MPa 下旋流器的底流浓度、溢流浓度、处理量、底流产率和溢流产率等指标进行统计，并形成如表1 所示的试验结果。

表1 不同入料压力下旋流器浓缩效果对比

如表1 所示，随着入料压力的增加对应旋流器的底流浓度、底流产率和处理量均在增加；而对应的溢流浓度和溢流产率均在减小。说明，随着入料压力的增加，对应旋流器的浓缩效果提升。但是，考虑到入料压力越大对旋流器设备本身的磨损越发严重，从而影响设备的使用寿命；同时，入料压力增大至0.15 MPa后，底流产率和处理量的增加不明显[4]。

因此，综合考虑将入料压力设定为0.15 MPa 比较适宜。

3.2 溢流口直径对旋流器浓缩效果的影响

设定旋流器内径为125 mm、锥角为8°、进料口直径为25 mm、底流口直径为14 mm、入料压力为0.15 MPa、进料浓度为20.11%时，分别对溢流口直径为25 mm、30 mm、35 mm 和49 mm 下对应的旋流器的底流浓度、溢流浓度、处理量、底流产率和溢流产率等指标进行统计，并形成如表2 所示的试验结果。

表2 不同溢流口直径下旋流器浓缩效果对比

如表2 所示，随着溢流口直径的增加，底流浓度逐渐增加，而底流产率反而降低；对应的旋流器的处理量增加；对应的溢流浓度虽然呈现逐渐增加的趋势，但变化不明显；溢流产率逐渐增加。因此，综合考虑表2 中五项指标的因素，最终确定将溢流口直径确定在30～35 mm 之间比较适宜[5]。

在上述思路下，分别对不同进料浓度和底流口直径下旋流器的浓缩效果进行对比。得出，为保证最佳的旋流器浓缩效果应将进料质量分数控制在20.11%，底流口直径控制在14～16 mm 之间为最佳。

4 结语

水力旋流器可对煤矿生产的尾矿进行处理，对尾矿进行充分浓缩后，不仅可以解决尾矿堆积对周围所在区域环境污染以及破坏生态平衡的问题；而且经浓缩后的胶结体还对煤矿工作面采空区进行有效支护。本文重点针对影响旋流器浓缩效果的参数进行优化，以保证在实际生产中旋流器浓缩系统的浓缩指标相对稳定。在充分试验的基础上得出旋流器浓缩效果最佳的工艺参数如下：入料压力为0.15 MPa，进料质量分数为20.11%，溢流口直径控制在30～45 mm 之间，底流口直径控制在14～16 mm 之间为最佳。