分級旋流器分選作用與分選旋流器分級作用的試驗(yàn)研究

董連平,高建川,楊宏麗,樊民強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;2.西山煤電集團(tuán)屯蘭礦選煤廠,山西太原 030206)

分級旋流器分選作用與分選旋流器分級作用的試驗(yàn)研究

董連平1,高建川2,楊宏麗1,樊民強(qiáng)1

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;2.西山煤電集團(tuán)屯蘭礦選煤廠,山西太原 030206)

為考查顆粒粒度與密度對旋流器分級、分選的影響,采用20°錐角的分級旋流器與130°錐角的分選旋流器對＜3 mm粒級的煤泥進(jìn)行了分離試驗(yàn),對其產(chǎn)品進(jìn)行篩分及分粒級浮沉,得到了不同粒度、密度顆粒在旋流器產(chǎn)品中的分配規(guī)律。結(jié)果表明:20°錐角旋流器以分級為主,但對各粒級均存在一定的分選作用,其中對＜0.125 mm粒級分選作用最強(qiáng),這是導(dǎo)致溢流低灰精煤跑粗及底流細(xì)泥夾帶的根源;130°錐角旋流器以分選為主,對較低密度顆粒不存在分級作用,隨密度的增大,分級作用開始顯現(xiàn),對高密度顆粒存在明顯的分級作用,這是導(dǎo)致溢流高灰細(xì)泥污染的根源。

旋流器;分級;分選;分配曲線

分級旋流器是選煤廠煤泥分級濃縮的主要設(shè)備,常用于粗煤泥分級回收和浮選入料粒度控制,但經(jīng)常出現(xiàn)溢流低灰精煤跑粗、底流高灰細(xì)泥夾帶的現(xiàn)象[1-3],這已成為困擾選煤廠高效運(yùn)行的重要問題。水介質(zhì)旋流器采用大于90°錐角,無需添加重介質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)按密度分選,運(yùn)行成本低,但大量高灰細(xì)泥進(jìn)入溢流,不脫泥無法獲得合格精煤[4]。目前廣泛采用的粗煤泥干擾床分選機(jī)(TBS,RC,CSS)也存在與水介質(zhì)旋流器同樣的問題[5-7]。

針對分級旋流器溢流低灰精煤跑粗、底流高灰細(xì)泥夾帶的現(xiàn)象,諸多學(xué)者進(jìn)行了研究。樊茂明等統(tǒng)計了撈坑與水力旋流器分級過程中各粒級底流與入料灰分差,發(fā)現(xiàn)水力分級設(shè)備中顆粒分離存在較強(qiáng)的分選作用,水力旋流器0.1～0.2 mm粒級底流與入料絕對灰分差高達(dá)30%以上[8]。李梅等針對太原選煤廠分級旋流器各粒級底流與溢流灰分差進(jìn)行了分析歸納,確認(rèn)了分級旋流器對0.045～0.250 mm粒級有明顯的按密度分選作用[9]。

新型水介質(zhì)旋流器分選山西興無選煤廠粗煤泥的工業(yè)運(yùn)行結(jié)果顯示,隨粒度的減小,旋流器溢流、底流灰分明顯增加[10]。董連平等研究了70°～120°四種不同錐角旋流器與旋流重選柱對不同粒級細(xì)粒煤的分選效果,發(fā)現(xiàn)在同一設(shè)備中隨粒度的減小,溢流產(chǎn)品灰分與產(chǎn)率明顯提高[11]。這種現(xiàn)象是否意味著分選旋流器具有分級作用需要作進(jìn)一步研究。

上述關(guān)于分級旋流器分選作用的研究沒有采用經(jīng)典的分配曲線評定方法,而僅僅采用了底流、溢流(入料)灰分差,說服力不足。水介旋流器通常只采用分配曲線評定分選效果,很少繪制分級曲線去關(guān)注其分級作用。本文采用20°錐角的分級旋流器與130°錐角的分選旋流器對＜3 mm煤泥進(jìn)行分離試驗(yàn),對其產(chǎn)品進(jìn)行篩分及分粒級浮沉實(shí)驗(yàn),繪制不同粒度級的分配曲線和不同密度級的分級曲線,以期對分級旋流器的分選作用與分選旋流器的分級作用有較為全面的認(rèn)識。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)用旋流器為20°錐角與130°錐角兩種旋流器,兩種旋流器除錐角不同外,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示,一定濃度的礦漿在攪拌桶內(nèi)混合均勻后由渣漿泵以一定壓力切向給入旋流器,不同性質(zhì)的顆粒經(jīng)旋流器分離成底流與溢流產(chǎn)品,待旋流器運(yùn)行工況穩(wěn)定后,同時間段內(nèi)接取旋流器底流與溢流產(chǎn)品進(jìn)行篩分、過濾、烘干、稱重、化驗(yàn),計算各粒級產(chǎn)率與灰分。旋流器入料壓力與礦漿流量可通過變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,壓力與流量由壓力表與電磁流量計在線顯示。旋流器溢流管插入深度可調(diào)。試驗(yàn)過程中礦漿入料壓力保持0.10 MPa不變,入料礦漿質(zhì)量濃度為100 g/L,此條件下20°錐角旋流器礦漿流量約為16.5 m3/h,130°錐角旋流器礦漿流量約為13.5 m3/h。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of the experimental cyclone

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 The systematic diagram of experiments

1.2 物料性質(zhì)

試驗(yàn)物料為山西沙曲選煤廠＜3 mm粒級粗煤泥,灰分為18.43%,其粒度、密度組成見表1。可知, 0.5～1.0 mm粒級為主要粒級,且灰分較低;細(xì)粒級含量低,且灰分較高。粗粒級低密度級物料含量高,高密度級物料較少;細(xì)粒級低密度級物料含量相對較低,但高密度級物料含量較高。各粒級中間密度級物料含量少,可選性較好。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 分級旋流器

20°錐角旋流器在溢流管插入深度Lv分別為125,150,175 mm時的分級曲線如圖3所示。可以看出,隨粒度增大,顆粒在旋流器底流中的分配率增加, 20°錐角旋流器分級作用明顯。但粗粒級(＞0.25 mm)約15%進(jìn)入溢流,旋流器溢流存在跑粗,且溢流管插入深度越深,跑粗越明顯,細(xì)粒級(＜0.074 mm)約50%進(jìn)入底流,旋流器底流細(xì)粒夾帶嚴(yán)重。

表1 入料粒度、密度組成Table 1 Size and density distribution of feed

圖3 20°錐角旋流器分級分配曲線Fig.3 The size-partition curves of hydrocyclone with 20°cone

20°錐角旋流器各粒級溢流、底流產(chǎn)品灰分與底、溢流灰分差如圖4所示?？梢钥闯?在不同溢流管插入深度下,各粒級底流灰分均高于溢流,初步說明20°錐角旋流器對各粒級均有一定的分選作用。除＞1.0 mm粒級外,隨粒度的減小,底流灰分、溢流灰分及底流、溢流灰分差均增大,特別是當(dāng)粒度＜0.125 mm時,底流、溢流灰分差大幅增加,說明20°錐角旋流器對細(xì)粒的分選作用更加明顯。溢流中＞0.25 mm各粒級灰分小于7%,底流中＜0.125 mm粒級底流灰分大于40%,說明溢流中的顆粒跑粗為低密度物料,而底流中的細(xì)粒夾帶為高密度物料。

圖4 20°錐角旋流器各粒級產(chǎn)品灰分與灰分差Fig.4 Product ash and D-value of hydrocyclone with 20°cone

對溢流管插入深度150 mm時20°錐角旋流器各個粒級溢流、底流產(chǎn)品進(jìn)行浮沉實(shí)驗(yàn),溢流產(chǎn)品與底流產(chǎn)品的粒度、密度組成見表2,3。由表2可以看出,分級旋流器溢流＞0.25 mm粒級中＜1.4 g/cm3密度級物料占90%左右,而＞1.8 g/cm3密度級物料不足0.2%,說明溢流跑粗的顆粒絕大部分是低密度顆粒。由表3可以看出,分級旋流器底流＜0.074 mm粒級中＞1.8 g/cm3密度級物料占65%左右,而＜1.4 g/ cm3密度級物料不足10%,說明底流夾帶的細(xì)粒中含有大量的高密度物料。

根據(jù)同時間段接樣產(chǎn)率計算不同粒級各密度級物料在底流中的分選分配率與不同密度級各粒級物料在底流中的分級分配率,繪制20°錐角旋流器各粒級的分配曲線與各密度級的分級曲線如圖5所示。

由圖5(a)可以看出,20°錐角旋流器對各粒級都存在一定的分選作用,隨粒度的減小,分選作用更加明顯,特別是對＜0.125 mm粒級的分選分配曲線基本完整,表現(xiàn)出很強(qiáng)的分選作用與較高的分選精度。從圖5(b)可以看出,隨顆粒密度增加,分級粒度變細(xì),相同粒級在底流中的分配率增加。＞0.25 mm粗顆粒中＜1.3 g/cm3密度級有20% ～30%進(jìn)入到溢流,1.3～1.4 g/cm3密度級有10% ～20%進(jìn)入到溢流,而高密度粗粒只有少量進(jìn)入溢流,說明低密度顆粒是導(dǎo)致旋流器跑粗的主要因素。＜0.125 mm細(xì)顆粒中＞2.0 g/cm3密度級有90%以上進(jìn)入到底流, 1.8～2.0 g/cm3與1.7～1.8 g/cm3密度級有70% ～ 95%進(jìn)入到底流,而＜1.4 g/cm3密度級進(jìn)入到底流的量不足20%,說明旋流器底流中細(xì)粒夾帶有大量高密度物料。正是由于20°錐角旋流器對較粗粒級具有一定的分選作用,導(dǎo)致小部分低密度顆粒溢流跑粗,溢流粗粒級灰分很低,粗粒級底流、溢流灰分有10%～15%的差別;對細(xì)粒級存在較強(qiáng)的分選作用,

且分選精度與分選密度較高,導(dǎo)致大部分高密度細(xì)粒級底流夾帶,底流細(xì)粒級灰分很高,底流、溢流灰分差在30%以上。因此,分級旋流器對各粒級的分選作用是導(dǎo)致溢流低灰精煤跑粗及底流細(xì)泥夾帶的根源。

表2 20°錐角旋流器溢流產(chǎn)品粒度、密度組成Table 2 Overflow product size and density distribution of hydrocyclone with 20°cone

表3 20°錐角旋流器底流產(chǎn)品粒度、密度組成Table 3 Underflow product size and density distribution of hydrocyclone with 20°cone

圖5 20°錐角旋流器各粒度級分配曲線與各密度級分級曲線Fig.5 The density-partition curves and size-partition curves of hydrocyclone with 20°cone

2.2 分選旋流器

130°錐角旋流器在溢流管插入深度分別為125, 150,175 mm時的分級曲線如圖6所示。由圖6可知,隨粒度的增大,顆粒在底流中的分配率先增加后降低,且各粒級分配率均在25%以下,從分級曲線上看不出130°錐角旋流器存在明顯的分級作用。隨溢流管插入深度增加,各粒級在底流中的分配率減小。

130°錐角旋流器溢流、底流產(chǎn)品各粒級灰分與底流、溢流灰分差如圖7所示。在不同溢流管插入深度下,＞0.125 mm底溢流灰分差在35%以上,說明130°錐角旋流器對粗粒級有較好的分選作用,當(dāng)粒度＜0.125 mm時,溢流灰分急劇增大,底流灰分增加不明顯,底流、溢流灰分差明顯減小,分選作用減弱。＜0.125 mm溢流灰分大于30%,說明含有部分高密度細(xì)粒。

圖6 130°錐角旋流器分級分配曲線Fig.6 The size-partition curves of water-only cyclone with 130°cone

圖7 130°錐角旋流器各粒級產(chǎn)品灰分與灰分差Fig.7 Product ash and D-value of water-only cyclone with 130°cone

對溢流管插入深度150 mm時的130°錐角旋流器各粒級溢流、底流產(chǎn)品進(jìn)行浮沉實(shí)驗(yàn),溢流產(chǎn)品與底流產(chǎn)品的粒度、密度組成見表4,5。

由表4可以看出,分選旋流器溢流中0.074～0.125 mm與＜0.074 mm粒級灰分高達(dá)30%以上,其主要原因在于＞2.0 g/cm3密度級物料含量分別為12.34%,29.96%,僅比入料中＞2.0 g/cm3密度級物料含量略有降低,因此導(dǎo)致溢流細(xì)粒級灰分過高。

根據(jù)同時間段接樣產(chǎn)率,計算不同粒級各密度級別物料在底流中的分選分配率與不同密度級各粒度級別物料在底流中的分級分配率,繪制130°錐角旋流器各粒級的分配曲線與各密度級的分級曲線,如圖8所示。可以看出,130°錐角旋流器對粗顆粒有很好的分選作用,但隨粒度的減小,分選密度增加,分選效果變差。從圖8(b)可以看出,對于＜1.5 g/cm3密度級不存在分級作用,隨顆粒密度的增加,分級作用逐漸突顯,＞2.0 g/cm3與1.8～2.0 g/cm3密度級呈現(xiàn)較完整的分級曲線。＞2.0 g/cm3密度級中0.074～0.125 mm細(xì)顆粒有近65%進(jìn)入到溢流,＜0.074 mm有近85%進(jìn)入到溢流,1.8～2.0 g/cm3密度級中＜0.25 mm細(xì)顆粒85%以上進(jìn)入到溢流,正是由于130°錐角旋流器對高密度顆粒較強(qiáng)的分級作用與較高的分級精度,大部分高密度細(xì)粒進(jìn)入溢流,溢流細(xì)粒級灰分高達(dá)30% ～40%,底流、溢流灰分差減小。因此分選旋流器對高密度級的較強(qiáng)分級作用是導(dǎo)致高灰細(xì)粒污染分選旋流器溢流精煤的根源。

3 原因分析

離心力場中顆粒在徑向上受到的作用力主要有離心力、向心浮力與介質(zhì)阻力等,其在半徑r處的沉降速度v[12]為

m

其中,ρm,ρ為固體顆粒密度和流體密度,kg/m3;μ為液體動力黏度,Pa·s;d為固體顆粒直徑,m;vt,vr為流體切向速度和徑向速度,m/s。由式(1)可以看出,顆粒在徑向的沉降速度與半徑及流體切向速度和徑向速度有關(guān),同時與顆粒的粒度與密度有關(guān)。

表4 130°錐角旋流器溢流產(chǎn)品粒度、密度組成Table 4 Overflow product size and density distribution of water-only with 130°cone

表5 130°錐角旋流器底流產(chǎn)品粒度、密度組成Table 5 Underflow product size and density distribution of water-only cyclone with 130°cone

圖8 130°錐角旋流器各粒度級分配曲線與各密度級分級曲線Fig.8 The density-partition curve and size-partition curve of water-only cyclone with 130°cone

在同一半徑處,當(dāng)顆粒粒度相差不大時,顆粒密度決定著沉降速度的大小與方向,致使旋流器中顆粒分離表現(xiàn)為按密度分選。顆粒粒度較大但密度較小時,顆粒的沉降速度可能為負(fù)值,即顆粒向旋流器中心運(yùn)動,進(jìn)入到旋流器內(nèi)旋流并由溢流管排出,造成旋流器低密度顆粒溢流跑粗;顆粒粒度較小但密度較大時,顆粒的沉降速度可能為正值,即顆粒向旋流器器壁運(yùn)動,進(jìn)入到旋流器外旋流并由底流口排出,造成旋流器高密度細(xì)粒底流夾帶。

對于大錐角旋流器,攜帶有中、高密度顆粒的外旋流運(yùn)動到大錐角錐體時受到阻礙,形成緊密的懸浮轉(zhuǎn)動床層,起到重介質(zhì)作用。低密度顆粒不能穿過此床層,從而經(jīng)溢流管排出,高密度粗顆粒則由底流口排出,因而大錐角水介質(zhì)旋流器中顆粒的分離主要表現(xiàn)為按密度分選[13-14]。因?yàn)榈兔芏阮w粒在一定范圍內(nèi)無論粒度大小均不能穿透由中、高密度顆粒形成的旋轉(zhuǎn)床層,所以低密度顆粒在水介質(zhì)旋流器中不存在分級作用;對于形成旋轉(zhuǎn)床層的中、高密度顆粒,其沉降速度同樣與粒度、密度有關(guān),粒度小的顆粒沉降速度較小,位于旋轉(zhuǎn)床層上部,大部分由內(nèi)旋流攜帶經(jīng)溢流管排出,粒度大的顆粒沉降速度大,進(jìn)入外旋流由底流口排出,從而對于較高密度顆粒的分離,水介質(zhì)旋流器表現(xiàn)出較強(qiáng)的分級作用,導(dǎo)致細(xì)粒級按密度分選效果較差。

4 結(jié)論與建議

(1)20°錐角旋流器主要以粒度分級為主,但少部分低密度粗顆粒進(jìn)入溢流,大部分高密度細(xì)顆粒進(jìn)入底流,從而降低旋流器分級精度。20°錐角旋流器對各粒級均存在分選作用,對＜0.125 mm粒級分選作用最強(qiáng),旋流器分選作用是導(dǎo)致溢流低密度跑粗、底流高密度細(xì)粒夾帶的根源。

(2)130°錐角旋流器主要以密度分選為主,但溢流中含有大量高密度細(xì)顆粒,從而污染旋流器溢流精煤質(zhì)量。130°錐角旋流器對較低密度顆粒不存在分級作用,隨密度的增大,分級作用開始顯現(xiàn),對高密度顆粒存在明顯的分級作用,分選旋流器高密度顆粒的分級作用是導(dǎo)致溢流高灰細(xì)泥污染的根源。

(3)分級旋流器的分選作用導(dǎo)致溢流低密度顆粒跑粗與底流高密度細(xì)粒夾帶,在其應(yīng)用中會給后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)帶來諸多問題,例如選煤廠浮選尾煤粗粒精煤損失嚴(yán)重、粗煤泥回收灰分超標(biāo)等,如何削弱分級旋流器的分選作用值得重視并進(jìn)行深入研究。粒度因素影響分選旋流器的分選效果,特別是分選旋流器對高密度細(xì)顆粒的明顯分級作用致使溢流高灰細(xì)泥污染精煤質(zhì)量,溢流產(chǎn)品不配備高效脫泥環(huán)節(jié)無法達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量合格,如何削弱分選旋流器的分級作用、進(jìn)一步降低有效分選粒度下限有待進(jìn)一步研究。

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Experimental study on the separation effect based on density in hydrocyclone and the classification effect based on size in water-only cyclone

DONG Lian-ping1,GAO Jian-chuan2,YANG Hong-li1,FAN Min-qiang1

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Tunlan Coal Washery,Shanxi Coal Electricity Group Co., Ltd.,Taiyuan 030206,China)

In order to study the effect of particle size and density on the classification and separation of cyclones,separation experiments of＜3 mm coal slimes were carried out on a hydrocyclone with 20°cone and a water-only cyclone with 130°cone.Screen and sink-and-float analysis of each size fraction were conducted and the distribution law of particles with different size and density was obtained.The results show that classification predominates in hydrocyclone with 20°cone,while density-based separation effect does exist in each size fraction,and the density-based separation effect is especially significant for＜0.125 mm fraction,which is the origin of low ash coarse coal loss into the vortex finder and fine coal slime entrainment in the underflow.Density-based separation predominates in water-only cyclone with 130°cone while significant classification does occur for particles of higher density,which is the origin of high ash contaminate in the vortex finder.This size-based classification does not occur for low density particles,but becomes apparent for higher density.

cyclone;classification;separation;partition curve

TD922

A

0253-9993(2014)05-0954-07

董連平,高建川,楊宏麗,等.分級旋流器分選作用與分選旋流器分級作用試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(5):954-960.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1827

Dong Lianping,Gao Jianchuan,Yang Hongli,et al.Experimental study on the separation effect based on density in hydrocyclone and the classification effect based on size in water-only cyclone[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):954-960.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1827

2013-12-13 責(zé)任編輯:張曉寧

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974094);國家高科技發(fā)展計劃(863)資助項(xiàng)目(2007AA05Z317)

董連平(1976—),男,河北石家莊人,講師,博士研究生。E-mail:dlp082@163.com。通訊作者:樊民強(qiáng)(1964—),男,山西永濟(jì)人,教授,博士。Tel:0351-6014776,E-mail:fanminqiang@sohu.com