三錐水介旋流器的高硫煤脫硫降灰及其分選原理

崔廣文，孫銘陽(yáng)，史俊凱，劉曉明，郭 旺

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島266590)

CUI Guangwen，SUN Mingyang，SHI Junkai，LIU Xiaoming，GUO Wang( College of Chemical&Environmental Engineering，Shandong University of Science&Technology，Qingdao 266590，China)

三錐水介旋流器的高硫煤脫硫降灰及其分選原理

崔廣文，孫銘陽(yáng)，史俊凱，劉曉明，郭 旺

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島266590)

為實(shí)現(xiàn)高硫煤的脫硫降灰，采用三錐水介旋流器，取華恒高硫煤小于3 mm粒級(jí)的煤樣進(jìn)行脫硫?qū)嶒?yàn)，探討三錐旋流器脫硫降灰的粒度下限，分析顆粒在三錐水介旋流器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特性，得到了顆粒徑向速度與顆粒密度和粒度、所處的徑向位置、顆粒的切向角速度以及顆粒軸向位置等變量的函數(shù)關(guān)系式。結(jié)果表明:三錐水介旋流器的降灰粒度下限為0. 125 mm，脫除黃鐵礦硫粒度下限為0. 074 mm。該旋流器中產(chǎn)生的自生介質(zhì)和前兩段錐體連接處的淘析作用可以使三錐水介旋流器實(shí)現(xiàn)高效分選。

三錐水介旋流器;脫硫降灰;分選原理;顆粒運(yùn)動(dòng)特性;旋轉(zhuǎn)流

收稿日期: 2013-11-18
基金項(xiàng)目:山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目( BS2013NJ019) ;山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目( YCB120165)
第一作者簡(jiǎn)介:崔廣文( 1963-)，男，黑龍江省七臺(tái)河人，副教授，博士，研究方向:浮選藥劑及粗煤泥分選，E-mail: cuiguangw@ sina．com。

目前，隨著煤炭資源的不斷消耗，越來(lái)越多的高硫煤被開(kāi)采利用。高硫煤資源的合理綜合治理成為亟待解決的一個(gè)經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境難題[1-2]。

三錐水介旋流器是一種新型的粗煤泥分選設(shè)備，在重力和離心力的復(fù)合物理力場(chǎng)中，借助高強(qiáng)度螺旋流對(duì)入料按密度進(jìn)行分選[3]。該設(shè)備已在山西方山選煤廠(chǎng)和濟(jì)三煤礦選煤廠(chǎng)得到應(yīng)，取得良好的分選效果。筆者利用三錐水介旋流器進(jìn)行高硫煤脫硫降灰實(shí)驗(yàn)研究，探討三錐水介旋流器的分選原理和旋轉(zhuǎn)硫分選特點(diǎn)。

1三錐水介旋流器的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段主流的粗煤泥分選設(shè)備所存在的問(wèn)題主要包括產(chǎn)品后續(xù)處理復(fù)雜，如煤泥重介旋流器，其分選精度不高、精煤產(chǎn)品灰分偏高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高且不易維修等[4-7]。三錐水介旋流器是一種水介分選設(shè)備，分選時(shí)不需要添加其他重介質(zhì)。水介旋流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，錐體分為三段，由第一段到第三段錐角逐漸減小;溢流管直徑與旋流器筒體直徑之比偏大，溢流管下端與底流口的距離較小。

圖1 三錐水介旋流器結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of three cone hydrocyclone

影響三錐水介旋流器分選效果的因素有入料壓力、入料質(zhì)量濃度以及小于0. 075 mm的入料顆粒的含量、溢流管插入深度和各圓錐段的長(zhǎng)度、錐角大小等。

2細(xì)粒高硫煤的脫硫?qū)嶒?yàn)

2. 1 實(shí)驗(yàn)煤樣

煤樣取自汶南華恒高硫煤，顆粒小于3 mm的粒級(jí)，煤樣的浮沉和篩分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

表1實(shí)驗(yàn)煤樣浮沉數(shù)據(jù)Table 1 Float and sink analysis of coal sample

表2實(shí)驗(yàn)煤樣篩分?jǐn)?shù)據(jù)Table 2 Screen analysis of high sulfur coal sample

2. 2 脫硫降灰效果評(píng)價(jià)

文中用到的脫硫降灰效果評(píng)定指標(biāo)包括黃鐵礦硫脫硫完善度η和脫除率Spr以及灰分脫除率Ar。表達(dá)式為

式中:γp——精煤產(chǎn)率;

Spf——入料中黃鐵礦硫分;

Spp——精煤中黃鐵礦硫分;

Af——入料灰分;

Ap——精煤灰分。

2. 3 脫硫?qū)嶒?yàn)流程及效果

三錐水介旋流器脫硫?qū)嶒?yàn)流程如圖2所示。

圖2 三錐水介旋流器脫硫?qū)嶒?yàn)流程Fig．2 Flowsheet of three cone hydrocyclone desulfurization test

三錐水介旋流器脫硫?qū)嶒?yàn)的操作參數(shù)是:入料壓強(qiáng)0. 05 MPa，入料質(zhì)量濃度150 g/L，溢流管插入深度60 mm。由脫硫?qū)嶒?yàn)得到溢流和底流中各粒級(jí)的灰分、全硫和黃鐵礦硫見(jiàn)表3和表4。

表3溢流篩分分析Table 3 Screening analysis of overflow

表4底流篩分分析Table 4 Screening analysis of underflow

由表2～4做出入料、溢流和底流中灰分、全硫以及黃鐵礦硫隨粒度的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 三錐水介旋流器脫硫降灰效果隨粒度變化曲線(xiàn)Fig．3 Effect of deashing and desulfurization of three cone hydrocyclone along with particle size change of feed，overflow and underflow

由表2～4得出溢流中3～0. 125 mm粒級(jí)的平均灰分為6%，3～0. 125 mm粒級(jí)的產(chǎn)率占入料中3～0. 125 mm粒級(jí)的79. 02%，同時(shí)3～0. 125 mm粒級(jí)的灰分脫除率高達(dá)71. 76%，可見(jiàn)三錐水介旋流器對(duì)大于0. 125 mm粒級(jí)的降灰效果非常明顯。由圖3可以看出，在粒度大于0. 125 mm時(shí)，入料和溢流中各粒級(jí)的灰分相差明顯，在0. 125 mm之后，隨著粒度的減小這種差距也迅速降低，因此，可以確定三錐水介旋流器的降灰下限為0. 125 mm;同理，由表2～4以及圖3c可以得出，三錐水介旋流器的有效脫硫深度可達(dá)0. 074 mm，此時(shí)溢流中大于0. 074 mm粒級(jí)的平均黃鐵礦硫分為0. 23%，3～0. 074 mm粒級(jí)的黃鐵礦脫除率為77. 09%，黃鐵礦脫硫完善度達(dá)80%，脫硫效果顯著。

由圖3可以看出，溢流和入料中小于0. 074 mm粒級(jí)的灰分和硫分很相近，這說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題:其一，三錐水介旋流器對(duì)入料中小于0. 074 mm的粒級(jí)具有顯著的分級(jí)作用，該粒級(jí)進(jìn)入旋流器后絕大部分由溢流排出，導(dǎo)致溢流中該粒級(jí)的灰分和硫分與入料中的很接近;其二，小于0. 074 mm粒級(jí)中的矸石和黃鐵礦等顆粒在三錐水介旋流器中基本未被分選，而主要承擔(dān)了自生煤泥介質(zhì)的角色，使得較大粒級(jí)得到較好的分選。

3三錐水介旋流器的分選原理

3. 1 顆粒的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

顆粒由入料口進(jìn)入旋流器內(nèi)部后，存在切向、軸向和徑向三個(gè)方向的速度，如圖4a所示，其中徑向速度對(duì)顆粒在旋流器內(nèi)部的分離過(guò)程至關(guān)重要。顆粒隨水介質(zhì)進(jìn)入旋流器之后，顆粒與水介質(zhì)便出現(xiàn)了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)顆粒受力達(dá)到平衡時(shí)，顆粒徑向速度vr等于介質(zhì)徑向速度ur與顆粒在徑向上的沉降末速ω0矢量和[8-9]，即

圖4 顆粒在三錐水介旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及其徑向受力分析Fig．4 Particles movement and their force analysis in radial direction

在徑向上，顆粒除受到離心力FC以及由離心力產(chǎn)生的指向中心的向心浮力FB以外，還受到流體介質(zhì)向心的曳(阻)力FD。顆粒在徑向上受力情況如圖4b和c所示。圖4b是向軸心運(yùn)動(dòng)的顆粒在徑向上的受力，圖4c是向器壁運(yùn)動(dòng)的顆粒在徑向上得受力。

當(dāng)顆粒在徑向上達(dá)到受力平衡時(shí)，有

由式( 5)得到顆粒在徑向方向上速度達(dá)到沉降末速時(shí)v =ω0。

對(duì)于球形顆粒

代入式( 6)得

旋流器內(nèi)某點(diǎn)處介質(zhì)的徑向速度隨半徑的增大而減小，其經(jīng)驗(yàn)公式可表示為

式中，m和K是與旋流器的工況及內(nèi)部軸向位置有關(guān)的數(shù)據(jù)。

設(shè)向軸心的方向?yàn)檎?，將? 6)、( 8)代入式( 4)得

由式( 9)可以看出，顆粒的徑向速度與顆粒密度、粒度，所處的徑向位置，顆粒的切向角速度以及顆粒軸向位置等因素相關(guān)。粒度和密度越小的顆粒，其沉降末速越小，當(dāng)其向軸心方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其回轉(zhuǎn)半徑的減小，導(dǎo)致它指向軸心的速度不斷增大，最后由溢流排出。對(duì)于密度和粒度較大的顆粒其沉降末速較大，更易于沿遠(yuǎn)離軸心的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入外螺旋流中，最后由底流排出。如果某個(gè)顆粒的徑向速度為零，意味著該顆粒進(jìn)入底流或溢流由其與軸向零速度絡(luò)合面的相對(duì)位置決定。由式( 9)還可以看出，當(dāng)顆粒徑向速度為零時(shí)，密度和粒度較大的顆粒，也有可能位于旋轉(zhuǎn)半徑較小的位置上，而密度和粒度較小的顆粒有可能會(huì)在旋轉(zhuǎn)半徑較大的位置上。要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顆粒的有效分選，就需要打破這種不利的分布，使“錯(cuò)誤位置”上的顆粒得到二次分選，三錐水介旋流器正是借助于其特殊的錐角結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。

3. 2 旋轉(zhuǎn)流分選特點(diǎn)

三錐水介旋流器的內(nèi)部流態(tài)為強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流，可分為向上的內(nèi)螺旋流和向下的外螺旋流[10-11]。外螺旋流由上到下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其內(nèi)層可以在溢流管底端到底流口之間的任意軸向位置上轉(zhuǎn)化為內(nèi)螺旋流。由于三錐水介旋流器中溢流管下端和底流口的距離較小，因此，三錐水介旋流器內(nèi)外螺旋流的內(nèi)層轉(zhuǎn)化為內(nèi)螺旋流主要是在筒體和第一段錐體連接的附近位置，即主分選區(qū)。

在離心力的作用下，外螺旋流攜帶的粗大沉重的顆粒被甩到外螺旋流的外層，輕小的顆粒則分布在外螺旋流的內(nèi)層，在外螺旋流到達(dá)第一段錐體時(shí)，由于第一段錐角較大，外層的粗大沉重的顆粒向下的軸向速度急劇減小，導(dǎo)致外層粗大沉重的顆粒在第一段圓錐部分聚集而產(chǎn)生較致密的底層[12]，外層輕小顆粒不能進(jìn)入到內(nèi)層，一部分進(jìn)入到內(nèi)螺旋流最后由溢流排出，剩下的內(nèi)層小顆粒隨較致密的底層進(jìn)入到第二錐。第二錐的錐角和半徑減小，外螺旋流切向速度增大，底層進(jìn)入到第二錐下落的同時(shí)受到強(qiáng)烈的切向速度的沖擊而床層松散，這時(shí)產(chǎn)生析離作用，底層中大粒低密度的顆粒會(huì)透過(guò)松散的床層進(jìn)入到內(nèi)螺旋流，而細(xì)粒高密度的顆粒如黃鐵礦顆粒、矸石顆粒等則會(huì)通過(guò)床層進(jìn)入到外螺旋流的底層。進(jìn)入第三段錐體后，由于其錐角很小，外螺旋流中的顆粒被進(jìn)一步分級(jí)，較輕的細(xì)顆粒隨上升的水流由溢流排出。

4結(jié)論

( 1)三錐水介旋流器降灰粒度下限可達(dá)0.125 mm，溢流中3～0. 125 mm粒級(jí)的平均灰分為6%，灰分脫除率可達(dá)71. 76%，產(chǎn)率占入料中3～0. 125 mm粒級(jí)的79. 02%。其對(duì)黃鐵礦顆粒的分選深度可達(dá)0. 074 mm，此時(shí)溢流中大于0. 074 mm粒級(jí)的平均黃鐵礦硫分0. 23%，3～0. 074 mm粒級(jí)的黃鐵礦硫脫除率為77. 09%，黃鐵礦硫脫硫完善度達(dá)80%。

( 2)三錐水介旋流器對(duì)小于0. 074 mm粒級(jí)具有顯著的分級(jí)作用。該粒級(jí)絕大部分由溢流排出，其作為三錐水介旋流器內(nèi)部的自生介質(zhì)提高了較大粒級(jí)的分選效果。

( 3)顆粒在三錐水介旋流器中運(yùn)動(dòng)的徑向速度與顆粒的密度和粒度、顆粒所處的徑向位置、顆粒的切向角速度以及顆粒軸向位置等因素有關(guān)。

( 4)三錐水介旋流器可以對(duì)不同顆粒實(shí)現(xiàn)分選。其一，借助入料中小于0. 074 mm粒級(jí)形成的自生介質(zhì)，在主分選區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)按密度分選;其二，外螺旋流中分布錯(cuò)誤的顆粒在第一段和第二段錐體的連接處由于淘析作用實(shí)現(xiàn)按密度的二次分選，加強(qiáng)了三錐水介旋流器對(duì)大粒低密度顆粒和細(xì)粒高密度顆粒的分選精度。

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(編輯 徐巖)

Research on separation principles of desulfurization for high sulfur coal in three cone hydrocyclone

Aimed at realizing deashing and desulfurization of high sulfur coal，this paper is concerned with the description of the structure of three cone hydrocyclone，the exploration of the depth of deashing and desulfurization of three cone hydrocyclone，the investigation into the deashing and desulfurization of 0～3 mm size fractions of Huaheng high sulfur coal，and the analysis of the moving characteristic of particles in the three cone hydrocyclone．These steps are combined to produce the function expression involving particle radial velocity，particle size and density，particle radial and axial location，and particle tangential angular velocity．The results suggest that three cone hydrocyclone allows the deashing and desulfurization depth of 0．125 mm and 0．074 mm respectively．The formation of autogenous medium and the elutriation effect between the first two cones gives three cone hydrocyclone the ability to achieve an efficient separation．

three cone separation hydrocyclone; desulfurization and deashing; separation principle; moving characteristic of particles;rotating flow

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 012

TD94

2095-7262( 2014) 01-0053-05

A

CUI Guangwen，SUN Mingyang，SHI Junkai，LIU Xiaoming，GUO Wang
( College of Chemical&Environmental Engineering，Shandong University of Science&Technology，Qingdao 266590，China)