新型雙溢流水力旋流器分級試驗(yàn)研究

杜振寶

（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

水力分級旋流器又稱旋液分離器［1］，是一種分離非均勻相混合物的分級設(shè)備，可以用來完成液體澄清、固相顆粒洗滌、液體除氣與除砂、固相顆粒分級與分類以及兩種非互溶液體的分離等多種作業(yè)。隨著煤炭開采深度的加深和采煤方法的改變，原煤中煤泥含量增加，從而對煤泥處理工藝的要求變高導(dǎo)致選煤廠選煤工藝發(fā)生了變化，由原來的普遍主選+浮選工藝變?yōu)橹鬟x+粗煤泥分選+浮選工藝。粗煤泥分選和浮選的入料都是漿液物料，只不過在粒度上有所區(qū)別，因而需要合適的漿液物料分級設(shè)備，水力分級旋流器便是首選的設(shè)備。

1 水力分級旋流器研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)分級水力旋流器 (圖1)由圓柱筒和圓錐筒連接而成，包括溢流管、底流管、進(jìn)料管等主要部件［2］。

近年來，國內(nèi)外眾多科研工作者和工程技術(shù)人員對水力分級旋流器經(jīng)行了改進(jìn)研究。國外有代表性的研究是在底流部位增加了反沖水結(jié)構(gòu)，這種反沖水旋流器 (圖2)目前多用于金屬礦選礦廠;國內(nèi)有代表性的研究是在圓柱段加了篩網(wǎng)的篩網(wǎng)型旋流器 (圖3)［3－4］，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，篩網(wǎng)易破損和阻塞，造成分級效果變差［5］。

圖1 傳統(tǒng)水力分級旋流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of traditional hydrocyclone

圖2 反沖水旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of back washing cyclone

圖3 篩網(wǎng)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of cyclone with screen mesh

然而，在專家學(xué)者的研究過程中和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，均發(fā)現(xiàn)在水力分級旋流器中有短路流的存在。研究發(fā)現(xiàn)，短路流的量大約占入料的5%～10%左右。根據(jù)入料粒度組成的不同，尤其是當(dāng)入料中粗顆粒物料所占的比例較大時(shí)，對溢流產(chǎn)品的污染更加嚴(yán)重，使溢流產(chǎn)品的質(zhì)量降低;同時(shí)底流產(chǎn)品中又有大量的細(xì)粒物料混進(jìn)，最終使得溢流產(chǎn)品和底流產(chǎn)品均不能達(dá)到合理的分離效果。

針對傳統(tǒng)水力分級旋流器存在的問題，筆者總結(jié)了國內(nèi)外的最新研究成果，為了消除或減少短路流對溢流產(chǎn)品的污染，設(shè)計(jì)了一種新型雙溢流水力旋流器，以確保內(nèi)溢流和底流產(chǎn)品合格，使短路流進(jìn)入外溢流進(jìn)行單獨(dú)處理。

2 雙溢流水力旋流器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

圖4 雙溢流水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of new hydrocyclone with double overflow

雙溢流水力旋流器結(jié)構(gòu) (圖4)與傳統(tǒng)水力旋流器相似，但在傳統(tǒng)水力分級旋流器的溢流管中嵌套了第二個(gè)溢流管，從而使溢流可以產(chǎn)出兩個(gè)產(chǎn)品，再加一個(gè)底流產(chǎn)品，從而使得該旋流器能夠生產(chǎn)出三個(gè)產(chǎn)品［6］。與傳統(tǒng)水力分級旋流器的工作原理相同，這種旋流器可按物料粒度差異分離出兩種溢流［7］。如圖5所示:在A區(qū)，在干涉沉降作用下，大密度粗顆粒開始出現(xiàn)分層，這些顆粒對中間顆粒床層起到介質(zhì)作用;在B區(qū)，中心流非常強(qiáng)，強(qiáng)力向上運(yùn)動(dòng)的內(nèi)旋流導(dǎo)致床層頂部揭開，暴露出中間產(chǎn)物，床層最外側(cè)低密度細(xì)顆粒在內(nèi)旋流的帶動(dòng)下進(jìn)入內(nèi)溢流管，中間產(chǎn)物由于接近外溢流管的末端，因此進(jìn)入外層溢流管中;在C區(qū)，干擾床層底部的粗而重的顆粒通過沉砂口排出。隨后物料重復(fù)上述分離過程［6］。

圖5 雙溢流水力旋流器工作原理示意圖Fig.5 Working principle of new hydrocyclone with double overflow

工作時(shí)，物料經(jīng)渣漿泵以一定的初速度由導(dǎo)向管沿切線方向進(jìn)入旋流器，由于旋流器上部是圓柱段，下部是收縮的圓錐體，致使物料受到該結(jié)構(gòu)的限制在旋流器內(nèi)部做高速旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)［8］;物料中粒度小、密度小的礦物顆粒受向內(nèi)的流體曳力，逐漸向垂直的中心軸線附近運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到內(nèi)層螺旋流中，形成上升流，并且內(nèi)旋流中由上至下，礦物顆粒逐漸增大，長度不同、直徑不同的溢流管截取的礦物顆粒不同;物料中粒度大而重的礦物顆粒受到較大離心力的作用，它們的運(yùn)動(dòng)趨勢是由中心向旋流器周邊，進(jìn)入最外層的螺旋流，并向下方的底流口方向移動(dòng)，最終形成底流產(chǎn)物［9］。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)近年來選煤工藝的變化，脫泥入選的工藝逐漸被大家接受。脫泥后的煤泥水粒度范圍為0～1(1.5)mm，該部分物料的分選工藝主要是粗煤泥分選設(shè)備和浮選設(shè)備。根據(jù)入料粒度范圍越窄越有利于分選的原則，目前采取的方案是0.5～1(1.5)mm采用粗煤泥回收設(shè)備，0～0.5 mm采用浮選工藝回收。實(shí)踐表明，煤泥水回收工藝最佳方案是先采用分級設(shè)備，將物料分成更窄的粒度級，這樣有利于后續(xù)作業(yè)分選回收［11－12］。

根據(jù)旋流器內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)特征，可以通過調(diào)節(jié)旋流器溢流管的直徑和插入深度，獲得不同粒度級的產(chǎn)品。本次試驗(yàn)就是根據(jù)這一原理，將原有旋流器的溢流管改為同心的兩個(gè)溢流管，靠近里面直徑小的溢流管插入深度可以調(diào)節(jié)，以便獲取不同產(chǎn)品。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。試驗(yàn)中渣漿泵出現(xiàn)問題時(shí)，關(guān)閉閘閥1，將渣漿泵與管路分離，進(jìn)行檢修。通過閘閥2和閘閥3的打開/關(guān)閉幅度來控制物料進(jìn)入旋流器的速度。圖6中取樣點(diǎn)1為原料樣，取樣點(diǎn)2為底流產(chǎn)品樣，取樣點(diǎn)3為內(nèi)層溢流產(chǎn)品樣，取樣點(diǎn)4為外層溢流產(chǎn)品樣。

3.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)進(jìn)行了多個(gè)因素試驗(yàn)，其中包括旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù):底流口直徑、內(nèi)溢流管插入深度，工藝參數(shù):入料濃度、粒度組成和入料壓力。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig.6 Test system flowsheet

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在搭建的試驗(yàn)平臺上對雙溢流水力旋流器的分離性能進(jìn)行了初步檢測，試驗(yàn)進(jìn)行了多個(gè)因素水平相互作用的條件試驗(yàn)。在相同入料條件下，更換了φ 20 mm和φ 25 mm兩種直徑底流口，并且對給料壓力在0.08～0.12 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對內(nèi)外溢流高差在0～150 mm范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)得到的最佳的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)得到的最佳試驗(yàn)參數(shù)Table 1 The optimal parameters from test

試驗(yàn)條件:給礦密度ρ=1.15 t/m3，給礦粘度為μ=0.00133 Pa·s，入料濃度為104.52 g/L，煤泥水質(zhì)量濃度為9.1%。

在試驗(yàn)過程中，開啟進(jìn)料閥門，啟動(dòng)渣漿泵，調(diào)節(jié)給料壓力，使壓力表指針穩(wěn)定在0.12 MPa。同時(shí)在四個(gè)取樣點(diǎn)取樣，將取得的樣品進(jìn)行分析和測算。

入料、底流、內(nèi)溢流和外溢流產(chǎn)品粒度組成見表2。根據(jù)分級效率計(jì)算公式對此次結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算:

式中:η為分級效率%;Ec為粗粒物正配效率，%;Ef為細(xì)粒物正配效率，%;γu為底流產(chǎn)物產(chǎn)率，%;Uf為底流產(chǎn)物中細(xì)粒物含量(占本級)，%;Uc為底流產(chǎn)物中粗粒物含量(占本級)，%;Fc，r為計(jì)算入料中粗粒物含量，%;Ff，r為計(jì)算入料中細(xì)粒物含量，%。其中:Uc和Uf可以從底流產(chǎn)物粒度特性曲線查獲;Fc，r和 Ff，r可以從計(jì)算入料粒度特性曲線查獲。

最終計(jì)算得出η=66.69%。也就是說，當(dāng)d50=0.049 mm時(shí)，分級效率為66.69%，初步實(shí)現(xiàn)了對細(xì)粒物料的有效分級，確保了內(nèi)溢流產(chǎn)品的純凈，減少了短路流對其污染。

表2 入料及產(chǎn)品粒度組成Table 2 Size composition of feed and products %

4 結(jié)論與建議

通過總結(jié)國內(nèi)外針對傳統(tǒng)水力分級旋流器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的研究結(jié)果及工業(yè)應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一種新型雙溢流水力旋流器。對該旋流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室閉路試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論:

(1)水力分級旋流器是選煤廠煤泥分級的重要設(shè)備，消除短路流對溢流的污染，減少細(xì)顆粒對底流產(chǎn)品的污染是以后的主要研究方向。

(2)雙溢流水力旋流器內(nèi)物料在離心力場和下錐角處的干擾力的作用下實(shí)現(xiàn)分級分離，通過溢流管直徑和插入深度的調(diào)節(jié)可以獲得不同的產(chǎn)品，同心嵌套的雙溢流管結(jié)構(gòu)可獲得兩種產(chǎn)物，確保內(nèi)溢流管物料的純凈，減少了短路流的污染。

(3)雙溢流水力旋流器內(nèi)溢流管插入深度可以在線調(diào)節(jié)，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求可以獲得不同粒級產(chǎn)品。

(4)雙溢流水力旋流器改變了傳統(tǒng)水力分級旋流器的結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部流場產(chǎn)生了一定的影響，今后有待于對內(nèi)部力場做進(jìn)一步研究。

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