三錐角水介質(zhì)旋流器在跳汰工藝中的應(yīng)用

張運(yùn)起，崔廣文，沈笑君，張 玉，趙建軍，徐東升

（1.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022;3.山東華恒礦業(yè)有限公司，山東 新泰 271202）

山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限公司華恒選煤廠是一座設(shè)計(jì)處理能力為1.20 Mt/a的礦井型煉焦煤選煤廠，其主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為“六級”冶煉精煤、洗混煤、尾煤泥等，其中精煤灰分在8%以下，屬于優(yōu)質(zhì)氣肥煤。自建廠以來，該廠經(jīng)過多次改造，目前的生產(chǎn)工藝為:原煤進(jìn)入跳汰機(jī)分選，精煤由弧形篩和高頻篩脫水，篩下水經(jīng)煤泥泵送至濃縮旋流器;旋流器底流由高頻篩回收粗煤泥，高頻篩篩下水和濃縮旋流器溢流進(jìn)入浮選分選;浮選精煤經(jīng)壓濾脫水后混入精煤，浮選尾煤則進(jìn)入耙式濃縮機(jī)處理。由于華恒選煤廠采用單一跳汰分選方式，因而分選精度較低，分選粒度下限較高，對于0.2～3 mm粒級這部分粗煤泥的分選效果差［1］。隨著采煤機(jī)械化程度的提高，選煤廠入廠原煤中粉煤的含量越來越高，加之華恒煤礦地質(zhì)條件的變化，導(dǎo)致原煤質(zhì)量逐漸惡化，特別是入選原煤中的粗煤泥含量逐漸增加，粗煤泥的灰分也隨之變高［2］。原有工藝對粗煤泥采用煤泥旋流器濃縮、高頻篩脫水脫泥回收的處理方式已無法滿足生產(chǎn)的要求，致使生產(chǎn)中精煤灰分波動大，且灰分過高，嚴(yán)重影響了精煤的質(zhì)量。

為了解決上述問題，華恒選煤廠采用4臺φ 500 mm三錐角水介質(zhì)旋流器對粗煤泥系統(tǒng)進(jìn)行改造，以對粗煤泥進(jìn)行有效分選。

1 三錐角水介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)與工作原理

粗煤泥的高效率分選是選煤行業(yè)的技術(shù)難題。煤泥重介質(zhì)旋流器、TBS干擾床分選機(jī)、螺旋分選機(jī)和水介質(zhì)旋流器等是最常用的粗煤泥分選設(shè)備［3］，但這些設(shè)備均存在自己的優(yōu)勢和不足。相對而言，水介質(zhì)旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，但分選精度和分選效率偏低［4－7］。為此，山東科技大學(xué)自主研發(fā)了三錐角水介質(zhì)旋流器，該設(shè)備繼承了傳統(tǒng)水介質(zhì)旋流器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過其獨(dú)特的三段錐角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了分選精度和分選效率。

如圖1［8］所示，三錐角水介質(zhì)旋流器主要由溢流管、入料管、筒體、錐體和底流口組成。其中錐體分為三段，每段設(shè)定不同的錐角及錐面長度，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?。?－10］。

圖1 三錐角水介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of hydrocyclone with three taper angles

工作時(shí)，物料以一定壓力沿切線方向由入料管進(jìn)入筒體，在筒體中形成了向下運(yùn)動的外螺旋流和向上運(yùn)動的內(nèi)螺旋流;在離心力的作用下，入料中不同密度和粒度的顆粒形成干擾沉降層，高密度顆粒進(jìn)入外螺旋流，低密度顆粒進(jìn)入內(nèi)螺旋流;在外螺旋流到達(dá)第一段錐體時(shí)，第一段錐體的錐角較大，干擾床層底部的高密度粗顆粒向下的軸向速度急劇減小，導(dǎo)致干擾床層底部的高密度粗顆粒在第一段圓錐部分聚集而產(chǎn)生較致密的底層，外螺旋流中的低密度顆粒進(jìn)入內(nèi)螺旋流由溢流管排出，部分低密度細(xì)顆粒填充在干擾床層孔隙間，隨較致密的底層進(jìn)入到第二段錐體;第二段錐體的錐角和半徑減小，使外螺旋流切向速度增大，底層物料受到強(qiáng)烈切向速度的沖擊松散開來，從而發(fā)生析離，底層中低密度顆粒會透過松散的床層進(jìn)入到內(nèi)螺旋流從溢流管排出;進(jìn)入第三段錐體后，干擾床層被破壞，混雜在高密度粗顆粒間隙的低密度細(xì)顆粒在內(nèi)螺旋上升流的作用下通過溢流管排出［11－14］。

2 粗煤泥分選系統(tǒng)改造

根據(jù)三錐角水介質(zhì)旋流器的特點(diǎn)，結(jié)合技術(shù)指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，基于華恒選煤廠設(shè)備和管道布置情況，本著節(jié)約投資的原則，充分利用了原系統(tǒng)的煤泥桶、泵管道和篩分設(shè)備對華恒選煤廠原粗煤泥回收系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將系統(tǒng)原有的粗煤泥濃縮旋流器組更換成4臺φ 500 mm的三錐角水介質(zhì)旋流器 (2臺生產(chǎn)，2臺備用)，使粗煤泥進(jìn)入兩臺三錐角水介質(zhì)旋流器分選。經(jīng)三錐角水介質(zhì)旋流器分選后的溢流由弧形篩和高頻篩脫水脫泥后，篩上產(chǎn)品混入精煤，篩下煤泥水進(jìn)入浮選系統(tǒng);底流則返回主選跳汰機(jī)再次分選。

粗煤泥分選系統(tǒng)改造后，華恒選煤廠的生產(chǎn)工藝得到了很好地完善，形成了原煤跳汰機(jī)分選，粗煤泥三錐角水介質(zhì)旋流器分選，細(xì)粒煤泥浮選的聯(lián)合工藝流程 (圖2)。改造后，粗煤泥在跳汰分選之后，又進(jìn)入三錐角水介質(zhì)旋流器分選，經(jīng)過兩次分選，粗精煤灰分完全可滿足生產(chǎn)要求。

圖2 改造后的選煤工藝流程Fig.2 The modified coal preparation process

3 改造效果

3.1 生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)

在正常生產(chǎn)的情況下，采取了華恒選煤廠三錐角水介質(zhì)旋流器入料、溢流和底流各產(chǎn)品煤樣。結(jié)合三錐角水介質(zhì)旋流器分選下限和現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際情況，本次現(xiàn)場試驗(yàn)主要針對＞0.18 mm的粗煤泥進(jìn)行灰分和產(chǎn)率等方面的分析。

從表1可以看出:

(1)入料粒度組成以0.28～0.9 mm粒級為主，占＞0.18 mm粒級煤樣的63.79%;入料各粒級灰分隨著粒度減小而增大，入料＞0.18 mm粒級累計(jì)灰分為10.59%。

(2)通過三錐角水介質(zhì)旋流器分選后，溢流中＞0.18 mm粒級灰分可降至6.17%，即使在細(xì)粒煤泥含量大，高頻篩脫泥效率降低時(shí)，也完全可以滿足精煤灰分要求;溢流中＞0.9 mm粒級的煤僅為6.05%，遠(yuǎn)低于底流中＞0.9 mm粒級的含量，說明三錐角水介質(zhì)旋流器還具有一定的分級作用，使底流顆粒較粗。

(3)從溢流和底流各粒級的灰分來看，溢流各粒級灰分均低于底流各粒級灰分，分選效果明顯。但是三錐角水介質(zhì)旋流器底流＞0.18 mm粒級的累計(jì)灰分仍然較低，僅為24.33%，說明底流損失了一部分精煤?？紤]到顆粒較粗，產(chǎn)量較少，改造中將底流返回跳汰機(jī)再次入選，從而保證了精煤產(chǎn)率。

表1 三錐角水介質(zhì)旋流器入料、溢流和底流篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Sieve analysis of feed，overflow and underflow from hydrocyclone with three taper angles %

為了評定三錐角水介質(zhì)旋流器的分選精度，對溢流和底流產(chǎn)品進(jìn)行了小浮沉試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制出了分配曲線，如圖3所示。從圖3中可以查得實(shí)際分選密度為1.44 g/cm3，計(jì)算得到三錐角水介旋流器分選粗煤泥的可能偏差 (Ep)為0.095，分選不完善度(Ⅰ)為0.216?？梢姡撊F角水介質(zhì)旋流器具有較高的分選精度。

圖3＞0.18 mm粒級重產(chǎn)物分配率曲線Fig.3 Distribution curve of+0.18 mm heavy material

3.2 應(yīng)用效果

粗煤泥分選系統(tǒng)改造之后，華恒選煤廠粗精煤灰分能夠穩(wěn)定在8%以下，且精煤產(chǎn)率有所提升。為了了解華恒選煤廠粗精煤系統(tǒng)改造效果，對比了華恒選煤廠改造前后20 d內(nèi)的生產(chǎn)指標(biāo)。表2為20 d內(nèi)的平均生產(chǎn)指標(biāo)，圖4為20 d內(nèi)的粗精煤灰分變化趨勢圖，圖5為20 d內(nèi)的最終精煤產(chǎn)率變化趨勢圖。

表2 改造前后20 d內(nèi)生產(chǎn)指標(biāo)平均值對比Table 2 The comparative analysis of production indexes in 20 days before and after modification %

從表2可以看出，華恒選煤廠改造前后最終精煤灰分均在6.4%左右，灰分較低，相差不大;改造前粗精煤平均灰分為10.31%，比要求灰分8%高了2.31個(gè)百分點(diǎn)，必須通過降低跳汰精煤的灰分，減少入選量，來保證最終精煤灰分，這樣就使精煤產(chǎn)率減少;改造后粗精煤平均灰分7.30%，完全滿足最終精煤灰分要求。

圖4 改造前后20 d內(nèi)粗精煤灰分變化趨勢圖Fig.4 The ash variation diagram of coarse coal slime in 20 days before and after modification

圖5 改造前后20 d內(nèi)最終精煤產(chǎn)率變化趨勢圖Fig.5 The yield variation diagram of clean coal in 20 days before and after modification

從圖4中可以看出，改造前粗精煤灰分出現(xiàn)了17%以上的高灰情況，灰分大都在8%以上;改造后，粗精煤灰分穩(wěn)定，且大部分在8%以下。并且表2顯示，改造后粗精煤灰分合格率近90%，改造前粗精煤灰分合格率僅不到10%。

從表2和圖5中可以看出，改造后最終精煤產(chǎn)率明顯高于改造前，最終精煤平均產(chǎn)率提高了4.85個(gè)百分點(diǎn)。原因在于，粗精煤得到有效分選后，粗精煤灰分得到保證，跳汰精煤灰分可以適當(dāng)提高，從而使最終精煤產(chǎn)率大大提高，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

4 結(jié)語

華恒選煤廠應(yīng)用三錐角水介質(zhì)旋流器對粗煤泥分選系統(tǒng)進(jìn)行改造，不僅完善了該廠的選煤工藝，并且有效解決了該廠粗精煤灰分偏高和波動大的問題，提高了精煤產(chǎn)率，可為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。三錐角水介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)簡單，配套工藝簡捷，改造費(fèi)用低廉，使用效果良好，為新建選煤廠粗煤泥分選系統(tǒng)建設(shè)與老廠粗煤泥系統(tǒng)改造提供了一條切實(shí)可行的技術(shù)途徑，在粗煤泥分選領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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