重介質(zhì)干擾床的分選效果研究

牛 禎

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

干擾床分選機(jī)(Teetered Bed Separator)，由水力分級機(jī)發(fā)展而來，其分選原理是利用顆粒密度和重量的差異，在重力場中形成干擾床床層的浮力和上升水流的沖力(含粘性摩擦力)，實(shí)現(xiàn)低密度、小粒徑的物料上浮，高密度大粒徑的物料下沉，從而達(dá)到分選的目的[1-4]。

物料進(jìn)入干擾床后受到重力、粘性摩擦力、上升水流沖力、礦漿浮力的共同作用，重力為下沉力，浮力、水流沖力和粘性摩擦力均為上升力。根據(jù)選煤廠實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)分選效果的參數(shù)主要是水流壓力和床層密度，物料受到的水流壓力(水流沖力及粘性摩擦力綜合力)與其在礦漿中的空間位置和粒徑大小有關(guān)，因而水流壓力的調(diào)節(jié)范圍有限，不能過大調(diào)節(jié)，否則會強(qiáng)化按粒度分離的作用[5-8]。

另一個(gè)調(diào)節(jié)因素是床層密度，床層密度與懸浮液濃度和固體顆粒的平均密度有關(guān)，干擾床分選機(jī)的分選床層主要是由水和煤泥組成，其密度為1.1～1.3g/cm3。在較低的床層密度下，精煤分選效果不佳。提高懸浮液濃度可以有效提高分選密度，但懸浮液濃度過高會增大物料流動阻力，抑制物料分離，為保證分選效果，懸浮液容積濃度一般不高于40%。因此，為保證床層具有合適的粘度及流動性，不能加入過多的煤泥，本文根據(jù)重介質(zhì)分選原理，通過添加磁鐵礦粉作為重介質(zhì)，提高干擾床分選機(jī)的分選床層密度，增強(qiáng)按密度分選的作用，增強(qiáng)高干擾床分選效果[9-15]。

1 干擾床層添加重介質(zhì)效果

為驗(yàn)證加入重介質(zhì)后的干擾床分選效果，進(jìn)行了重介質(zhì)干擾分選的初步實(shí)驗(yàn)。干擾床分選裝置原理如圖1所示。

圖1 干擾床分選裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)過程采用重介懸浮液與粗煤泥混合進(jìn)入分選裝置的方式，添加的重介質(zhì)為選煤廠重介生產(chǎn)使用的磁鐵粉，其-0.045mm含量大于85%，介質(zhì)密度為4.5g/cm3。實(shí)驗(yàn)入料密度組成見表1。

表1 入料浮沉組成表

分別對添加重介質(zhì)前后的兩種床層進(jìn)行取樣，測量其密度，結(jié)果見表2。由表2可知，不添加重介質(zhì)時(shí)，床層平均密度為1.18g/cm3，分選密度為1.46g/cm3。添加重介質(zhì)后，床層的平均密度為1.295g/cm3，分選密度為1.45g/cm3。在分選密度相接近的情況下，添加重介質(zhì)后床層的實(shí)際密度較大，對物料產(chǎn)生的浮力也較大，因此強(qiáng)化了按密度分選的作用，從而提高分選效果。本文所指分選密度為近似分選密度，其測量方式為實(shí)驗(yàn)裝置溢流精煤灰分反算值。將溢流精煤裝入玻璃容器，按跳汰原理給入脈動水流2～3min后靜置，取最下層精煤，化驗(yàn)灰分，按照可選性曲線反推密度。此方法所測密度值與標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算的分選密度有誤差，但該實(shí)驗(yàn)主要探究床層密度變化，添加介質(zhì)粉前后均采用同樣方式測量分選密度，因而具有可比性[16-20]。

表2 床層實(shí)際密度測量表

采用不添加重介質(zhì)分選和添加重介質(zhì)分選兩種方式分別進(jìn)行了分選實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中添加重介質(zhì)分選方式定壓水箱高度低于不添加重介質(zhì)，即頂水壓力不一致，二者高差以測量添加介質(zhì)后精煤灰分接近不添加介質(zhì)的精煤灰分時(shí)水箱高度確定。添加重介質(zhì)分選方式進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，兩種實(shí)驗(yàn)的入選煤泥粒度均為1～0.25mm，配制濃度為300g/L后均勻連續(xù)給入實(shí)驗(yàn)裝置，每次實(shí)驗(yàn)后分別采取相應(yīng)的精煤和尾煤進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 分選結(jié)果化驗(yàn)表 %

添加重介質(zhì)后，較不添加重介質(zhì)時(shí)精煤產(chǎn)率提高2.36百分點(diǎn)，精煤灰分降低0.17百分點(diǎn)，尾煤產(chǎn)率減少2.49百分點(diǎn)，灰分升高1.62百分點(diǎn)，添加重介質(zhì)后精煤產(chǎn)率有明顯升高，灰分略有降低，添加重介質(zhì)后的干擾床分選效果明顯優(yōu)于普通干擾床。

2 干擾床層內(nèi)密度變化

干擾床內(nèi)添加重介質(zhì)后，由于重介質(zhì)密度較大，沉降較快，而上升流速度較低，因此在干擾床內(nèi)形成由下至上密度逐漸降低的梯度場。為準(zhǔn)確了解密度變化的速率，通過實(shí)驗(yàn)對干擾床內(nèi)不同高度位置的密度值進(jìn)行測量(測量方法同上)。密度場隨高度變化如圖2所示。

圖2 密度場隨高度變化率關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，干擾床內(nèi)，隨著高度的增加，密度逐漸降低，根據(jù)圖2的斜率可見，密度越高降低速率越大。通過實(shí)驗(yàn)，在低密度情況下，床層密度差變化較小，但密度增加后，由于磁鐵粉沉降較快，干擾床內(nèi)高處和低處的密度差異增大，因而如果使用重介質(zhì)大幅提高床層密度，床層的密度場會有較大變化。干擾床內(nèi)高低位置密度的不均勻性給分選帶來負(fù)面影響，低密度物在上浮過程中由于床層密度降低，造成上浮力不足，無法進(jìn)入溢流成為精煤從而造成損失。因而，為取得較好的分選效果，應(yīng)控制密度的不均勻性，維持穩(wěn)定的床層密度。

3 干擾床層內(nèi)Hδ50位置探索

添加重介質(zhì)后，干擾床內(nèi)密度場形成由下至上密度逐漸降低的梯度場，某一密度級的物料在不同高度位置其進(jìn)入底流和進(jìn)入溢流的概率不同，當(dāng)其進(jìn)入底流和溢流的概率為50%時(shí)，此時(shí)物料距離床側(cè)底部的高度定義為Hδ50。Hδ50越高，則所需的密度位置越高，此時(shí)大粒度的低灰精煤進(jìn)入溢流的概率越大，不容易造成精煤損失，分選效果越好。

影響Hδ50的因素主要是床層密度和水流速度，增大水流速度雖能夠提升分選密度，但高密度細(xì)顆粒的物料也大量進(jìn)入溢流，從而污染精煤灰分。本次實(shí)驗(yàn)探索Hδ50，是在水流速度一致的情況下通過改變床層密度探測Hδ50高度，結(jié)果見表4。

表4 不同床層密度下Hδ50高度表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，密度越大，Hδ50越高，但密度增大后，干擾床床層密度的梯度場變化增加，密度穩(wěn)定性變差，Hδ50波動增大。

通過實(shí)驗(yàn)，在床層高度較低的情況下，床層密度差變化不大，但床層高度增大后，由于磁鐵粉沉降較快，高處和低處出現(xiàn)較大的密度差異，因而如果使用重介質(zhì)大幅提高床層密度，床層的穩(wěn)定性難以控制。因此，為維持較為穩(wěn)定的床層密度，應(yīng)降低床層高度，在較低高度范圍內(nèi)大幅增加床層密度。

4 變徑重介干擾床實(shí)驗(yàn)探索

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，提高床層密度，可以有效提高分選效果，且Hδ50增高，但Hδ50增高后，床層內(nèi)密度梯度場變化增加，密度穩(wěn)定性變差。為解決密度場變化較大的問題，設(shè)計(jì)了變徑干擾床分選實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。

圖3 變徑干擾床分選裝置

該裝置將干擾床設(shè)置為底部較粗，上部較細(xì)的結(jié)構(gòu)。底部為低流速高密度場的區(qū)域，上部直徑變小，流速提高，為高流速低密度場的區(qū)域。物料和重介質(zhì)直接給入底部高密度場區(qū)。由于底部密度較高，水流速度較低，實(shí)驗(yàn)過程中易出現(xiàn)磁鐵粉沉降情況，因而在干擾床下部需設(shè)置低速旋轉(zhuǎn)攪拌裝置，轉(zhuǎn)速為3r/min。

物料進(jìn)入干擾床后，下部密度較高，小于分選密度的物料上浮，大于分選密度的物料下沉，此時(shí)流速較低，粒徑對分選效果的影響較小，主要作用為床層密度。低于分選密度的物料在浮力作用下上浮并進(jìn)入上部的低密度高流速區(qū)域。此區(qū)域的作用為二次分選，為保證精煤不損失，下部高密度區(qū)的密度較高(避免低密度下沉，但允許較高密度物上浮)，從而使部分高密度的物料上浮，且由于入料的流量和速度波動，部分較高密度的物料受到干擾也會上浮，低密度區(qū)的作用就是對此類物料進(jìn)行二次分選，使密度較高的錯(cuò)配物料再次下沉，進(jìn)入高低密度區(qū)交界處，再次分選。該裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，實(shí)驗(yàn)條件如下：添加重介質(zhì)，分選密度1.45g/cm3，床層密度1.38g/cm3。

表5 變徑干擾床分選結(jié)果化驗(yàn)表 %

將表5與表2的數(shù)據(jù)對比，表5為床層密度1.38g/cm3的分選結(jié)果，表2為床層密度1.295g/cm3的分選結(jié)果。通過大幅提高床層密度，精煤產(chǎn)率可以進(jìn)一步提高，因而，添加重介質(zhì)后，變徑干擾床的分選效果較普通干擾床分選效果更好。

5 結(jié) 論

1)添加重介質(zhì)進(jìn)入分選床層后，由于重介質(zhì)礦粉密度高，因此可以有效提高床層密度，從而改善分選效果。添加重介質(zhì)后精煤產(chǎn)率提高2.36百分點(diǎn)，精煤灰分降低0.17百分點(diǎn)，尾煤產(chǎn)率減少2.49百分點(diǎn)，灰分升高1.62百分點(diǎn)

2)干擾床給入重介質(zhì)后，不同高度位置處的床層密度會有較大差別，隨密度的升高差別會更大，因而在干擾床中添加重介質(zhì)粉應(yīng)充分考慮介質(zhì)密度的變化及密度場的穩(wěn)定性。

3)變徑重介干擾床分選效果優(yōu)于普通干擾床，能夠一定程度上應(yīng)對密度場變化較大的問題。