給料壓力對粗煤泥分級性能的影響

張彩娥，丁明星

(1. 山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255049；2. 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221000)

水力旋流器廣泛用于粗煤泥的分級回收及浮選入料的粒度控制。粗煤泥給料是一種多粒度多密度的多組分體系，既包含高灰分、高密度的細泥，又包含低灰分、低密度的粗粒精煤[1-5]。董連平等[6]的研究表明，小錐角分級旋流器對各粒級均存在一定的分選作用。郭雅利等[7]的研究也表明分級旋流器的分選作用是導致粗精煤泥質(zhì)量難以保證的根本原因，極大地影響了后續(xù)選別指標[8-10]。目前多組分的研究主要是針對二元混合體系，亦即兩種不同密度礦物混合體系，生產(chǎn)實際中粗煤泥給礦是由多種灰分多種粒度煤粒組成的，多元混合體系的研究仍有待進一步深入。

本文以直徑100 mm水力旋流器為研究對象，利用物理試驗方法考察了不同壓力條件下粗煤泥的分配行為，計算了分級過程中各粒級產(chǎn)品的灰分差值，分析了粗煤泥分級過程中的分選現(xiàn)象；并從不同粒度粗煤泥顆粒運移軌跡出發(fā)，進一步解釋不同性質(zhì)粗煤泥顆粒的分配行為差異。

1 試驗方法

1.1 物理分級試驗

配置濃度為10%的粗煤泥料漿并混合均勻，通過調(diào)節(jié)泵頻率，改變水力旋流器給料壓力，調(diào)節(jié)壓力范圍為0.05～0.12 MPa。在此范圍內(nèi)沉砂呈傘狀排料，當壓力超過此范圍時，旋流器沉砂出現(xiàn)繩狀排料。試驗用粗煤泥XRD礦物組成如圖1所示。

圖1 粗煤泥XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of coarse coal slime

從圖中可以看出，試驗用粗煤泥中主要脈石礦物為石英和蛇紋石。粗煤泥給料的粒度組成見表1。從表中可以看出，試驗用粗煤泥粒度整體偏粗，+60目質(zhì)量分數(shù)占62.4%，-200目質(zhì)量分數(shù)僅占13.98%。隨著顆粒粒度逐漸減小，顆?；曳种饾u增加，這主要是由于易泥化的蛇紋石在細粒粗煤泥中聚集造成的。

表1 給礦粒度組成及灰分Tab.1 Size distribution and ash content of feed

1.2 數(shù)值模擬試驗

根據(jù)物理試驗所使用的水力旋流器幾何參數(shù)，利用ICEM軟件對水力旋流器整個計算域進行網(wǎng)格離散。根據(jù)物理試驗給料性質(zhì)，確定數(shù)值試驗邊界條件和初始值，利用雷諾應力湍流模型(RSM)描述湍流運動，采用混合物模型(Mixture)描述空氣相和顆粒相運動，獲得穩(wěn)定多相流場之后，引入離散相粗煤泥顆粒，利用離散型模型(DPM)追蹤顆粒運移軌跡[11-14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力對粗煤泥分配特性的影響

不同壓力條件下，粗煤泥分配特性如圖2所示。

圖2 給料壓力對粗煤泥底流分配率的影響Fig. 2 Influence of feed pressure on underflow recovery rate of coarse coal slime

從圖中可以看出，隨著顆粒粒度增大，顆粒在底流中的分配率增加；隨著給料壓力增加，各粒級顆粒在沉砂中的分配率均增加，水力旋流器分離粒度逐漸減小，分離精度逐漸增加，亦即分配曲線斜率逐漸增大。不同壓力條件下，粗煤泥經(jīng)分級后，各粒級產(chǎn)率和灰分見表2—表7，其中灰分差值表示底流灰分與溢流灰分差值的絕對值。

表2 給料壓力0.05 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.2 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.05 MPa

表7 給料壓力0.12 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.7 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.12 MPa

從表2可以看出，在給料壓力為0.05 MPa條件下，粗煤泥經(jīng)過水力旋流器旋流分級后，粗顆粒在底流富集，細顆粒在溢流富集。通過分析底流灰分和溢流灰分發(fā)現(xiàn)，粗煤泥顆粒在依據(jù)顆粒粒度分級的同時，各粒級在底流產(chǎn)品和溢流產(chǎn)品中的灰分發(fā)生了變化，各粒級產(chǎn)品灰分變化主要表征各粒級產(chǎn)品中精煤和硅酸鹽脈石礦物配比產(chǎn)生了變化，灰分增加表征該粒級產(chǎn)品中脈石含量增加。精煤密度小于脈石礦物密度，灰分的變化表征粗煤泥顆粒在分級過程中，發(fā)生了基于密度的分選行為。此外，+60目粗粒級顆粒在底流中的灰分略低于溢流中的灰分，且溢流中粗顆粒含量較高，表明大量高灰粗顆?；炫涑蔀橐缌鳟a(chǎn)品，導致0.05 MPa給料壓力下，分級精度極低，如圖2所示。

從表3中可以看出，給料壓力為0.06 MPa時，仍有部分高灰粗粒煤泥混配進溢流產(chǎn)品中。與給料壓力為0.05 MPa相比，溢流產(chǎn)品中的粗粒混配物含量減小，溢流產(chǎn)品中粗粒煤泥灰分降低，因而水力旋流器分離精度略有提高。

表3 給料壓力0.06 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.3 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.06 MPa

從表4中可以看出，隨著給料壓力進一步增加，溢流產(chǎn)品中+60目粗粒煤泥灰分低于底流產(chǎn)品中對應粒級顆粒的灰分，表明隨著壓力增加，水力旋流器分級性能略有增加。高密度高粒度顆粒因為受到更大的離心力作用，更多的進入底流產(chǎn)品，而溢流產(chǎn)品中粗粒錯配物灰分減小，故水力旋流器分級精度略有提高，但粗顆粒在底流中的分配率仍較低。

表4 給料壓力0.07 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.4 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.07 MPa

從表5中可以看出，當給料壓力增加至0.08 MPa時，溢流產(chǎn)品中+60目粗粒錯配物含量進一步減小，且錯配物灰分進一步降低，溢流產(chǎn)品中+60目粒級顆粒灰分與底流產(chǎn)品中對應粒級顆?；曳植钪翟龃?。灰分大粒度大的顆粒更傾向于從底流口排出，水力旋流器分級精度進一步提高。

表5 給料壓力0.08 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.5 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.08 MPa

從表6中可以看出，當給料壓力為0.10 MPa時，溢流產(chǎn)品中+60目錯配物含量及錯配物灰分均急劇減小，對應粗顆粒在底流中的分配率增加,此外，少量-200目細粒煤泥混配到底流產(chǎn)品中，造成細顆粒在底流中的分配率較高。

表6 給料壓力0.10 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.6 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.10 MPa

當給料壓力增加至0.12 MPa時，溢流產(chǎn)品中+60目錯配物含量減小，溢流中錯配物灰分進一步減小，此時部分低灰粗粒煤泥錯配進溢流產(chǎn)品中，這主要是因為低灰粗粒煤泥與中等粒度煤泥受到相同的離心力作用，發(fā)生了等降分離，顆粒在分級過程中，不同密度顆粒的分選效應是固體顆粒分級精度較低的主要原因。從表7中還可以看出，底流產(chǎn)品中的錯配物主要為部分高灰細泥，這主要是因為高灰細泥雖粒度小，但密度大，所受離心力較大，因而細顆粒的底流分配率較大。

2.2 粗煤泥運移軌跡特性

利用數(shù)值試驗方法，選取了3個代表性粒度顆粒，從顆粒的運移軌跡及停留時間角度，進一步解釋了不同性質(zhì)顆粒的分配行為差異，如圖3所示；其中，每組左側(cè)為0.12 MPa給料壓力條件下的顆粒運移軌跡，右側(cè)為0.05 MPa給料壓力條件下的顆粒運移軌跡。

從圖3中可以看出，給料壓力越大，顆粒在旋流器內(nèi)的停留時間越短。不同壓力條件下，-325目細粒煤泥顆粒進入水力旋流器后，均沿外旋流螺旋向下運動，到達錐段之后，部分高灰細泥由于所受離心力較大，錯配進入底流，大部分低灰細泥由于受到錐段器壁阻力作用，進入內(nèi)旋流，并沿內(nèi)旋流向內(nèi)向上運動，成為溢流產(chǎn)品。在0.12 MPa給料壓力條件下，-200+325目中等粒度煤泥顆粒和+30目粗粒煤泥顆粒進入水力旋流器后主要沿外旋流向外向下運動，最終從底流口排出；其中，中等粒度顆粒在錐段和柱段產(chǎn)生了循環(huán)運動，在水力旋流器內(nèi)的停留時間較長，在徑向和軸向綜合作用力下，最終大部分從底流口排出。在0.05 MPa條件下，顆粒所受離心力較小，部分中等粒度煤泥顆粒和粗粒煤泥顆粒隨內(nèi)旋流由溢流口排出。不同性質(zhì)顆粒因其運移軌跡不同，最終引起不同性質(zhì)顆粒在沉砂中分配率的差異。

(a) d=-325目 (b) d=-200+325目 (c) d=+30目

3 結(jié)論

1)隨著給料壓力增大，顆粒在沉砂中的分配率逐漸增加，水力旋流器分級精度逐漸提高，分離粒度逐漸減小。

2)在粗煤泥分級過程中，底流產(chǎn)品及溢流產(chǎn)品灰分均發(fā)生了變化，表明粗煤泥顆粒在分級的同時，發(fā)生了基于顆粒密度的分選行為，顆粒分級過程中的分選行為是造成水力旋流器分級精度較低的主要原因。

3)顆粒分級過程中顆粒密度影響程度隨給料壓力變化而變化。給料壓力為0.05 MPa時，給料壓力較低，水力旋流器旋流分級作用較弱，大量高灰粗粒煤泥混配進溢流產(chǎn)品中，造成粗顆粒在底流中的分配率較低；隨著給料壓力增加，顆粒密度影響逐漸減弱，給料壓力為0.12 MPa時，旋流分離作用增強，仍有少量低灰粗粒煤泥因顆粒等降錯配進入溢流產(chǎn)品。

4)細粒煤泥進入水力旋流器后，先隨外旋流向外向下運動，受到錐段器壁阻力作用，部分低灰細泥進入內(nèi)旋流，并向內(nèi)向上運動從溢流口排出，部分高灰細泥因所受離心力作用較大，隨外旋流運動，從底流口排出；中等粒度顆粒在旋流器內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)運動，在綜合受力作用下，隨粗粒煤泥一塊經(jīng)由底流口排出。