新型双溢流水力旋流器分级试验研究

2015-10-26杜振宝

选煤技术 2015年6期

杜振宝

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

水力分级旋流器又称旋液分离器［1］，是一种分离非均匀相混合物的分级设备，可以用来完成液体澄清、固相颗粒洗涤、液体除气与除砂、固相颗粒分级与分类以及两种非互溶液体的分离等多种作业。随着煤炭开采深度的加深和采煤方法的改变，原煤中煤泥含量增加，从而对煤泥处理工艺的要求变高导致选煤厂选煤工艺发生了变化，由原来的普遍主选+浮选工艺变为主选+粗煤泥分选+浮选工艺。粗煤泥分选和浮选的入料都是浆液物料，只不过在粒度上有所区别，因而需要合适的浆液物料分级设备，水力分级旋流器便是首选的设备。

1 水力分级旋流器研究现状

传统分级水力旋流器 (图1)由圆柱筒和圆锥筒连接而成，包括溢流管、底流管、进料管等主要部件［2］。

近年来，国内外众多科研工作者和工程技术人员对水力分级旋流器经行了改进研究。国外有代表性的研究是在底流部位增加了反冲水结构，这种反冲水旋流器 (图2)目前多用于金属矿选矿厂;国内有代表性的研究是在圆柱段加了筛网的筛网型旋流器 (图3)［3－4］，但在实际应用中发现，筛网易破损和阻塞，造成分级效果变差［5］。

图1 传统水力分级旋流器结构图Fig.1 Structural diagram of traditional hydrocyclone

图2 反冲水旋流器结构示意图Fig.2 Structural diagram of back washing cyclone

图3 筛网旋流器结构示意图Fig.3 Structural diagram of cyclone with screen mesh

然而，在专家学者的研究过程中和现场实际应用中，均发现在水力分级旋流器中有短路流的存在。研究发现，短路流的量大约占入料的5%～10%左右。根据入料粒度组成的不同，尤其是当入料中粗颗粒物料所占的比例较大时，对溢流产品的污染更加严重，使溢流产品的质量降低;同时底流产品中又有大量的细粒物料混进，最终使得溢流产品和底流产品均不能达到合理的分离效果。

针对传统水力分级旋流器存在的问题，笔者总结了国内外的最新研究成果，为了消除或减少短路流对溢流产品的污染，设计了一种新型双溢流水力旋流器，以确保内溢流和底流产品合格，使短路流进入外溢流进行单独处理。

2 双溢流水力旋流器结构特点与工作原理

图4 双溢流水力旋流器结构示意图Fig.4 Structural diagram of new hydrocyclone with double overflow

双溢流水力旋流器结构 (图4)与传统水力旋流器相似，但在传统水力分级旋流器的溢流管中嵌套了第二个溢流管，从而使溢流可以产出两个产品，再加一个底流产品，从而使得该旋流器能够生产出三个产品［6］。与传统水力分级旋流器的工作原理相同，这种旋流器可按物料粒度差异分离出两种溢流［7］。如图5所示:在A区，在干涉沉降作用下，大密度粗颗粒开始出现分层，这些颗粒对中间颗粒床层起到介质作用;在B区，中心流非常强，强力向上运动的内旋流导致床层顶部揭开，暴露出中间产物，床层最外侧低密度细颗粒在内旋流的带动下进入内溢流管，中间产物由于接近外溢流管的末端，因此进入外层溢流管中;在C区，干扰床层底部的粗而重的颗粒通过沉砂口排出。随后物料重复上述分离过程［6］。

图5 双溢流水力旋流器工作原理示意图Fig.5 Working principle of new hydrocyclone with double overflow

工作时，物料经渣浆泵以一定的初速度由导向管沿切线方向进入旋流器，由于旋流器上部是圆柱段，下部是收缩的圆锥体，致使物料受到该结构的限制在旋流器内部做高速旋转的圆周运动［8］;物料中粒度小、密度小的矿物颗粒受向内的流体曳力，逐渐向垂直的中心轴线附近运动，进入到内层螺旋流中，形成上升流，并且内旋流中由上至下，矿物颗粒逐渐增大，长度不同、直径不同的溢流管截取的矿物颗粒不同;物料中粒度大而重的矿物颗粒受到较大离心力的作用，它们的运动趋势是由中心向旋流器周边，进入最外层的螺旋流，并向下方的底流口方向移动，最终形成底流产物［9］。

3 试验

3.1 试验设计思路

根据近年来选煤工艺的变化，脱泥入选的工艺逐渐被大家接受。脱泥后的煤泥水粒度范围为0～1(1.5)mm，该部分物料的分选工艺主要是粗煤泥分选设备和浮选设备。根据入料粒度范围越窄越有利于分选的原则，目前采取的方案是0.5～1(1.5)mm采用粗煤泥回收设备，0～0.5 mm采用浮选工艺回收。实践表明，煤泥水回收工艺最佳方案是先采用分级设备，将物料分成更窄的粒度级，这样有利于后续作业分选回收［11－12］。

根据旋流器内物料的运动特征，可以通过调节旋流器溢流管的直径和插入深度，获得不同粒度级的产品。本次试验就是根据这一原理，将原有旋流器的溢流管改为同心的两个溢流管，靠近里面直径小的溢流管插入深度可以调节，以便获取不同产品。

3.2 试验系统

试验系统如图6所示。试验中渣浆泵出现问题时，关闭闸阀1，将渣浆泵与管路分离，进行检修。通过闸阀2和闸阀3的打开/关闭幅度来控制物料进入旋流器的速度。图6中取样点1为原料样，取样点2为底流产品样，取样点3为内层溢流产品样，取样点4为外层溢流产品样。

3.3 试验条件

试验进行了多个因素试验，其中包括旋流器结构参数:底流口直径、内溢流管插入深度，工艺参数:入料浓度、粒度组成和入料压力。

图6 试验系统流程图Fig.6 Test system flowsheet

3.4 试验结果与分析

在搭建的试验平台上对双溢流水力旋流器的分离性能进行了初步检测，试验进行了多个因素水平相互作用的条件试验。在相同入料条件下，更换了φ 20 mm和φ 25 mm两种直径底流口，并且对给料压力在0.08～0.12 MPa范围内进行调节，对内外溢流高差在0～150 mm范围进行调节。试验得到的最佳的试验参数如表1所示。

表1 试验得到的最佳试验参数Table 1 The optimal parameters from test

试验条件:给矿密度ρ=1.15 t/m3，给矿粘度为μ=0.00133 Pa·s，入料浓度为104.52 g/L，煤泥水质量浓度为9.1%。

在试验过程中，开启进料阀门，启动渣浆泵，调节给料压力，使压力表指针稳定在0.12 MPa。同时在四个取样点取样，将取得的样品进行分析和测算。

入料、底流、内溢流和外溢流产品粒度组成见表2。根据分级效率计算公式对此次结果进行了计算:

式中:η为分级效率%;Ec为粗粒物正配效率，%;Ef为细粒物正配效率，%;γu为底流产物产率，%;Uf为底流产物中细粒物含量(占本级)，%;Uc为底流产物中粗粒物含量(占本级)，%;Fc，r为计算入料中粗粒物含量，%;Ff，r为计算入料中细粒物含量，%。其中:Uc和Uf可以从底流产物粒度特性曲线查获;Fc，r和 Ff，r可以从计算入料粒度特性曲线查获。

最终计算得出η=66.69%。也就是说，当d50=0.049 mm时，分级效率为66.69%，初步实现了对细粒物料的有效分级，确保了内溢流产品的纯净，减少了短路流对其污染。