史长亮，王胜楠，马　娇 ，王飞跃，赵继芬

(1.河南理工大学化学化工学院，河南 焦作 454000；2.河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室，河南 焦作 454000；3.昆山浩兴电子科技有限公司，江苏 昆山 215300)

0　引　言

随着我国采煤机械化程度的不断提高、地质条件的不断恶化、高灰难选细粒煤的比例不断增加[1-2]，在选煤工业中，一般把粒度介于0.3～3 mm难以通过浮选方法进行分选的细粒煤称为粗煤泥[3-4]。粗煤泥能否高效分选仍是影响现场实际生产中的难点。分级作为分选的基础，目前广泛使用的水力分级旋流器[5-6]，并不是严格按照粒度进行分级，存在“底流夹细、溢流跑粗”的现象，分级效率偏低，影响分选[7-10]。因此，能否实现有效的细粒煤精确分级，是粗煤泥分选和利用成败的技术关键。

王祥等[11]研发双侧溢流排料螺旋分级机。曾尚林等[12]提出的HL型水力分级机。位革老等[13]结合分级用旋流器和分选用旋流器的特点，提出了一种复合型煤泥旋流器。田忠坤[14]结合水力分级旋流器和粗煤泥干扰床分选机的特点，提出了一种MJXJ型粗煤泥分级分选机。Lewis[15]研究发明了水力分级机和丹麦FLSMIDTH(史密斯)公司[16]研发了The Krebs Gmax Cyclone。于进喜等[17]对比分析了粗煤泥分选设备的特点、分选效果和适用范围，得出结论：基于径向速度差为原理的螺旋流进行分级，需要较高入料压力，增加了细粒煤过粉碎的概率，且并不严格按照粒度进行分级[18-20]；基于干扰分选原理的设备处理能力大，受煤质影响小，分选效率高，有效分选密度范围宽，具有较好的发展前景。因此，笔者以干扰沉降分级为原理进行粗煤泥分级样机设计，提出无动力源的“圆柱+深锥形”两段腔体结构设计，通过PLC编程自动控制入料流量、水流量、底流排放量，实现全自动化运行，以期降低产物的错配量、解决实际生产过程粗煤泥分选难题。

本文重点通过煤泥分级实验的开展，探讨深锥形干扰沉降分级机分级参数(顶水给入形式、顶水给入量、给料浓度、给料速度) 对细粒煤分级效率的影响，确定该设备的最佳分级参数，为新型分级机的工业化应用奠定基础。

1　实验条件

1.1　试样

实验用煤取自河南煤化焦煤集团演马矿选煤厂的落地末煤，<1.0 mm原煤质量特征及粒度组成见表1和表2。由表1和表2数据可以判断：试样属低硫、低中灰、高强度、难磨碎；不同粒级灰分差别较小、可作为级配掺和使用；<0.074 mm细颗粒含量为24.33%，全粒级实验将增加分级过程的泥化程度，对分级效果影响较大。

表1　实验用煤质量特征分析表

表2　实验用煤筛分实验表

1.2　实验装备

深锥形干扰沉降分级系统结构如图1所示。图1(b)深锥型干扰沉降分级机的主机体外形近似于漏斗状，上部为深锥体(上圆直径400.00 mm,下圆直径100.00 mm，圆锥体高度259.80 mm),下部为圆柱体(直径100.00 mm)，入料从机体的中部入料井给入，粗颗粒从底部排料口排出，细颗粒从上部溢流槽以溢流排出。

图1　水力分级系统及深锥形分级机

1.3　实验方法

市场分级设备对粗煤泥分级粒度区间较为宽泛，为更加精确评判此设备对物料适应范围，考虑物料中粗细颗粒共存实际因素，以及煤泥中细粒煤泥化现象造成的极大干扰，本次实验是基于表2数据设定宽粒级、窄粒级混合入料的分级实验。宽粒级包括：A1级配，0.125～0.074 mm和1.0～0.5 mm；B1级配，0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm；C1级配，0.125～0.074 mm和0.5～0.25 mm。窄粒级混合入料包括：A2级配，0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm；B2级配，0.25～0.125 mm和0.5～0.25 mm；C2级配，0.5～0.25 mm和1.0～0.5 mm。

1.4　评价指标

实验结果采用分级效率进行评价，计算公式见式(1)～(3)。

η=Ec+Ef-100%

(1)

(2)

(3)

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，%；ru为底流产物产率，%；uc为底流产物粗粒物含量(占本级)，%；Fc，r为计算入料中粗粒物含量，%；Ff，r为入料中细粒物含量，%；uf为底流产物中细粒物含量(占本级)，%。

2　结果与讨论

2.1　顶水给入形式的影响

实验考察在顶水给入量为0.01 m3/s，给料速度为0.50 m/s，矿浆浓度为40%时，3种顶水形式对不同级配试样分级效率η的影响，结果见图2。

图2　不同顶水给入形式对分级效率影响

图2表明，底部顶水+中部顶水的给水方式下细粒煤的分级效率在整体上均优于单独的底部给水或中部给水；因为控制从不同位置分别给水，可使得细粒间的团聚和粗细颗粒之间的夹杂明显减少，从而提高分级效率。同时，宽粒级混合入料(A1级配，B1级配，C1级配)的分级效率整体上要优于窄粒级混合入料(A2级配，B2级配，C2级配)的分级效率，平均分级效率提高约23%。分级效率的峰值出现在B1级配给料方式、谷值出现在A2级配给料方式，即0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm两个粒级的级配利于分级过程的进行，0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm两个粒级的级配不利于分级过程进行。分析原因如下：粒级级配中细颗粒的出现会在分级过程出现细泥效应，使得溢流和底流中出现了较多的错配，从而降低分级效率。

2.2　底部和中部给水量不同比值的影响

流量配比即为底部与中部给水量比值。控制顶水给入为底部和中部同时给水，顶水(底部+中部)流量总的大小限定为0.01 m3/s，底部和中部给水流量的比值分别为1∶1、2∶1、1∶2，在给料速度为0.50 m/s，矿浆浓度为40%，不同比值的底部和中部给水的流量大小对分级效率η的影响见图3。

图3　底部和中部流量配比对分级效率影响

图3反映出在控制总的顶水流量前提下，底部和中部水流量不同配比对分级效率影响不大；宽粒级混合入料分级效率整体上同样优于窄粒级混合入料的分级效率；且宽粒级混合入料之间的分级效率差别较大，其中以 A1级配( 0.125～0.074 mm和1.0～0.5 mm两个粒级混合)时因细泥效应的出现，分级效率较低，而B1级配和C1级配的入料方式进行时，分级效率较高，分别为60.26%和44.19%。

2.3　给料速度的影响

控制总的顶水给入量为0.01 m3/s(底部与中部为2∶1的流量配比)，在矿浆浓度为40%，给料速度分别为0.20 m/s、0.50 m/s、0.80 m/s和1.10 m/s时，分级效率η变化见图4。

图4表明，不同给料速度影响下，分级效率差别较大，最大值为65.02%，最小值为20.18%，给料速度取最小为0.20 m/s的分级效率最高，给料速度取最大1.10 m/s的分级效率最低。因为给料较慢可以保证煤泥颗粒在分级机内进行充分沉降，而给料速度较快，受到的上升水流的冲击力较大，一些颗粒还没有进行充分沉降就被溢流或底流带出，导致分级效率低下。在1.10 m/s速度下，不同混料方式的平均分级效率仅为27.12%。但实际生产过程中如果给料速度过低，则分级设备单位时间处理量降低，并不利于生产进行，以降低给料速度来提高分级效率的做法是不可取的。因此，权衡入料速度为0.50 m/s较合适。

2.4　给料矿浆浓度的影响

控制总的顶水给入量0.01 m3/s(底部与中部为2∶1的流量配比下)，在给料速度0.50 m/s，不同矿浆浓度为20%、40%和60%时对细粒煤分级效率η的影响结果见图5。

图4　不同给料速度对分级效率影响

图5　不同矿浆浓度对分级效率影响

图5表明，在给料速度一定时，较低的给料矿浆浓度因减少细颗粒之间的团聚和粗细粒之间的夹杂概率，利于充分分级。对不同混料方式的影响，矿浆浓度为20%和40%时，宽粒级混料的分级效率整体上优于窄粒级混料，而当给料矿浆浓度为60%时，宽粒级混料的分级效率和窄粒级混料的分级效率差别不大，但分级效率较低，分级效率均值仅为25.82%。分析原因如下：在一定的颗粒组成下，颗粒的干扰沉降速度随着入料浓度的增加而减小(入料浓度大，流体的粘滞性增强，介质阻力增大，颗粒的干扰沉降速度下降)，导致了较多的颗粒的进入到溢流中，粗颗粒的错配量增加，此时分级效率低下。因此，权衡适宜的给料矿浆浓度为40%，但受其他影响因素较明显。

3　结　论

基于新型深锥形干扰沉降分级机，通过对顶水给入形式、底部中部顶水给入配比、给料速度以及给料浓度4个单因素对不同混合粒级细粒煤分级实验研究，得出如下主要结论。

1) 不同影响因素下，宽粒级入料的分级效率整体上优于窄粒级入料的分级效率。宽粒级对比中B1级配(即0.25～0.125 mm和1.0～0.5 mm两个粒级)分级效率最高，分级效率接近65%，较A1级配、C1级配对应分级效率差别不大；窄粒级对比中A2级配(即0.125～0.074 mm和0.25～0.125 mm两个粒级)分级效率最高，分级效率接近30%，较B2级配、C2级配对应分级效率差别较显著。

2) 新型深锥形干扰沉降分级机采用底部中部顶水方式，在较低的给料速度及给料浓度条件下更有利于细粒煤的分级，但过低的给料速度和给料浓度会极大降低实际生产过程的处理量，因此,选取给料速度0.50 m/s、给料浓度40%较为合适。

3) 本文基于深锥形干扰沉降分级机的细粒煤分级系统的实验研究有助于提高选煤厂粗煤泥分选精度，减少“底流夹细、溢流跑粗”现象发生概率。

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