【委员风采】他成功地开发过重介质旋流器，所以他的观点我们很好奇
编者按
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本文作者杨建国系
中国矿业大学化工学院教授。
一、重介质旋流器选煤工艺的探讨
1、末煤重介工艺流程方案及其特点
1.1三产品全重介工艺流程
目前,三产品全重介分选工艺有两种形式,即两段两产品和一段三产品。两段两产品工艺在分选时可以方便地调节分选密度,缺点是需要两个重介系统,因而基建费用高,运行成本大;采用三产品重介旋流器分选虽然可以降低基建投资和运行成本,但调节中煤(洗混煤)的分选密度比较困难,在原煤含矸率变化较大的情况下尤其明显。在当今市场经济条件下,低成本、高自动化的三产品重介旋流器分选流程受到了选煤厂的青睐。
1.2两产品全重介工艺流程
两产品重介分选是重介分选工艺的基本形式。主要应用于中煤含量较少的原煤(如大同煤)及要求精煤灰分较高(如动力煤)的分选。因为各厂普遍存在中煤,所以两产品全重介分选工艺在实际生产中应用较少。
1.3跳汰粗精煤重介精选工艺流程
一般情况下,原煤可选性很好,分选密度控制在1。80kgL左右排矸时,采用跳汰方法即可实现高效分选。采用跳汰机进行预排矸,可以有效地降低矸石含量的波动对重介旋流器分选的影响,并减少重介选的入料量和旋流器的磨损;缺点是工艺流程较复杂,设备种类较多。但该工艺对于原煤含矸率较高、波动较大以及已有跳汰分选系统进行技术改造时,具有一定的优越性。
1.4跳汰中煤重介再选工艺流程
众所周知,排除大部分精煤和矸石后的跳汰中煤,其可选性都很差,采用重介分选方法可以明显地提高精煤回收率。采用这种流程的先决条件是主洗跳汰机必需能分选出一定量的合格精煤。和重介选流程一样,该流程目前主要用于已有跳汰系统的改造。
1.5两产品重介旋流器初选,重产物跳汰再选工艺流程
在两段两产品重介工艺中不难看出,当一段采用低密度回收精煤后,二段只是从数量明显较少的重产物中排除矸石获得质量要求不很苛刻的中煤。由于排矸时的可选性较好,采用跳汰工艺同样可以获得理想的产品和回收率。与全重介分选流程相比,该流程以少量增加(相当于矸石产率)重介入洗量为代价大幅度减少(相当于精煤产率)跳汰入洗量,具有明显的经济效益。尽管目前国内还很少采用这样的工艺流程,但其优越性是十分明显的。特别是当精煤产率超过65%的情况下尤其显著。
2、关于重介旋流器的直径问题
重介旋流器的直径是其重要参数之一,它对旋流器的处理能力、功率消耗、分选上下限以及分选精度都有决定性的影响。
入口压力是重介旋流器分选的原动力。为了达到相同的离心因数,大旋流器必须有较高的入口压力。在同等离心强度下,旋流器直径的加大,就意味着细颗粒在同等离心力的条件下需要克服比流体阻力运动更大的距离。因此,旋流器直径愈大,其有效分选下限必然要提高。
众所周知,由于流体运动阻力的差异,不同粒度物料的实际分选密度也存在着差异。入料粒度上限越大,分选粒度越宽,实际分选密度差异就越大,综合分选效果就越低。随着旋流器直径的增大,介质入口压力增高,必然导致能耗大幅度上升。从基建费用来看,处理量相同的单台大直径旋流器和多台中等直径旋流器的市场价格相近,安装空间相差无几。因此,我们有理由认为,采用400～800mm直径旋流器具有更好的技术经济效益。
目前,一些选煤厂采用大直径旋流器处理粗粒煤的同时,使用多台小直径旋流器或螺旋分选机处理细粒煤。而中梁山选煤厂采用四台φ400mm重介旋流器(总入洗能力200t/h),分选下限0.25mm,在轻产物稀介磁选尾矿中直接回收粗煤泥。两者比较起来,后者具有工艺简化、运行费用低的优点。
3、结语
(1)重介质选煤法是当前效率最高的选煤方法。经过多年的努力,我国重介选煤技术水平已有了很大提高。
(2)与块煤重介相比,重介旋流器的运行成本较高,单机处理能力低,因此,重介旋流器主要用于分选末煤。在一定条件下,也可以用于分选0.5～50mm的混合煤。
(3)不同的选煤工艺具有各自的优越性,能适合不同的原煤性质和产品质量的要求。易选煤采用跳汰选仍具有相当的优越性。不要以某种不变的重介选煤工艺分选模式,来应变不同的原煤性质和产品质量要求。
(4)在追求设备大型化的同时,必须全面考虑技术经济诸多因素的影响,权衡利弊,以达到最佳的技术经济效果。
二、重介旋流器结构参数对分选效果的影响
1、重介旋流器结构形式
从理论分析及实际生产情况看,要大幅度提高旋流器的单段分选精度是非常困难的。
图1为典型的重选分配曲线示意图,图中两个阴影部分分别为污染到轻产物中的高密度物料和损失到重产物中的低密度物料。在提高单段分选密度,即提高曲线斜率有限的情况下,设法进一步排除部分污染到轻产物中的高密度物料量,也是提高轻产物纯度的有效措施。
通过两段等密度分选,可实现更高的分选精度。在一个旋流器中实现两次分选,有两种工艺方案:一种是精煤精选,一种是尾煤扫选。尾煤扫选重在提高产率,精煤精选侧重提高精煤质量。目前,工业上使用的重介旋流器主要有圆筒型(无压给料)重介质旋流器和圆筒圆锥型(有压给料)重介质旋流器两种形式,均为尾煤扫选工艺。
从分配曲线上可以更清楚地分析,进行等密度精选,能起到提高超低灰无烟洁净煤质量的作用。
图2为典型的两段(三产品)重选分配曲线示意图,从图中曲线的形状看出,由于两段的分选密度差异较大,第一段的分选对第二段的分选影响较小。混入轻产物的高密度物料量并没有明显减少。因此,无论是先出重产物(先进行高密度分选)还是先出轻产物(即先进行低密度分选)都不能在不明显降低轻产物产率的前提下,提高轻产物的纯度。
当两段分选密度相近时,第一段的分选结果显著地影响第二段邻近密度物的含量,从而使折合到最初入料的分配曲线发生了变形。该变形与采用轻产物精选还是重产物扫选有着直接的关系。图3为两段等密度分选情况下的对轻产物进行精选的分配曲线形式,由图可以明显地看出,通过对粗选轻产物的等密度精选,可以在损失少量低密度物料的情况下,较大幅度地降低污染到轻产物中的高密度物料量,有效地提高了综合分选精度和轻产物的纯度。以密度接近于分选密度的物料为例,在一段分选时,有50%的概率进入轻产物,在二段分选时,这些物料又只有50%的概率进入最终轻产物,因此,最终只有25%的概率进入轻产物,依此类推。根据以上分析,确定采用轻产物精选方式构成两段分选的重介旋流器。
国际上采用轻产物精选的重介旋流器只有美国的Tri-Flo一种。该旋流器采用两个圆筒重介旋流器同轴串联而成;两段直径相等,分别使用两个不同密度的悬浮液,实现由低到高双密度分选。
2、圆筒重介旋流器结构参数研究
圆筒型旋流器的给料口直径和插入深度、旋流器各介质入口的形状和几何尺寸、旋流器两个重产物口的形状和几何尺寸、旋流器的中间联结管的直径和两端长度、旋流器轻产物口直径和插入深度,以及旋流器两段的长度等结构参数对旋流器的分选精度和实际分选密度有重要的影响。这里主要讨论圆筒型重介旋流器直径,介质入口截面积与流道形式,入料口和轻产物口直径,重产物口反压力与截面积,旋流器长度等主要结构参数对涡旋流态和分选效果的影响。
2.1圆筒重介旋流器的直径
旋流器的直径是旋流器最为基础和重要的结构参数。它决定了旋流器的其它结构参数和处理能力、入料上限、分选下限、分选精度等性能参数。
处理能力是决定旋流器直径的主要参数。就同一系列旋流器而言,其处理能力与直径的平方大致成正比。中国生产的重介旋流器的处理能力基本满足以下关系：
由流体力学分析可知,球形颗粒在悬浮液中的自由沉降末速为：
由此可见,随着颗粒粒度的减小,径向按密度分离的速度v0就越小。进一步的计算还表明,随着颗粒粒度的减小,达到沉降末速的时间也越长。因此,旋流器直径越大,则分选粒度下限越粗,分选精度越低。
本项研究中,第一段排出绝大部分重产物后,进入第二段的物料相对减小,可采用较小直径的重介旋流器;同时,在同等入口速度情况下,小直径重介旋流器具有更高的分选精度和相对较高的分选密度。大量理论与试验研究结果表明,适宜的直径比可有效地抵消一段重介旋流器对介质的浓缩作用,使得旋流器可以在两段入口压力相同或相近的情况下实现等密度分选。
2.2旋流器的介质入口截面积与流道形式
旋流器的介质入口截面积决定重介旋流器的悬浮液流速和流量,以及旋流器内组合螺旋涡的形态。而后者至今尚未见之于公开报道。清水试验结果表明,当旋流器的入口流速小于8m/s时,旋流器内空气柱呈现明显的圆台形,随着流速的增加,圆台两端的直径差逐渐减小;但是,当入口流速达到10m/s以上时,中心空气柱逐渐开始出现弯曲,到15m/s时,最大偏离点已接近旋流器的内壁。表征了稳定的组合螺旋涡已完全被破坏。考虑到悬浮液在旋流器中实际形成的异重流,可以在一定程度上对螺旋涡起到稳定作用,实际设计时流速通常选在8～12m/s范围内。实际分选条件优化试验也进一步证明了这一点。
除了旋流器的介质入口截面积外,旋流器介质入口的流道形式也对旋流器内介质流态有着显著的影响,并在一定程度上决定了旋流器的抗磨性能。国外学者曾对此作过一定的研究,并开发出渐开线等形式的入口流道,在一定程度上改善了旋流器的分选效果和抗磨性能。而目前国内市场的重介旋流器,基本上还是沿用最原始的切线入口流道方式。研究结果表明,介质入口流道的初始段主要影响悬浮液对流道的冲刷(冲蚀磨损)作用,而尾段则主要影响旋流器内螺旋涡的形态和紊流区域的大小。
悬浮液中颗粒对流道的冲蚀磨损作用与颗粒的冲角成正比,减小紊流是防止冲蚀的途径之一。在此基础上,使一部分外层细颗粒在离心力的作用下,以很小的角度逐渐沉积,形成保护层可以更进一步防止冲击。当保护层的厚度与冲击角成正比的时候,就使冲击磨损转化为滚动摩擦磨损。采用上述途径设计的分段过渡螺线流道,在实验室检测中能完全消除冲击效应,工业样机在实际运行40000h后,未出现明显的冲蚀坑。
2.3旋流器的入料口和轻产物口直径
圆筒形重介旋流器的入料口,在保证被选物料顺利进入的同时,还需要确保中心空气柱的畅通。本项研究首次采用锥斗预旋给料方式,使入料沿圆环断面进入旋流器保证了中心空气柱的畅通。
轻产物口(溢流口)直径决定了旋流器内空气柱的直径大小。就圆筒型无压给料旋流器而言,大直径旋流器需要有更大的空气柱,以便能给入更多的被选物料。德里生由试验得出旋流器内空气柱的半径可用下式表示：
溢流口半径与空气柱半径之差即为溢流层的厚度。在其它参数一定的情况下,该厚度直接影响内旋流的轴向运动速度和分选层厚度。
2.4旋流器的重产物口反压力与截面积
圆筒型旋流器的重产物口反压力决定了旋流器介质分配比例、实际分选密度与悬浮液密度之差、旋流器的排矸能力以及最大处理粒度等性能参数。半工业性试验研究结果表明,分选密度越接近于悬浮液密度,其分选精度就越高。
旋流器的重产物口反压力可以通过限制重产物口截面积和附加反压装置两种方式来实现。后者采用较大的截面积,因而,对入料的粒度上限和含矸率有更大的适应性。在一定程度上,可以认为,采用附加反压装置的旋流器重产物口的截面积实际上是没有严格限制的。
2.5圆筒重介旋流器的长度
圆筒旋流器的长度直接影响物料在旋流器中的分选时间。从示踪粒子在旋流器内的运动轨迹看,重颗粒在进入旋流器后立即沉向器壁而排出,轻颗粒则沿着中心空气柱表面向轻产物口滑行,只有中间密度物料才在沿旋流器长度方向较长的分选段内得到逐步分选。因此,旋流器的长度还决定于入料中临近分选密度物料的多少。较多的中间密度物料需要较长的旋流器进行有效分选。
圆筒重介旋流器的长度同时还影响旋流器内流场的稳定性和入口压力的大小。实验结果表明,重介旋流器的长度过大,一方面需要更高的入口压力来保持两端空气柱的直径比,另一方面,又使空气柱更容易产生弯曲。通常以直径的1.5到3倍为宜,入料粒度越粗,相对长度越短。
3、工业应用
在以上研究基础上设计的HMCC系列精选型圆筒重介质旋流器,应用于宁夏太西选煤厂超纯煤制备工艺系统,分选精度E值≤0.015,解决了±0.1含量大于90%极难选煤的分选难题,突破了物理选煤法的适用界限;旋流器实际无故障运行时间达10000h以上,提高了可靠性和经济性。
新型重介旋流器的研制,为超纯煤的生产和中煤的精选提供了高精度的核心设备,并在一定程度上解决了现有重介旋流器的磨损问题,使重介旋流器的有效使用寿命延长了一倍以上。
4、结论
1)通过两段等密度分选,可实现更高的分选精度。采用轻产物精选工艺,可以更好地确保轻产物的纯度。
2)圆筒型旋流器的给料口直径和插入深度、旋流器各介质入口的形状和几何尺寸、旋流器两个重产物口的形状和几何尺寸、旋流器的中间联结管的直径和两端长度、旋流器轻产物口直径和插入深度,以及旋流器两段的长度等结构参数对旋流器的分选精度和实际分选密度有显著影响。通过结构优化,明显地提高了旋流器的分选精度和抗磨性能。
3)采用研制的HMCC系列精选型圆筒重介质旋流器,工业分选精度E值≤0.015,可实现对±0.1含量大于90%的极难选煤的分选;旋流器实际无故障运行时间达10000h以上,提高了可靠性和经济性。
（编辑：齐曼）
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