重介质旋流器分选原理及影响因素分析

重介质旋流器分选原理及影响因素分析

重介质选煤法具有评价精度高、适应性强、易自动控制等优点。是选煤工业发展的首选技术。重介质旋转器选煤技术是目前重力选择方法中效率最高的一种。重介质旋流器是一种利用磁铁矿粉作介质,通过离心力场强化矿粒在重介质中分选的设备,该设备本身无运动部件、分选精度高、处理量大、产品质量稳定,能够精确分选密度差值小的难选、极难选原煤。从目前的选煤设备应用情况来看,重介质旋流器在选煤生产中的应用已经越来越普遍。在总结重介质旋流器分选原理及理论研究的基础上,分析了影响该设备分选效果的因素,为提高其分选效果提供一定的理论借鉴。1重介质旋流器的分类原理和理论研究1.1物料的分散性和横向合力重介旋流器工作时,物料沿切线给料口进入筒体,在重介旋流器内作回转运动,形成强大的旋流。其中一股沿重介质旋流器内壁形成向下的外螺旋流,另一股围绕重介质旋流器轴心形成向上的内螺旋流,在轴心处形成负压,实为空气柱(图1)。由于离心力的作用,高密度的物料被甩向内壁,并随部分悬浮液向下做螺旋运动,最后从底流口排出;低密度物料集中在锥体中心,随内螺旋上升经溢流管排出。重介质旋流器中物料的分选遵循阿基米德原理,物料的分选是在离心力和向心浮力的共同作用下实现的。在重介质旋流器中,固体颗粒所受到的径向合力F=V(δ-Δ)v2rF=V(δ−Δ)v2r,(1)式中:V为颗粒的体积,m3;δ为颗粒的密度,kg/m3;Δ为悬浮液的密度,kg/m3;v为颗粒旋转时的切线速度,m/s;r为旋转半径,m。由式(1)可知,固体颗粒是指向圆心沿内螺旋上升还是背离圆心沿外螺旋下降主要取决于δ与Δ的差值。当δ>Δ时,F为正值,颗粒被甩向外螺旋流;当δ<Δ时,F为负值,颗粒被甩向内螺旋流。1.2重介质旋流器处理量大的原因式(1)中的v2rv2r为离心加速度,离心加速度与重力加速度之比即离心系数(c=v2rg)(c=v2rg),也就是重力加速度的倍数。实践证明,一般重介质旋流器的c值在30以上,这样可以加快物料的分选过程,也是重介质旋流器处理量大的原因。从上述分析可以看出,式(1)所描述的是理想化的单颗粒在均匀介质(如有机溶液)中的运动情况,而重介质旋流器内的悬浮液是由不同粒度和密度的煤、磁铁矿粉和水组成,密度大于1g/cm3。在离心力场的作用下,由于磁铁矿粉的沉降作用,重介悬浮液沿重介质旋流器的径向逐渐分层,重介质的浓度由上至下、由内至外逐渐增高,重介悬浮液的密度也发生同样的变化。固体颗粒在这个密度场中遵循阿基米德原理,按密度分开,低密度颗粒进入内螺旋流并由溢流管排出,成为精煤产品;高密度颗粒进入外螺旋流并由底流口排出,成为高灰产品(对于三产品重介质旋流器来说,这部分物料随浓缩悬浮液切线进入二段旋流器再选,利用余压分选出合格的中煤和矸石)。2影响重介质旋流器分段效果的因素通过对重介质旋流器分选原理及过程的分析可以看出,影响重介质旋流器分选效果的因数较多。根据分选过程的影响因素是否可调,可将影响重介质旋流器分选效果的因素分为两大类:由工艺实际条件及设备本身所决定的、在生产中不易变动的因素,如重介质旋流器的结构参数(主要包括重介质旋流器直径、锥比、底流口的尺寸、中心溢流管直径和长度);一定程度上可调节的因素,如重介质旋流器的工艺参数(主要包括重介悬浮液的特性、入料压力、入料固液比)。2.1旋转混音器的结构参数2.1.1旋流器直径和规格的概念直径是重介质旋流器最为基础和重要的结构参数,它决定了重介质旋流器的其他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。重介质旋流器直径是决定处理能力的主要参数,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。国内生产的重介旋流器的处理能力基本满足式(2)关系:Q=KD2,(2)式中:Q为重介质旋流器干物料处理能力,t/h;K为与给料方式有关的常数,直接给料时K=150,旋转给料时K=280;D为重介质旋流器直径,m。国内一般以重介质旋流器直径标定旋流器规格,工艺设计应根据原煤处理量、原煤性质和对产品的要求综合考虑设备的选型。重介质旋流器直径过大,会使小粒度物料的离心系数降低,不利于小粒度物料的分选,而直径过小则会使入料上限受到限制。2.1.2旋流器的浓缩效果重介质旋流器底流口直径与溢流口直径之比为锥比,锥比的大小与设备的直径、入料性质、介质性质等因素有关。对于三产品重介质旋流器来说,大锥比会降低二段旋流器的浓缩效果,从而降低实际分选密度;反之,小锥比会加强二段浓缩效果,提高二段分选密度。实践中锥比的调节是靠改变底流口直径来实现的,通过改变底流口直径可解决中煤带矸石或矸石夹中煤的问题。2.1.3底流口的比例重介质旋流器底流口尺寸大小对分选效率和产品质量也有较大影响,底流口直径与入料中重产物(矸石或中煤)的比例有关。实践证明,缩小底流口可使实际分选密度增大,但底流口过小会使矿粒在底流口挤压,恶化分选效果,严重时会堵塞底流口。一般成品重介质旋流器会同时配有多个底流口用于运行调试,从而选择最佳底流口。2.1.4溢流口直径和长度重介质旋流器中心溢流管直径和长度对产品质量和产量的影响很大,通过调整其参数可获得不同质量的产品,同时又要求其有一定的范围。当溢流口直径增大时,可增大实际分选密度,但溢流口直径过大时会增加溢流量,使精煤产品质量降低;反之,精煤量会减少,但可提高精煤产品质量。一般情况下,溢流口直径为(0.30～0.40)D。当溢流管长度增长时,溢流管下端至锥体下部的距离缩短,使物料的实际分选密度增大,从而使精煤产品质量降低;反之,可提高精煤产品质量。2.2旋转混音器的工艺参数2.2.1介悬浮液稳定性分析重介质选煤所用重介悬浮液是一种固相和液相混合的不均质两相体,即由密度大的固体微粒(重介质)分散在水中构成。重介悬浮液的特性(主要包括密度、流变性及稳定性)对分选效果有显著影响,重介悬浮液密度决定物料分选的密度界限,直接影响产品质量;重介悬浮液的流变性(主要为粘度)与物料分离时所受的阻力有关,影响物料分选的精确性;重介悬浮液的稳定性即悬浮液在重介质旋流器中能否保持动态稳定的衡量,是悬浮液能否用于分选的重要指标,在很大程度上对主选设备的选型及工艺参数的选择起决定性的作用,也直接影响分选效果。在重介质选煤中,重介悬浮液的稳定性不仅指悬浮液维持自身密度不变的性质,还包括一个合适的粘度值,该粘度值通常是通过调节悬浮液中煤泥含量来实现的。在实际生产中,重介悬浮液的稳定是一个动态稳定的过程,涉及到悬浮液各组分构成、合格介质桶液位、补加水量、分流量等参数。一般是通过向合格介质桶添加高密度浓介质来调节悬浮液的密度,通过控制精煤弧形筛下循环悬浮液的分流量来调节悬浮液中的煤泥含量。为保证分选效果,循环悬浮液中的煤泥量应保持在适当范围内,而该范围的确定既受工艺设备和悬浮液中固体颗粒特性的影响,还取决于悬浮液密度大小。一般来说,在低密度分选条件下,悬浮液允许的煤泥含量较高,反之则应较低。目前,重介选煤厂所用的重介悬浮液主要成分为水和磁铁矿粉及煤泥,通过调节三者的比例,可以实现重介悬浮液密度的合理调节。采用磁铁矿粉作介质时,体积浓度为15%～35%,煤泥含量为15%～45%。2.2.2密度对质量的影响当重介质旋流器的结构参数一定时,重介质旋流器入料量与压头的关系可表示为Qi=Κ′√Η,(3)式中:Qi为重介质旋流器入料量;K′为计算系数;H为重介质旋流器入料压头。从式(3)可以看出,重介质旋流器入料量与入料压头的平方根成正比,因此对给定的重介质旋流器而言,适当提高入料压头就能提高设备处理能力。从原则上讲,重介质的入料压头应使重介质旋流器内产生足够的离心力,使密度高于分选密度的重颗粒进入底流。重介质旋流器入料压头增加时,重介悬浮液进料速度加快,旋流器内产生的离心力增大,在一定程度上可加速分选过程,提高分选效果,特别是对3～0.5mm粒级原煤的分选具有明显效果;反之,分选效果会降低。但随着入料压力进一步增加,悬浮液自身的浓缩作用加强,特别是介质粒度较粗时,重介质旋流器内密度分布更加不均匀,反而降低分选效果。因此,提高重介质旋流器的入料压头时,还应考虑悬浮液的稳定性是否能与其相适应,同时应该把重介质旋流器的入料压头控制在合理范围内。2.2.3影响煤质系统平衡的因素入料的固液比直接影响重介质旋流器的处理量和分选效果。入料的固液比增高时,重介质旋流器内物料层增厚,分层阻力加大,分层速度降低,错配物增加,分选效率降低;反之,分选效率升高。同时,入料量的变化也会引起煤介比的改变和悬浮液中煤泥含量的变化,从而影响悬浮液的性质,破坏介质系统的平衡,增加操作难度;另外,入料量的变化还会干扰重介质旋流器内已经形成的稳定分选床层,降低设备分选精度。3安装和调试重型介质旋流器3.1安装反流器重介质旋流器安装简单,一般出厂前已装配好,整体吊装即可。在安装布置过程中,不得敲击重介质旋流器,防止耐磨瓷块脱落。安装后应检查设备没有异常情况,进行清水加压试压,试验压力为额定工作压力的1.2倍,试压时间不少于15min。3.2重介质旋流器分设备的性能要在系统中体现。对于重介质旋流器分选加工系统来说,设备和系统功能的实现要靠工艺调试来完成。在系统既有工艺条件下,应充分考虑设备自身的技术性能,通过工艺环节和设备系统的调试,充分发挥重介质旋流器分选精度高、分选下限低、对煤质适应性强等优势,最终实现生产成本最低化、经济效益最大化的目标。基于此,重介选煤工艺调试首先要保证重介质旋流器的分选效果。重介质旋流器的分选效果直接影响着选煤厂产品质量。只有充分掌握重介旋流器的分选原理及其影响因素,在生产中才能做到对产品质量的控制。根据前文所述,影响重介质旋流器分选效果的因素分为两大类。在实际生产过程中,对于给定的重介质旋流器,其结构参数除中心溢流管直径与长度、底流口直径外,其他都是不易改变的。为了满足实际煤质变化的需要,在生产调试之前应该准备几种不同规格的溢流管和底流口。生产过程中,还应保持重介旋流器的入料稳定,包括入料压力、悬浮液密度及粘度、原煤入料量等