李吉輝，霍亞洋，葉貴川，楊 烽，楊 帥，田明坤，馬力強(qiáng)

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

我國煉焦煤選煤廠多采用重選與浮選相結(jié)合的工藝，隨著重選設(shè)備的大型化，-1mm的煤泥得不到有效的分選，同時(shí)浮選工藝對+0.25mm煤泥的分選效果較差，提高1～0.25mm粗煤泥的分選效果對完善我國煤炭分選工藝具有重要意義。選煤廠常用的粗煤泥分選設(shè)備主要有煤泥重介旋流器、TBS干擾床、水介質(zhì)旋流器和螺旋分選機(jī)等。相對于其他粗煤泥分選設(shè)備，螺旋分選機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、分選效率高、無噪音、無轉(zhuǎn)動部件、無動力、維修費(fèi)用極少及使用期限較長等優(yōu)點(diǎn)[1-6]，在澳大利亞、南非等國用于精選0.076～3mm粉煤[7-9]。螺旋分選級依靠自身流膜特性，在離心力場和重力場共同的作用下進(jìn)行高效分選。我國在20世紀(jì)80年代將螺旋分選機(jī)應(yīng)用于煤炭分選，先后研制出XL系列、SML系列、ZK-LX系列螺旋分選機(jī)以及振動螺旋干法分選機(jī)，多用于動力煤選煤廠和可選性較好的煉焦煤選煤廠[10-16]。

螺旋分選機(jī)具有較久的歷史，但相關(guān)理論研究在最近30年才日漸完善。在螺旋槽中，水流具有螺旋運(yùn)動和斷面環(huán)流兩種運(yùn)動方式，構(gòu)成了一個(gè)三維空間的復(fù)合螺旋線運(yùn)動。在分選時(shí)，螺旋運(yùn)動不但可以輸送、分散和分層礦物，而且是斷面環(huán)流產(chǎn)生的主要原因。斷面環(huán)流可以加速礦物的徑向分帶，提高分選效率和降低精礦灰分[9，17-23]。目前國內(nèi)外對螺旋分選機(jī)的水流厚度研究較少，本文在傳統(tǒng)煤用螺旋分選機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了三個(gè)距徑比分別為0.40、0.37和0.34的螺旋分選機(jī)，并通過自制的厚度測定裝置，考察這三個(gè)距徑比下螺旋分選機(jī)的流膜厚度和分選效果，為薄流膜分選機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。

1 螺旋分選系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣為山西寺河礦粗煤泥入料，煤種為無煙煤。煤樣粒度和密度分析結(jié)果見表1、表2。原煤灰分在21.84%，是低灰的粗煤泥入料。煤樣粒度主要分布在1.5～0.5mm之間，占92.24%，其中1.0～0.71mm占比最多，為37.24%。煤樣的密度主要分布在1.4～1.5g/cm3，根據(jù)煤樣可選性曲線(圖1)得到設(shè)定精煤灰分為10%時(shí)，精煤產(chǎn)率為82%，理論分選密度為1.7g/cm3，可選行為易選。

表1 煤樣粒度分析

表2 煤樣密度分析

圖1 可選性曲線

1.2 分選試驗(yàn)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)煤用螺旋分選機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工了距徑比分別為0.40、0.37和0.34 的三臺直徑650mm橫向傾角15°的5圈螺旋分選機(jī)，分選試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 分選實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 流膜厚度測試

流膜厚度測量裝置主要由徑向橫梁、螺紋桿和支撐梁組成(如圖3所示)。在螺旋分選機(jī)支撐梁上固定徑向橫梁，沿橫梁水平方向等距設(shè)18個(gè)豎直螺紋孔，分別安裝螺紋桿，靠近內(nèi)緣的螺紋桿起固定位置的作用。測量時(shí)，旋轉(zhuǎn)調(diào)整其他17根螺紋桿高度使下端與流膜上液面相切，測得流膜液面距離槽底的豎直高度以計(jì)算流膜厚度。流膜厚度測試原理如圖4所示，H為螺旋分選機(jī)中某一半徑處液面和槽底之間的豎直高度，h為該半徑處的流膜厚度，β為該半徑處的橫向傾角，用H和β余弦值的積近似表征h。

圖3 流膜厚度測量示意圖

圖4 流膜厚度測試原理圖

本文測定步驟如下：將40kg清水加入攪拌桶，用渣漿泵將水輸送到螺旋分選機(jī)入料口，使水流平鋪在槽面上，然后調(diào)節(jié)變頻器使液流的流量穩(wěn)定在2.0m3/h左右，在螺旋分選機(jī)的每一圈(共五圈)多次測量流膜厚度，通過游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確讀數(shù)，取平均值進(jìn)行計(jì)算。

1.4 分選實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行分選實(shí)驗(yàn)時(shí)，在混料桶中加入30kg水和10kg的煤樣，充分?jǐn)嚢杌靹蚝?，用渣漿泵將礦漿輸送到螺旋分選機(jī)入料口，使礦漿平鋪在槽面上，然后調(diào)節(jié)變頻器使礦漿的流量為2.0m3/h左右，待礦漿穩(wěn)定后，通過螺旋分選機(jī)底部4個(gè)徑向分布的取樣管收集樣品，對產(chǎn)品進(jìn)行過濾、干燥和化驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流膜厚度沿螺旋線方向的分布特征

對螺旋分選機(jī)流膜厚度測定結(jié)果如圖5—圖7所示。

圖5 距徑比為0.40的螺旋分選機(jī)流膜厚度變化

圖6 距徑比為0.37的螺旋分選機(jī)流膜厚度變化

圖7 距徑比為0.34的螺旋分選機(jī)流膜厚度變化

由圖5可知，在一定流量條件下，流膜厚度隨著螺旋分選機(jī)距離軸心的半徑增加而增加，在臨近槽的外邊緣時(shí)，流膜厚度從最高值迅速降低。流膜厚度在半徑為160mm(約二分之一槽體半徑)前較小且?guī)缀醪蛔?，?dāng)半徑大于180mm，流膜厚度增加明顯。這是由于受到離心力和重力的共同作用，運(yùn)動初始，槽面的上層流體不斷向外緣運(yùn)動，造成液面堆積；而在外緣處，流體勢能累積得到釋放，轉(zhuǎn)換為切線方向動能，流膜變薄。對于內(nèi)緣，五圈的流膜厚度變化不大，對于外緣，前兩圈的流膜厚度明顯增加，至第三圈后流膜厚度分布基本保持不變，此時(shí)流體基本保持受力的平衡狀態(tài)，流態(tài)基本穩(wěn)定。

2.2 距徑比對流膜厚度分布的影響

對比三個(gè)距徑比螺旋分選機(jī)流膜厚度分布(圖5—圖7)發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)緣時(shí)，0.34距徑比的螺旋分選機(jī)流膜厚度最大，其分布更符合薄流膜分選的期望，因?yàn)檩^厚的內(nèi)緣流膜可以促進(jìn)高密度顆粒在內(nèi)緣的積聚。而對于0.37和0.40距徑比螺旋分選機(jī)，在相同半徑處，內(nèi)緣流膜厚度逐漸降低。對于外緣流膜厚度，0.40距徑比的螺旋分選機(jī)最大，隨著距徑比降低依次減小。

由此，可以推斷，對于易選物料，可以采用較大的距徑比，實(shí)現(xiàn)更多精煤在外緣的富集；對于分選密度附近含量較高的難選物料，可以采用較小的距徑比，增加內(nèi)緣流膜厚度，以促進(jìn)中高密度顆粒向內(nèi)緣的運(yùn)動與分離。

對于不同距徑比，前兩圈的流膜厚度均不穩(wěn)定，后三圈的流膜厚度分布基本保持不變，說明隨著流體沿螺旋線方向運(yùn)動的進(jìn)行，流體受力逐漸平衡，流膜厚度分布也趨于保持穩(wěn)定。

2.3 距徑比對粗煤泥分選效果的影響

由三臺不同距徑比的螺旋分選機(jī)對煤樣進(jìn)行分選試驗(yàn)，結(jié)果見表3?？梢缘贸?，采用螺旋分選機(jī)進(jìn)行以1.50～0.5mm粒級為主的粗煤泥分選時(shí)，分選完成時(shí)物料主要集中在外槽，即3、4號取樣點(diǎn)位置，說明圖4—圖6得到的流膜厚度分布規(guī)律符合實(shí)際分選結(jié)果。其中低密度顆粒集中在外緣，精煤產(chǎn)率高，富集效果較好；而高密度顆粒集中在內(nèi)槽，尾礦灰分高，排矸效果好。這是因?yàn)榈兔芏阮w粒所受的重力比高密度顆粒小，易浮在流膜上層，受到離心力、重力和水流作用力的合力朝向外緣；而高密度顆粒沉在下層，受到的離心力、重力、摩擦力和水流作用力的合力朝向內(nèi)緣，因此同時(shí)產(chǎn)生了縱向分層和橫向分離運(yùn)動。對比不同距徑比螺旋分選機(jī)的分選數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)精煤灰分在低于10%時(shí)，距徑比為0.40的分選機(jī)精煤產(chǎn)率高，同時(shí)尾煤灰分也高，精煤富集和排矸效果比其他兩臺分選機(jī)要好。說明對于此易選粗煤泥樣品，相對大的螺距對分選有利。

表3 不同距徑比螺旋分選機(jī)分選試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié) 論

1)在一定流量條件下，流膜厚度隨距離螺旋分選機(jī)軸心的半徑增加而增加，但在小于半徑的二分之一的內(nèi)緣，流膜厚度變化不大；從半徑的二分之一位置起，流膜厚度迅速增加，在臨近槽的外邊緣時(shí)流膜厚度達(dá)到最大值。

2)內(nèi)緣流膜厚度隨距徑比的降低而逐漸增加，外緣流膜厚度隨距徑比的升高而增加。對于1.50～0.50mm易選粗煤泥，距徑比為0.40的螺旋分選機(jī)分選效果優(yōu)于距徑比為0.37和0.34。由此推斷，對于易選物料，可以采用較大的距徑比，實(shí)現(xiàn)更多精煤在外緣的富集，對于分選密度附近含量較高的難選物料，應(yīng)采用較小的距徑比，以增加內(nèi)緣流膜厚度，以促進(jìn)中高密度顆粒向內(nèi)緣的運(yùn)動與分離。