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無壓給料三產品重介質旋流器內物料切向速度的簡要分析和對策
      發布時間:2011-06-21

摘要:對無壓給料三產品重介質旋流器內物料切向速度可能滯后于重懸浮液切向速度進行了分析,找出了精煤帶矸的根本原因,采取行之有效的對策,保證了精煤質量穩定。
關鍵詞:物料切向速度;精煤帶矸;無壓給料;三產品重介質旋流器
       以唐山國華科技有限公司研制開發的具有原創性自主知識產權的國際領先水平的3GDMC系列無壓給料三產品重介質旋流器為代表的重介質選煤技術近年來得到突飛猛進的發展,大面積的推廣應用已成為我國由選煤大國邁向選煤強國的主要標志之一。如何在提高重介質旋流器數量效率、盡可能減少煤炭資源損失的同時,保證精煤質量的穩定、杜絕污染是人們格外關注的問題。
本文就此對重介質旋流器內分選礦粒的切向速度作簡要分析,采取有效對策,徹底解決了精煤污染問題。
1 旋流器內物料的切向速度
       無壓給料三產品重介質旋流器結構示意見圖1。其工作原理是:入選原料煤從第一段圓柱型旋流器的頂端中心管給入,合格重懸浮液由介質泵加壓后從該旋流器下部切線給入,被選物料在離心力場和密度場的作用下,輕產物伴隨一部分密度較低的重懸浮液通過內旋流從旋流器下端中心管排出,成為精煤;重產物與部分密度較高的重懸浮液通過外旋流沿旋流器內壁向上,進入第二段圓柱—圓錐型旋流器,分選出中煤和矸石。 




                                                     圖1  無壓給料三產品重介質旋流器結構示意圖
       物料在重介質旋流器中的分選過程,主要取決于旋流器內離心力場和密度場,由二者共同作用來決定它們的運動方向,即是成為重產物還是成為輕產物??赏ㄟ^對被選物料受力情況來分析它們在旋流器中的徑向運動趨勢,礦粒在旋轉流動的密度場中受到的作用力,主要是離心力和重力,而離心力要比重力大幾十倍甚至上百倍,因此,在分析過程中可忽略重力的影響。
這樣,當被選礦粒(將其視為質點)質量為m,密度為δ,在旋轉半徑為R處的切向速度為V時,作用于顆粒的離心力F1為:
  …………(1)
在該處密度為?的同體積重懸浮液,施加給礦粒的向心拖力F2為:
 …………(2)
礦粒所受的合力F為:
 …………(3)
       上式表明,當δ>?時,F為正值,物料被甩向外旋流成為重產物;當δ<?時,F為負值,物料被甩向內旋流成為輕產物。
       在傳統的專業書刊上,經常引用這個經典的表達式,來解釋重介質旋流器的分選原理。但在該式中將礦粒切向速度V1和重懸浮液的切向速度V2理想地視為等值。筆者認為鑒于在實際的固液二相旋轉流中,是由液相帶動固相運動的,所以二者的切向速度是不可能完全相等的。即礦粒的切向速度V1不同程度地小于重懸浮液的切向速度V2,因此根據(1)、(2)式,礦粒所受到的合力F可改寫為:
 …………(4)
設 ,將其代入(4)式中,則:
 …………(5)
設重懸浮液臨界密度

…………(6)
(6)式代入(5)式得:
 …………(7)
      
上式說明只有當V1=V2時, ,礦粒才按重懸浮液密度?進行分選。當某一礦粒的切向速度滯后于液流速度時,即V1< V2,則?/>?,那么其就按高于重懸浮液密度?進行分選。當該礦粒的δ<?/時,F為負值,則它受到一個指向軸心的合力,于是穿過內外旋流的分界面,進入內旋流。這就是在生產中造成不應屬于精煤的重產物顆?;烊胍l精煤污染問題。
       由式(6)可繪制出 比值與 比值的關系曲線(見圖2)。由此圖可知,隨礦粒的切向速度減小,臨界密度急劇增大,例如當礦粒的切向速度是重懸浮液的切向速度70%時,其對應的臨界密度將是重懸浮液密度的2倍。


                                               圖2  臨界密度比值和礦粒切向速度比值的關系曲線
       當密度為δ的礦粒滯后于重懸浮液的切向速度多少時,作用它本身的合力F會變為負值,即改變徑向方向,趨于內旋流,而混入精煤中?可由(7)式的臨界條件進行計算,
時, 。
 …………(8)
       由(8)式,計算出重懸浮液?=1.40kg/L時,礦粒臨界切向速度V1與重懸浮液的切向速度V2的百分比值見表1。由該表可看出當某一密度級的顆粒雖然其δ>?,但因為小于這臨界百分比值,就有可能改變其運動方向,進入輕產物中,從而污染精煤。
                               表1  在重懸浮液?=1.40kg/L時的礦粒臨界切向速度百分比值

礦粒密度 kg/L
1.45
1.50
1.55
1.60
1.65
1.70
臨界百分比值V1/V2×100  %
98.26
96.61
95.04
93.54
92.11
90.75
礦粒密度 kg/L
1.75
1.80
1.85
1.90
1.95
2.00
臨界百分比值V1/V2×100  %
89.44
88.19
86.99
85.84
84.73
83.67
2 解決精煤帶矸的有效措施
      
無壓給料三產品重介質旋流器投產使用初期曾出現過精煤中混有少量的矸石顆粒(俗稱精煤帶矸),從上節的簡析可以知曉這是由于某些高密度礦粒,切向速度小于重懸浮液切向速度所造成的?,F分析其產生的原因并介紹予以解決的有效對策。
2.1 解決原料煤結團現象
       當選煤廠的原料煤因其外在水分高,煤泥量大且含有粘土類礦物雜質多時就會產生原料煤結團情況,或者北方氣候嚴寒而凍結成團。由于被分選物料在旋流器內停留時間極為短暫,結團的煤炭松散開需要一定的時間(或來不及松散),某些高密度礦粒,沒有從旋轉的重懸浮液里獲得同步的切向速度,以致影響了精煤質量。
       一些選煤廠為了解決這種不利于分選的現象,設置了一臺潤濕用刮板輸送機,引入少部分合格重懸浮液,將原料煤充分潤濕,松散開后再進入重介質旋流器分選。
2.2 提高入料的切向速度
       原料煤沿軸向依靠自重無壓進入旋流器,在此時它們的切向速度為零,而后隨著徑向位移,旋轉的重懸浮液液流帶動物料同步運動,其切向速度才得以增大。
為了使物料盡快達到其切向速度,在旋流器入料口切向給入部分合格重懸浮液,其方向與旋流器內的液流方向一致,從而促進入料既同向又同步旋轉。
2.3 設置布料錐
       筆者在臨渙選煤廠發現3GDMC1200/850A型重介質旋流器在少部分合格重懸浮液改為切向進入旋流器給料管后,在其中間形成一個與旋流器內部相互貫通的空心柱,部分被選物料(含矸石)通過中心空氣柱仍以極小的(甚至為零的)切向速度進入旋流器內部,因此仍然會產生精煤帶矸現象。
       筆者結合現場的給料管實際高差,經反復試驗,成功地研制出物料分配加速裝置。其工作原理是部分合格重懸浮液切線方向進入后,在給料管內壁與該裝置之間形成一個全充滿的旋轉液流環。原料煤給入時,由分配加速裝置的布料錐將其均勻地分散到周邊旋轉的液流中,使全部顆粒得到加速。該裝置屬無動力部件,僅對物料的走向加以引導,礦粒被加速的真正動力仍來源于切向有壓給入的合格重懸浮液,所以它的流量與速度至關重要,將直接影響物料被加速的程度。
3 影響精煤帶矸的主要工作參數
       重介質旋流器主要的可調工作參數——工作壓力(即合格重懸浮液給入壓力)和處理量的大小直接影響精煤是否帶矸。
3.1 工作壓力
       重懸浮液和礦粒的切向速度V的大小直接與工作壓力有關,可由下式表示:
m/s …………(9)
式中:
μ——流量系數;
g——重力加速度,m/s2;
H——工作壓力,m水柱。
       工作壓力不但要保證第一段圓柱型旋流器內合適的礦粒切向速度,而且也要保證第二段圓柱—圓錐型旋流器內中煤與矸石分離所需要的切向速度。工作壓力過高會使旋流器內中心空心柱增大,并形成極不穩定、極不勻稱的氣液界面,同樣會使分選效果變壞。所以工作壓力的選取和調整對精煤是否帶矸也很關鍵。
3.2 處理量
       根據臨渙選煤廠的煤質情況和生產實踐,3GDMC1200/850A型重介質旋流器處理量大于360t/h時,就會出現精煤污染現象,并且精煤帶矸程度隨處理量的增大而加劇。原因在于:有壓給入的合格重懸浮液所具有的動能在工藝條件不變的前提下是個常數,它所帶動的物料旋轉速度隨著處理量的增加而降低,當處理量過大時,將使顆粒的切向速度大幅下降,從而會引發精煤帶矸現象的發生。
       原料煤中的煤泥量多少決定了重介質懸浮液的粘滯阻力,它對礦粒運動起到了干擾作用,尤其是對<1mm的顆粒影響極大,顆粒的切向速度隨著煤泥濃度的增高而急劇減小,可用經驗式表示:
 …………(10)
式中:
VH——顆粒干擾狀態切向速度;
V ——顆粒自由狀態切向速度;
λ ——固體體積百分數(容積濃度);
n ——干擾指數。
       對選煤廠而言,確定合理的處理量,不但要參照重介質旋流器的設計值,更要考慮到煤泥量的多少。需要指出的是煤泥量不但影響旋流器分選效果,而且也影響脫介和煤泥水處理工作的好壞。
4 結語
       無壓給料三產品重介質旋流器在簡化傳統的選煤工藝、減少次生煤泥量、提高分選效果、方便管理、節省基建投資和生產費用等方面具有無可比擬的優勢,通過對礦粒在旋流器內的切向速度可能滯后的原因分析,有針對性地采取了行之有效的措施,徹底解決了精煤帶矸問題,這對于大型、簡化、高效重介質旋流器選煤工藝的普及和推廣具有重要意義。
 
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