选煤厂水力旋流器的应用及发展方向

・７２－　露天采矿技术　２０１４年第１２期　ＤＯＩ：１０．１３２３５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｃｍ．２０１４．１２．０２２　选煤厂水力旋流器的应用及发展方向　吕佳亮　（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳ｌ１００１５）　摘　要：介绍了水力旋流器的工作原理及影响其分离效果的因素，并简要介绍了水力旋流器在选　煤厂中的应用现状和存在的一些问题，指出了大直径的水力旋流器的研发和其在选煤厂中的应　用工艺、旋流器内衬耐磨材料等是今后的发展方向。　关键词：水力旋流器；工作原理；大直径；耐磨材料　中图分类号：ＴＤ９２３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７１—９８１６（２０１４）１２—００７２—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｃｙｅｌｏｎｅ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ　ＬＹＵ　Ｊｉａｌｉａｎｇ　（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｏｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔ＃ｕｗ，Ｃｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００１５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ　ａｎｄ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ，ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ．Ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｙｃｌｏｎｅ　ｌｉｎｅｒ　ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏａｌ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｃｙｃｌｏｎｅ；ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｌａｒｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ；ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｍａｔｅｒｉｌ　ａ水力旋流器是一种应用广泛的固液混合物的分　离设备，它可以完成固体颗粒的分级与分选、液体的　澄清、料浆的浓缩等作业。水力旋流器具备许多优　点，它结构简单、无运动部件、占地面积小、设备成本　低、效率高、处理量大、操作弹性大、运行和维护费用　低、动力消耗小、流程布置灵活、适于各种材料制作，　目前在选煤厂得到了广泛的应用，并取得了巨大的　经济和社会效益。　１水力旋流器的工作原理　图１　水力旋流器结构原理图　口　颗粒在旋流器内所受离心力Ｆ的计算公式如下Ｉｌ１：　ｔ，　Ｆ＝Ｋ　／－／ｄ３（８一Ａ）ｇ　（１）　选煤厂中水力旋流器突出的是分级、浓缩作用　是很突出的，水力旋流器的结构原理如图１。在一定　式中：Ｋ为系数；日为人料压力，ＭＰａ；Ｄ为旋流　器直径，ｍｍ；Ａ为矿浆密度，ｔｉｍ３；ｇ为重力加速度，　压力下，煤泥水是由切向入料口给入旋流器的，从而　形成一个回转流。在旋流器中心处，颗粒回转速度达　到最大，从而产生最大的离心力。向周围扩展运动的　煤泥水在中心轴附近形成低压带。空气从底流口吸　入，低压空气柱在中心轴处形成。　收稿日期：２０１４—０７—０７　ｃｍ／ｓ　；ｄ为颗粒当量直径，ｍｍ；６为颗粒密度，ｇ／ｃｍ３。　由公式（１）可知，作用于旋流器内颗粒的离心力　与其密度成正比，与颗粒粒度的立方成正比。所以在　颗粒的密度差别不大时，旋流器将按粒度分级。而进　人水力旋流器的物料粒度区间小，所以将以分级为　作者简介：吕佳亮（１９８７一），男，辽宁西丰人，工学硕士，　２０１２年毕业于中国矿业大学（北京）矿物加工工程专业。现　就职于中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司选煤所，主　要从事选煤厂设计工作。　主，加之旋流器自身的特点，物料还会有浓缩效果。　在旋流器内部，煤泥水同时进行回转运动和径向　运动，前者是切向的，后者是径向的，离旋流器中心较　近的煤泥水沿着轴的方向做向上运动，而外围的大部　墨善嘲　露天采矿技术　２０１４－ｆ－￣，１２期　・７３・　分向下运动。因此，煤泥水在旋流器内部进行的是三　维空间运动。煤泥水在轴向有一个零速点，它是方向　转变的，连接空间的各个点进而形成一个面，近似锥　形，称之为零速包络面。煤泥水中细小的颗粒进行离心　沉降的速度小，向心的液流推动细小颗粒进入零速包　络面，再由溢流管排出，煤泥水中粗的颗粒停留在零　速包络面外，是由于较大离心力的作用，最终通过底　流口排出。分离粒度大致由零速包络面的位置决定［２１。　２水力旋流器运行的影响因素　２．１　工艺参数　水力旋流器的工艺参数是影响其分级、浓缩效　果的重要因素，它包括入料压力、入料浓度、入料粒　度及粒度组成等【３］。　人料压力是指人料口到底流口之间沿径向的压　力降。压力降：　影响旋流器生产能力ｑ　和分离粒度　幽的主要因素。其关系式如下：　ｑ　：ａｐ！ｍ＝　．　．　（）（　）２　　０＝　：　ａｐ　（３）（）　式中：Ａｐ　为压力降，ＭＰａ。　由式（２）、式（３）可知，人料压力减小，分级粒度　增大，处理　：力降低，甚至发生旋流器不分级的情　况；入料压力增高时，矿浆流速增大，处理量增大，而　分级粒度降低。因此，当要求溢流粒度较粗时，可用　低压人料，反：艺，可采用高压力。但是采用高压力，将　加快入料泵、旋流器等设备的磨损。　入料浓度能影响旋流器的分离粒度及分离的完善　程度，并通过矿浆的密度和黏度来体现。其关系式如一Ｆ：　ｒ　０　５　１　０　５　ｌ　Ｊ　（４）　式中：Ｐ　为矿浆密度，ｋｇ／ｍ　；　为矿浆粘度，　Ｐａ・ｓ；８为矿粒密度，ｋｇ／ｍ　。　人料浓度增大，矿浆的密度和黏度增大，导致分离　粒度变粗，体现在溢流粒度变粗，并且溢流和底流的浓　度均提高，底流中的细粒级含量增大，分级效率下降。　生产实践中，水力旋流器的人料体积浓度一般不超过　４０％。所以，合适的入料浓度是旋流器正常工作的重要　条件，一般粗粒分级和浓缩作业的旋流器可采用高人　料浓度，细粒分级作业的的旋流器宜采用低入料浓度。　入料粒度是指人料中固体颗粒的粒度大小，通常　用某一粒级的含量表示；人料粒度组成是指人料中固　体物料的粒级同其含量分配的关系，通常用筛分试验　的结果或绘制成的粒度特性曲线来表示。当水力旋流　器的其他参数不变时，人料粒度粗则其分级粒度大，　溢流中的粗粒级含量高，底流浓度高，分级效率低。　２．２结构参数　筒体直径、入料口直径、溢流管直径及其插入深　度、底流口直径，锥角，筒体长度是水力旋流器主要　的结构参数。　水力旋流器的简体内径称之为直径，不仅影响　水力旋流器的生产能力，同时影响其分离粒度。一般　情况下，水力旋流器的直径越大，其生产能力和分离　粒度越大。当设计工程的生产能力和分离粒度粗时，　应选用大直径水力旋流器，生产能力小和分离粒度　细时，应选用小直径旋流器。　入料口常用的有圆形和长方形２种。应用最多　的是长方形，它有减少能量消耗和削弱紊流干扰的　作用，安装时务必将其长边同旋流器器壁相平行，其　尺寸常用等效直径表示。目前给料方式都是渐开线　或螺旋线等方式进料，这样可使给料矿浆比较平稳　和顺畅地进入旋流器，削弱紊流。　溢流管直径不仅影响水力旋流器的生产能力和　分离粒度，而且影响其分离效率、产物分配以及产物　浓度。溢流管越大，其生产能力和分离粒度则越大、　溢流产率越高和底流浓度增大、分离效率相应降低；　溢流管越小，则结果反之。溢流管的插入深度影响着　分离指标、分离粒度和分离效率。当插入深度过浅　时，会增加短路流量、分离时间缩短、溢流产物中粗　粒级的含量增加，分级效率降低；当插入深度过深　时，虽然分离时间延长，短路流量减小，但是分离后　的粗粒级产物会由椎体被导入溢流产物中，造成粗　粒级产物含量增加，从而分级效率降低。　底流口直径尽管在大多数的旋流器生产能力和　分离粒度计算式中没有体现出来，实际上它是对水力　旋流器分离指标的有重大影响的因素之一，随着底流　口直径的减小，底流浓度增大，甚至发生底流口堵塞　现象，同时溢流粒度变粗、溢流产率增大，分级效率下　降。当底流口增大时会有相反的结果。所以底流口的　大小是生产过程中必须加以严格控制的结构参数。　水力旋流器的锥角０通常指其椎体部分的夹　角，对于相同规格的旋流器，锥角越大其椎体越短，　物料的分离时间越短；锥角越小其椎体越长，物料分　离时间越长。有研究认为：　ｄｓｏ￣：　＜　＜１８０。）　（５）　露天采矿技术　２０１４年第１２期　・７４・　从式（５）可以看出，水力旋流器的分离粒度随锥　角的增大而增大。从工程设计和设备角度出发，将水　力旋流器按锥角大小分为了３类，见表１。　表１水力旋流器按锥角大小分类　类型锥角／（。）　主要用途　备注　长锥形　ｚ。　细釜　：　作最小锥角－　标准型　＝２０　一般物料的分级、浓缩和脱泥作业　短锥型　＞２０　粗粒物料的分级和选别作业　最大锥角１４０。　水力旋流器的简体长度主要影响其分离粒度和　分离效率。简体长度增大能使分离时间延长，分离粒　度减小以及分离效果提高，然而会使产量降低和能　耗增加；减小筒体长度时，结果相反。通常情况下，旋　流器的结构参数均已经标准化，主要体现在产品的　技术性能表中。只需要根据其设计的原始资料（设计　能力、物料性质、作业类型、分离粒度等）计算出所需　的旋流器的直径和台数，就可以从其系列产品技术　性能表中选择与其匹配的其他结构参数。　３水力旋流器的应用现状　３．１应用规模及规格　由于水力旋流器的各种优点，其在选煤厂分级、　浓缩作业中得到了广泛的应用。就国内的选煤厂而　言，目前几乎都有水力旋流器的身影。表２是选煤厂　水力旋流器常用的规格型号及技术参数［４１。　表２选煤厂常用水力旋流器的规格型号　型号　直径／ｍｍ人料压力，ＭＰａ处理能力，（１ｎ３・ｈ－一）分级粒度／ａｒｍ　３．２水力旋流器具体应用　在选煤厂，水力旋流器常被应用于分级与浓缩　作业中。浓缩作业实际上也是分级作业，只是分级注　重的是粒度的控制，而浓缩更加注重浓度的控制。　１）中矸磁尾回收过程中的浓缩作业。中矸磁尾　煤泥回收前的浓缩作用。现在国内选煤厂一般采用　高频筛或煤泥离心机对中矸磁尾粗煤泥进行回收，　但是它们对煤泥水的入料浓度都有特定要求，当人　料浓度低时，将大幅度降低其处理能力。通常情况　下，人料煤泥水进行预先浓缩采用水力旋流器，其底　流浓度通常可以达到４０％一６０％，能够很好的满足　高频筛或者是煤泥离心机的人料浓度要求，并且脱　除了相当一部分细泥，有利于低灰煤泥的回收。　２）粗煤泥选前的分级与浓缩作业。目前的选煤　工艺设计中，对粗煤泥的处理非常重视。可以回收的　粗煤泥来源一般是原煤脱泥筛下和精煤磁尾２个部　分。螺旋分选机、ｒＩＢＳ是粗煤泥分选常用的设备，严　格要求入料粒度和浓度，为保证人料浓度，设计选煤　厂时入料煤泥水进行预先分级浓缩采用水力旋流　器。煤泥水通过水力旋流器分级浓缩后，浓度和颗粒　粒度都可以很好满足粗煤泥分选设备的人料要求，　部分细泥也得到了脱除。粗煤泥分选前的分级浓缩　使人料浓度达到分选设备要求，细泥对分选效果的　影响减小，从而分选精度得到提高。　３）浮选人料的截粗作用。浮选是分选细粒煤泥　的一种有效方法，其要求粒度小于０．３　ｍｍ［　，以防粗　煤泥进入浮选环节，通常对煤泥水预先分级采用水　力旋流器，分级后的溢流浓度通常为４０—８０　ｇ・Ｌ～，　同时，溢流中大于０．３　ｍｍ的粗煤泥含量非常低，能　满足浮选的人料要求。所以对细粒煤进行浮选处理　时，一般预先分级处理采用水力旋流器。其溢流进人　浮选系统，粗煤泥含量大幅度减少，浮选跑煤的现象　也得到了降低。由于水力旋流器不仅分级效果理想，　而且工艺系统简单，现在我国大部分选煤厂都在浮　选环节前设置了水力旋流器的分级作业。　３．３存在的问题　虽然选煤厂广泛的应用水力旋流器，但是其使用　效果与现场的操作因素以及自身的结构特点等诸多因　素有关［６１。在生产中，水力旋流器常存在以下问题：　１）分级效果差，主要表现为底流中夹细多，溢流　中有粗颗粒物料，影响了后续作业的效果。可以通过　增大压力，增大底流口径等措施来解决。　２）浓缩效果差，主要表现在底流浓度低，不能满　足后续作业的要求。可以通过增大压力，减小底流口　等措施来解决。　３）旋流器内衬材料的耐磨性不好。由于旋流器　内压力非常大，属于一个高磨损的作业环节，所以旋　露天采矿技术　２０１４年第１２期　流器的耐磨性也是普遍存在的问题。　４水力旋流器的发展方向　・７５・　质，有着十分显著的环境效益。随着煤炭开采量的增　加，选煤的地位也会愈发重要，而水力旋流器这一高　效设备也会被更加广泛的应用，积极开发新型高效　的水力旋流器及耐磨材料具有重大的现实意义。　参考文献：　［１］彭荣任，丛桂芝，白守义，等．重介质旋流器选煤［Ｍ］．　北京：冶金工业出版社，１９９８．　１）大直径的水力旋流器具有处理量大、人料量　及入料压力稳定等优点，能避免水力旋流器组造成　的分配不均的问题，并且节省了占地面积。　２）普通直径的水力旋流器（直径Ｄ＜５００　ｍｍ）　在人料分配均匀性及运行稳定性等方面的研究，在　现有技术条件下能增大旋流器的处理能力，提高分　级、浓缩效果。　［２］谢广元，张明旭，边炳鑫．选矿学［Ｍ］．徐州：中国矿业　大学，２００１．　３）旋流器器壁在高速的固液混合物的冲蚀下，　必须具有很高的耐磨性，特别是旋流器导向筒、椎　体、底流口，所以旋流器耐磨材料的开发研究要考虑　到耐磨性，又要考虑到经济性。　５结语　［３］庞学诗．水力旋流器技术与应用［Ｍ］　匕京：中国石化　出版社，２０１１．　［４］威海市海王旋流器有限公司．产品宣传册［Ｇ］．威海：　海市海王旋流器有限公司．　［５］蔡璋．浮游选煤与选矿［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，　１９９１．　［６］赵淑红，张鹏，王凤其．大直径水力旋流器在炼焦煤选　选煤是洁净煤技术的基础，也是煤炭深加工和　煤厂的应用［Ｊ］．煤炭加工与综合利用，２０１２（４）：３８—４０．　【责任编辑：解连江】　洁净、高效利用的前提。通过选煤可以提高煤炭质　量，原煤经过洗选加工可以除去其中大部分矿物杂　（上接第７ｌ页）　在向全内排过渡期间，做好内排运输系统前期规划　尤为重要，通过在９煤底板搭桥连接内排土场，解决　了北帮４煤底板内排道路无法使用困难，通过沿非　工作帮排弃１２３０平盘至北帮４煤底板，盘活北帮内　排运输系统，在矿坑以后正常生产期间，做好南北两　帮内排运输系统前期设计是保证内排空间最大利用　的必要条件。遇到煤层抬高与预留道路相交时，通过　改变以往道路和安全平盘设计思路，最大限度的回　收端帮煤量，提高原煤回采率。　参考文献：　［１］段启超，常永刚．安家岭露天矿西排土场运输系统优　化［Ｊ］．露天采矿技术，２０ｏ３（５）．　［２］陈亚军．库米什露天煤矿内部排土方案设计优化［Ｊ］．　露天采矿技术，２００９（４）．　图５矿坑中期内排某阶段内排运输系统图　［３］车兆学，才庆详．露天煤矿内排时期下部水平开拓运　输系统优化［Ｊ］．煤炭科学技术，２００７（１０）．　［４］李江，张利忠，徐振东．宝日希勒露天矿内排土场边坡　稳定分析［Ｊ］．露天采矿技术，２００９（３）．　易变性坚硬物料，如遇光滑基底可采取爆破措施，增　加其粗糙度，既有利于排水流畅，又增加了与物料的　摩擦力。　４结论　［５］中煤西安工程设计有限公司．东露天煤矿初步设计说　明书［Ｒ］．西安：中煤西安工程设计有限公司．　［６］刘源，林振春，刘俊昌．安太堡露天矿北帮　煤以下运　输系统优化［Ｊ］．露天采矿技术，２０１０（２）．　【责任编辑：解连江】　在内排初期，合理利用采空区进行内排作业，能　够提高设备效率，减少外排量，节省生产成本支出；