旋流器选煤的分选原理

本文主要介绍了旋流器选煤的分选原理，根据有压给料重介旋流器及无压给料重介旋流器在选煤行业的应用情况，并对两者优缺点的分析和比较，阐明了在选煤设计中分别选取两者的依据，揭示两者分别匹配的不同工艺。 

关键词：有压给料；无压给料；重介旋流器，选择 

近年来，随着煤炭资源的开发和利用，易选煤，特别是炼焦煤逐渐减少，各大主产煤区都面临着难选煤以及极难选煤的分选。面对这种情况，各种适应难选和极难选煤的工艺和设备也相继诞生，特别是重介旋流器的使用，简化了分选工艺，提高自动化程度，易于操作、管理方便。尤其是对重介旋流器直径的大型化，大大提高单台处理能力，为选煤设计工艺布置的进一步简化提供了有利条件，从而大大降低了工程造价。但是，在重介选煤工艺设计中，面对有压给料旋流器和无压给料旋流器的选取，仍然是一个值得探讨的话题。在此，针对两者的选取进行深入的探讨。

1 两种入料形式重介旋流器的概述及分选原理 

 通过对两种入料形式的旋流器的简单介绍和入料过程分析，为后续两者的优缺点比较提供理论基础。

1.1 有压给料重介旋流器及其入料过程 

 有压给料重介旋流器从外形上来看，主要是圆筒圆锥形的配合。而从入料压力来看，大体上分为两种：一是原煤直接进入混料桶，通过泵，将原煤和悬浮液的混合物以一定的压力经入料管沿切线方向给入旋流器的圆筒部分，入料压力可达0.1Mpa以上。在给料过程中， 

物料粉碎现象严重，而且增加设备磨损，但是可以降低厂房高度。二是利用定压箱给料，原煤和悬浮液在定压箱中混合后靠自重进入旋流器。定压箱液面到旋流器入口的距离一般是旋流器直径的9-11倍，以保证有足够的压力，否则压力过低，离心力过小，影响分选效果，降低处理能力，但给料压力稳定。综上所述，两种方式各有特点，具体选用应结合煤质、厂房配置等综合考虑。

1.2 无压旋流器及其入料过程 

 无压旋流器主要是圆筒形。给料首先给入缓冲漏斗，在自重的作用下通过给料缓冲漏斗沿旋流器中心给入，介质则在旋流器的底端延切线给入，从底至顶形成一股上升旋涡流，轻产物在漩涡中心向下流，从溢流口（下部）流出，重产物重产物沿筒壁上升从底流口（上部）排除。该入料方式要求厂房较高，管路磨损较小。

1.3 重介旋流器的分选原理 

介质悬浮液在离心力场的作用下，在旋流器内会形成不同密度的等密度面，即密度场。密度自上而下，由内而外增加，并存在一个理论上的分离界面，也称分离锥面。这个界面上的悬浮液密度在理想情况下，等于矿粒的分离密度。从另一个方面考虑，介质悬浮液沿切线进入旋流器，其有轴向速度和径向速度，它们同样会形成不同速度的等速度面，在位置上我们也可以理解分离界面是轴向零速面和径向零速面的综合面。即在分离界面以外的悬浮液形成外螺旋流，向底流口方向移动;在分离界面以内的悬浮液形成内螺旋流向溢流口方向移动，内、外螺旋流移动的方向正好相反。 

 据有关试验研究表明，矿粒在重介旋流器内的分离，同样遵循阿基米德原理。其中密度大的矿粒会越过分离界面，随外螺旋流从底流口排出。轻密度矿粒进入分离界面内，随内螺旋流从溢流口排出。当然，矿粒在旋流器内运动的实际轨迹要复杂得多，尤其是中间密度物颗粒的运动则更复杂，甚至要循环往返多次才能分别从底、溢流口排出。但总的趋势是按上述规律进行的。旋流器的入料方式不同也会给矿粒的运动和穿越分离界面的状况带来不同的影响。

2 两种入料形式旋流器的比较 

大多认为有压入料旋流器比无压入料旋流器对细粒级物料的分选精度更高，分选下限更低，似乎有压入料方式更适合粉末煤含量多的难选煤的分选。但是近年来，在国内采用无压入料重介旋流器分选难选煤的应用实例却越来越多，旋流器直径也越来越大。从一些采用无压入料重介旋流器的选煤厂生产的实际效果来看，其分选精度与有压旋流器相比差别不大。总的来说，两种不同入料形式的旋流器各具特色，面对两种入料形式的重介旋流器的选取，分析两种旋流器对分选的影响。 

2.1 两种入料形式重介旋流器的几何形状的影响 

重介悬浮液在旋流器内形成的密度场对保证物料在旋流器内按密度分离是起决定作用，因为密度场内的密度分布特性对分选结果有着直接影响。根据有关研究员实验测试，圆筒形无压入料重介旋流器内介质密度分布较圆锥形有压入料旋流器的介质密度分布要均匀的多，密度变化梯度要小的多。圆筒重介旋流器内的分选条件，似乎比较接近斜轮、浅槽等分选槽悬浮液密度分布的状况，即在旋流器内，介质的密度是和旋流器的轴向圆柱面同心阶梯分布。所不同的是，圆筒旋流器内的悬浮液是一个旋转的液体，分选过程在离心力场中完成的，应该比物料在斜轮分选槽的重力场中上浮、下沉的速度更快，效率更高。 

由于有压入料圆锥重介旋流器内悬浮液密度变化梯度大，特别是锥体部分密度分布极不均匀，加上锥体下部发生重物料堆积，造成轴向方向上悬浮液密度也发生变化，使等密度线分布更加复杂，致使实际分选密度往往比工作介质密度要高出0.15-0.3 kg/L左右。相比之下，无压入料圆筒旋流器内悬浮液密度变化梯度下，等密度线分布比较均匀的状况，有利于物料按密度分选。

2.2 入料方式不同对矿粒运动轨迹的影响 

 旋流器在有压入料方式的情况下，物料与悬浮液是混合给入的。入料的初始阶段分离界面内外均分布有轻、重矿粒。位于分离界面内的重矿粒在合力的作用下要穿越分离界面进入外螺旋流，而位于分离界面外的轻矿粒在合力的作用下会穿越分离界面向中心运动。所以就形成了轻、重矿粒交错穿越界面，互相挤碰，互相干扰的现象。 

 在无压入料方式下，被选物料是从旋流器顶部中心口给入的，物料逐渐散开后，只有重矿粒在合力的作用下穿越分离界面进入外螺旋流。轻矿粒因本身密度就低于分离界面处的密度，则不会穿越界面，就留在界面内随内螺旋流移动。这样，基本上只存在重矿粒的单向运动，避免了轻、重矿粒交错穿越界面，互相干扰的弊端。对提高分选效率和分选精度应该是有利的。

2.3入料方式不同对泥化现象的作用 

有压入料圆锥旋流器的入料方式，多采用泵输送介质和原煤的混合物。离心泵高速旋转的叶轮对浸泡后的煤和矸石有较强的撞击破碎作用和泥化作用。此外矸石在旋流器内，从进入到排出需经过几乎整个旋流器筒长度，运行距离长，又进一步加剧了泥化程度。总之，上述各种因素将产生三点不利影响：一是不利于保持煤炭块度，减少了块煤产品的数量；二是因产生次生煤泥量大，特别是当原煤中含有大量泥岩矸石时将导致旋流器内工作介质的高灰非磁性物含量大大增加，引起重介悬浮液密度、粘度等特性参数的改变，对分选效果将产生不利影响，同时还要加大分流量；三是对设备的磨损，矸石等经过旋流器的全长，对旋流器壁的磨损很严重。

无压入料圆筒旋流器的入料方式，无需泵送，入选原煤从上部入料口自然落入，不存在悬浮液浸泡、被泵叶轮撞击破碎和泥化的弊端。而且无压入料圆筒旋流器在结构上还有一个特点，即重产物排料口与中心入料口相距很近，都处于旋流器筒体顶部。重产物从进入到排出，运行距离很短，可有效地减少矸石泥化的时间，这对于含有大量泥岩矸石的原煤的分选尤为有利，而且设备磨损小。一般都认为无压入料重介旋流器是泥化程度轻的分选工艺之一。

2.4 两种入料压力的影响 

由于重介旋流器内，矿粒在旋转的密度场中所受离心力比重力大几十至几百倍。所以物料特别是细粒物料在重介旋流器内能够得到有效分选，这是其他选煤方法所无法比拟的。应该说离心力是重介旋流器分选的原动力。被选煤粒在旋流器内所受离心力的大小取决于给料的切线速度和旋转半径，同时还有介质粘度等交叉影响。而切线速度又与入料压头有关，这是有压入料重介旋流器特具的优势。因为在有压入料的条件下，物料与悬浮液是混合有压切线给入的。一进入旋流器，矿粒与悬浮液就同时具有了很高的切向速度。如果入料压头调节得当，从入料的初始阶段就能达到较好分选状态，从而较大限度地利用了物料在旋流器内的分选时间和分选空间。

与此相反，入料压力恰恰暴露出无压入料重介旋流器的严重弱点，中心无压入料方式的主要特点是被选物料与重介悬浮液是分开进入旋流器的。其中80%-90%悬浮液是从筒体下部切向有压给入的，剩余的10％-20％的悬浮液则随同被选物料由筒体上部中心口“无压”（高差约2.5m）给入.因此被选物料进入旋流器后的初始切向速度几乎为零。随着矿粒在轴向和径向上的位移，在旋转悬浮液的带动下，才逐渐增大本身的切向速度，并逐渐接近旋转悬浮液的切向速度。这一现象说明入料在起始阶段与悬浮液在旋转速度上存在较大差异，这种差异将产生实际分离密度增大的影响，尤其对细粒物料影响更为明显。

3 两种入料方式匹配工艺 

针对上述对旋流器的利弊分析，所以在设计中考虑选择入料方式的时候，应该根据煤质特点具体分析，同时考虑每种入料的匹配工艺来区别对待。

对于不分级入洗工艺，原生煤泥不是太大的情况，考虑选前不脱泥工艺，全粒级入洗大多可以采用无压入料重介旋流器，为了弥补无压入料分选下限较低，可以考虑无压重介旋流器分选+小直径煤泥重介旋流器+浮选联合三段分选，如临涣选煤厂的3#系统；如果煤泥量太大，选前脱泥工艺，则大多采用有压给料方式。 

对于分级入洗工艺，尤其是重介再洗工艺，因为煤泥在主洗过程消耗，对介质粘度的影响较小，对这样的工艺大多采用有压给料分选方法。其常见工艺如下：跳汰粗选+跳汰粗精煤重介质旋流器 +煤泥浮选和跳汰主选+跳汰中煤重介质旋流器再选+煤泥浮选。对于分级入洗，末煤重介不脱泥则大多采用无压入料方式。

4 小结 

 综上分选表明，无压入料和有压入料两种重介质旋流器在工艺特点及分选机理上各有所长，对于炼焦煤，特别是在选前不脱泥的条件下，两者的分选效果相差更小。对于动力煤，为了保持块度，若要使用旋流器，则好使用无压入料旋流器。从设备磨损角度考虑则无压入料旋流器是优选。在设计选用重介旋流器时，应根据煤质条件，产品结构要求以及客户要求，具体分析，具体对待，择优选用。