距径比对煤用螺旋分选机流膜厚度分布及分选效果的影响

李吉辉，霍亚洋，叶贵川，杨 烽，杨 帅，田明坤，马力强

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

我国炼焦煤选煤厂多采用重选与浮选相结合的工艺，随着重选设备的大型化，-1mm的煤泥得不到有效的分选，同时浮选工艺对+0.25mm煤泥的分选效果较差，提高1～0.25mm粗煤泥的分选效果对完善我国煤炭分选工艺具有重要意义。选煤厂常用的粗煤泥分选设备主要有煤泥重介旋流器、TBS干扰床、水介质旋流器和螺旋分选机等。相对于其他粗煤泥分选设备，螺旋分选机具有结构简单、分选效率高、无噪音、无转动部件、无动力、维修费用极少及使用期限较长等优点[1-6]，在澳大利亚、南非等国用于精选0.076～3mm粉煤[7-9]。螺旋分选级依靠自身流膜特性，在离心力场和重力场共同的作用下进行高效分选。我国在20世纪80年代将螺旋分选机应用于煤炭分选，先后研制出XL系列、SML系列、ZK-LX系列螺旋分选机以及振动螺旋干法分选机，多用于动力煤选煤厂和可选性较好的炼焦煤选煤厂[10-16]。

螺旋分选机具有较久的历史，但相关理论研究在最近30年才日渐完善。在螺旋槽中，水流具有螺旋运动和断面环流两种运动方式，构成了一个三维空间的复合螺旋线运动。在分选时，螺旋运动不但可以输送、分散和分层矿物，而且是断面环流产生的主要原因。断面环流可以加速矿物的径向分带，提高分选效率和降低精矿灰分[9，17-23]。目前国内外对螺旋分选机的水流厚度研究较少，本文在传统煤用螺旋分选机结构基础上，自行设计了三个距径比分别为0.40、0.37和0.34的螺旋分选机，并通过自制的厚度测定装置，考察这三个距径比下螺旋分选机的流膜厚度和分选效果，为薄流膜分选机理研究奠定基础。

1 螺旋分选系统及试验方法

1.1 试验煤样

试验煤样为山西寺河矿粗煤泥入料，煤种为无烟煤。煤样粒度和密度分析结果见表1、表2。原煤灰分在21.84%，是低灰的粗煤泥入料。煤样粒度主要分布在1.5～0.5mm之间，占92.24%，其中1.0～0.71mm占比最多，为37.24%。煤样的密度主要分布在1.4～1.5g/cm3，根据煤样可选性曲线(图1)得到设定精煤灰分为10%时，精煤产率为82%，理论分选密度为1.7g/cm3，可选行为易选。

表1 煤样粒度分析

表2 煤样密度分析

图1 可选性曲线

1.2 分选试验系统

在传统煤用螺旋分选机结构基础上，设计加工了距径比分别为0.40、0.37和0.34 的三台直径650mm横向倾角15°的5圈螺旋分选机，分选试验系统如图2所示。

图2 分选实验系统

1.3 流膜厚度测试

流膜厚度测量装置主要由径向横梁、螺纹杆和支撑梁组成(如图3所示)。在螺旋分选机支撑梁上固定径向横梁，沿横梁水平方向等距设18个竖直螺纹孔，分别安装螺纹杆，靠近内缘的螺纹杆起固定位置的作用。测量时，旋转调整其他17根螺纹杆高度使下端与流膜上液面相切，测得流膜液面距离槽底的竖直高度以计算流膜厚度。流膜厚度测试原理如图4所示，H为螺旋分选机中某一半径处液面和槽底之间的竖直高度，h为该半径处的流膜厚度，β为该半径处的横向倾角，用H和β余弦值的积近似表征h。

图3 流膜厚度测量示意图

图4 流膜厚度测试原理图

本文测定步骤如下：将40kg清水加入搅拌桶，用渣浆泵将水输送到螺旋分选机入料口，使水流平铺在槽面上，然后调节变频器使液流的流量稳定在2.0m3/h左右，在螺旋分选机的每一圈(共五圈)多次测量流膜厚度，通过游标卡尺准确读数，取平均值进行计算。

1.4 分选实验

在进行分选实验时，在混料桶中加入30kg水和10kg的煤样，充分搅拌混匀后，用渣浆泵将矿浆输送到螺旋分选机入料口，使矿浆平铺在槽面上，然后调节变频器使矿浆的流量为2.0m3/h左右，待矿浆稳定后，通过螺旋分选机底部4个径向分布的取样管收集样品，对产品进行过滤、干燥和化验。

2 试验结果与分析

2.1 流膜厚度沿螺旋线方向的分布特征

对螺旋分选机流膜厚度测定结果如图5—图7所示。

图5 距径比为0.40的螺旋分选机流膜厚度变化

图6 距径比为0.37的螺旋分选机流膜厚度变化

图7 距径比为0.34的螺旋分选机流膜厚度变化

由图5可知，在一定流量条件下，流膜厚度随着螺旋分选机距离轴心的半径增加而增加，在临近槽的外边缘时，流膜厚度从最高值迅速降低。流膜厚度在半径为160mm(约二分之一槽体半径)前较小且几乎不变，当半径大于180mm，流膜厚度增加明显。这是由于受到离心力和重力的共同作用，运动初始，槽面的上层流体不断向外缘运动，造成液面堆积；而在外缘处，流体势能累积得到释放，转换为切线方向动能，流膜变薄。对于内缘，五圈的流膜厚度变化不大，对于外缘，前两圈的流膜厚度明显增加，至第三圈后流膜厚度分布基本保持不变，此时流体基本保持受力的平衡状态，流态基本稳定。

2.2 距径比对流膜厚度分布的影响

对比三个距径比螺旋分选机流膜厚度分布(图5—图7)发现，在内缘时，0.34距径比的螺旋分选机流膜厚度最大，其分布更符合薄流膜分选的期望，因为较厚的内缘流膜可以促进高密度颗粒在内缘的积聚。而对于0.37和0.40距径比螺旋分选机，在相同半径处，内缘流膜厚度逐渐降低。对于外缘流膜厚度，0.40距径比的螺旋分选机最大，随着距径比降低依次减小。

由此，可以推断，对于易选物料，可以采用较大的距径比，实现更多精煤在外缘的富集；对于分选密度附近含量较高的难选物料，可以采用较小的距径比，增加内缘流膜厚度，以促进中高密度颗粒向内缘的运动与分离。

对于不同距径比，前两圈的流膜厚度均不稳定，后三圈的流膜厚度分布基本保持不变，说明随着流体沿螺旋线方向运动的进行，流体受力逐渐平衡，流膜厚度分布也趋于保持稳定。

2.3 距径比对粗煤泥分选效果的影响

由三台不同距径比的螺旋分选机对煤样进行分选试验，结果见表3。可以得出，采用螺旋分选机进行以1.50～0.5mm粒级为主的粗煤泥分选时，分选完成时物料主要集中在外槽，即3、4号取样点位置，说明图4—图6得到的流膜厚度分布规律符合实际分选结果。其中低密度颗粒集中在外缘，精煤产率高，富集效果较好；而高密度颗粒集中在内槽，尾矿灰分高，排矸效果好。这是因为低密度颗粒所受的重力比高密度颗粒小，易浮在流膜上层，受到离心力、重力和水流作用力的合力朝向外缘；而高密度颗粒沉在下层，受到的离心力、重力、摩擦力和水流作用力的合力朝向内缘，因此同时产生了纵向分层和横向分离运动。对比不同距径比螺旋分选机的分选数据，发现精煤灰分在低于10%时，距径比为0.40的分选机精煤产率高，同时尾煤灰分也高，精煤富集和排矸效果比其他两台分选机要好。说明对于此易选粗煤泥样品，相对大的螺距对分选有利。

表3 不同距径比螺旋分选机分选试验数据表

3 结 论

1)在一定流量条件下，流膜厚度随距离螺旋分选机轴心的半径增加而增加，但在小于半径的二分之一的内缘，流膜厚度变化不大；从半径的二分之一位置起，流膜厚度迅速增加，在临近槽的外边缘时流膜厚度达到最大值。

2)内缘流膜厚度随距径比的降低而逐渐增加，外缘流膜厚度随距径比的升高而增加。对于1.50～0.50mm易选粗煤泥，距径比为0.40的螺旋分选机分选效果优于距径比为0.37和0.34。由此推断，对于易选物料，可以采用较大的距径比，实现更多精煤在外缘的富集，对于分选密度附近含量较高的难选物料，应采用较小的距径比，以增加内缘流膜厚度，以促进中高密度颗粒向内缘的运动与分离。