充气式水力旋流器的现状及在选煤领域的应用

古 缘，郭延昆

（1.威海市海鑫矿山洗选设备有限公司，山东威海 264200；2.威海行雨化工机械有限公司，山东威海 264200）

0 引言

自被开发之日起，充气式水力旋流器便成为人们所关注的重点，其在油田业与金属探索领域一直占据核心地位，被作为离心浮选设备使用，因此，对其的探索和研究将为未来各个行业的发展提供强大支撑，为能源开发行业带来新的发展契机。

1 充气式水力旋流器的发展现状

充气式水力旋流器是在离心力场强化浮选的设想下形成的研究拓展，根据矿物质的自身密度与物质表现的通水性不同进行物理分离、层级分选，进而对不同物质进行分离的设备。充气式水力旋流器是水力旋流器的新兴发展，结合浮选法的相关方式形成全新的发展方向，其发展过程大致经过三个阶段。

第一阶段是20 世纪30 年代的法国燃油工业企业制造了第一台浮选旋流器，经过十几年的发展后，由德国特立希结合离心力场强化浮选构想再次发展，形成水力旋流器。

第二阶段是在20 世纪80 年代前后，在水力旋流器不断完善的基础上，出现了柱型结构的水力旋流器，并且还改变了其充气方式，分为实用性差的进口充气式水力旋流器和实用性较高的边壁充气式水力旋流器。

第三阶段是自20 世纪末期至今，在我国著名科学家褚良银等人的努力下，通过对水力旋流器内部的旋流场景模拟、内部结构压力的分布规律与矿物质表面的水力气场分析，着重处理水力旋流器的分离层级，开辟了充气式水力旋流器的新兴研究方向，对采矿业的矿物开发分类具有重要意义。

2 充气式水力旋流器的研究现状

水力旋流器是根据离心力场强化浮选的设想对矿物质进行分层分级处理，其中采用两相流的流体方式；充气式水力旋流器是水力旋流器的全新发展，采用了三相流的流体，能够最大限度地强化浮选，在日常采矿领域中发挥着更重要的作用。

在20 世纪80 年代，对充气式水力旋流器的描述很普通，只是认为其比水力旋流器的浮选作用强烈，但并未有深入的研究。在接下来的10 年内，许多科学家借助边壁充气对水力旋流器进行了全新研究，发现随着离心力场的不断增强，惯性会导致警戒值的矿物颗粒迅速下降，能够大大提升力场的浮选速率。在这一时期，对充气式水力旋流器充气方式进行的细微研究表明，充气式水力旋流可以提升矿物颗粒的力场浮选速率，此后对充气式水力旋流器的内部流速、矿物质颗粒的存留量和浮选泡沫的相关研究表明，对充气式水力旋流器的进一步深入研究能够发展其中更有价值的理论研究。

自20 世纪90 年代以来，我国的褚良银等人结合国内外关于与充气式水力旋流器的相关研究，重新创建了全新的充气式水力旋流器的实验方法，通过更新实验内部的测控手段，加紧调控水力旋流器内部的压力分布规律，以及对旋流器内部的颗粒承受程度等进行分析研究，得出了全新的充气式水力旋流器的理论补充。

（1）流场特点。将充气式水力旋流器的内部流场进行仔细划分，分为液体柱存区、颗粒泡沫留存区和水力流通层级。其中，液体柱存区使得整个旋流器流会形成颗粒泡沫的留存区，使得整体旋流器正常运转与工作，在水力流通的上端层级来看，形成了一个完善协调的工作方式。此外，充气式水力旋流器的液体流通方式包括内旋流与外旋流，能够巩固整体充气式水力旋流器的运行机制。

（2）压力分布特点。在充气式水力旋流器中，存在留存泡沫的空间占位并且占位较大，影响着旋流器的压力分布，使得旋流器有着自上往下、自内往外的压力分布，并且呈现逐渐递增的态势。由于颗粒泡沫柱区的存在，所以压力形成一种马鞍形状的规律。整体充气式水力旋流器的轴向压力是由上到下呈现递增态发展。

（3）运行机制特点。在旋流器内部，由于压力呈现递增的分布态势，所以导致矿物颗粒所形成的气泡受到压力的限制，气泡从液体柱存区向颗粒泡沫留存区不断涌入，在比区域内形成大量气泡留滞。

（4）矿物颗粒的运行方式。充气式水力旋流器是根据离心力场强化浮选进行研发设计的，在其内部，由于受到自下而上的离心力的支撑与液体流动的阻力，结合充气式水力旋流器的轴向心向上的动力支撑，导致矿物颗粒中的喜水性颗粒向着矿物颗粒留存区相互运动，在液体柱存区周围向下运动，从而使得颗粒较小且喜水性较强的颗粒不断涌入充气式水力旋流器的循环流体。在此过程中，厌水性颗粒则相应地在旋流器的聚合体中运动，旋流器工作时就通过液体柱存区涌入颗粒泡沫留存区，由于矿物中有些物质的颗粒较大，它们通过重力与留存在其中的气泡相互分离，出现在充气式水力旋流器的底部。

由于内部压力、充气式方式不同等，在充气式水力旋流器的内部形成了颗粒物质的筛选分类比普通的水力旋流器更为清楚、明了。普通水力旋流器的分类处理较为简单，通过不同的升降关系进行处理，不够仔细严谨，分类不够清楚。而在充气式水力旋流器中，矿物颗粒是根据在液体柱存区的喜水性进行分类处理，喜水性的物质颗粒向充气式水力旋流器的轴向力做向上的动力运作，而厌水性的矿物质则涌入颗粒泡沫留存区。此外，由于在液体柱存区存在循环流系统，所以能够对矿物颗粒进行再次分离处理，筛选出其中可能遗漏的矿物颗粒进入外部旋流区域。因此，充气式水力旋流器是对水力旋流器的进一步完善研究，使得其发展更加完善，达到分级功效的同时完成颗粒的分选作业。

3 充气式水力旋流器的优点与缺点

在充气式水力旋流器相关研究未能实现之时，传统工业机器进行矿物颗粒筛选所耗费的时间过长，筛选过程中的浮选场地要求过大，这无形中提高了作业的生产成本，大大限制了产业的发展。另外，由于技术处理不到位，常常导致筛选的成果不够理想，效率低下。同时，常常因为机器缘故导致对矿物颗粒的筛选质量低下，存在浪费动力的情况。

由于充气式水力旋流器是根据离心力场强化浮选的方法进行设计研究的，所以只适用于小型矿物颗粒的筛选工作，在针对大型颗粒的矿物时不能奏效，容易导致矿物的脱落力度过大。

4 充气式水力旋流器在选煤领域的应用探究

由于是依据离心力场强化浮选的规则进行研究分析形成的理论，所以充气式水力旋流器对于细微矿物颗粒的筛选具有独特优势，并且对不具备喜水性的矿物筛选更为敏感。在煤矿行业中，大部分采煤企业对充气式水力旋流器的离心力场强化浮选很重视，从而导致分级的重视程度较低，但是可以针对煤矿行业的选煤特点，对旋流器内部的运转规律与运行方式进行重新研发、设计，通过对旋流器内部的结构进行分离处理、分级选取，对煤矿中的大型颗粒进行筛选流入充气式水力旋流器的底部，此外对其中存在的喜水性颗粒进行运行筛选，从而得到不同的筛选产品，为选煤行业提供新的发展方向。

目前我国对于选煤技术的研究不够完善，对选煤过程中的浮选速率与浮选质量不能满足时代的需求，寻求新的发展是我国应当注重的关键点，充气式水力旋流器的到来无疑提供了一剂“强心针”。从充气式水力旋流器的分级技术来看，着重对选煤过程中的高灰细泥的处理，解决了传统选煤过程中不能提取出高质量高灰细泥的情况，因此，采用充气式水力旋流器的离心力场强化浮选机制是一个正确的选择。

充气式水力旋流器对选煤厂的影响格外深远，通过充气式水力旋流器能够处理大量留存的低质煤炭，对其中存在颗粒较大的煤矿进行分离处理，从而提取出高质量的高灰细泥，大大降低了选煤厂的生产成本，创造了大量的工厂效益。此外，充气式水力旋流器的占地范围小、流程简洁有效，也为选煤厂无形之中添加了一笔宝贵的收益。

5 小结

关于充气式水力旋流器的研究自20 世纪就开始不断完善，充气式水力旋流器不仅能够快速筛选过滤矿物颗粒，也能利用其中的独特结构特性与颗粒物质的性质进行分选处理。将充气式水力旋流器作为一个选煤领域的新兴方向，能够促使选煤工作提升一个新的台阶。