选煤厂重介质旋流器结构优化设计及其实践应用

崔 鹏

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000）

引言

煤炭资源是我国整个能源结构体系中重要的构成部分，煤炭在矿井中被开采出来后还需要通过选煤厂选煤处理，可见选煤技术对煤炭产品的质量至关重要[1-2]。经过多年发展，当代选煤技术呈现出多样化趋势，但在众多选煤技术中，传统的重介质选煤方法表现出了很多优势，比如选煤过程简单、效率高、设备整体体积小等，在选煤厂中得到了非常广泛的应用[3-4]。重介质旋流器是重介质选煤技术中的关键设备[5]，然而受到其结构制约，在实践中也存在一些问题。这些问题对选煤过程产生了不良影响，使得设备能源消耗增高，选煤精度降低[6]。因此，有必要对传统的重介质旋流器结构进行针对性的改进设计。

1 重介质旋流器的基本工作原理

图1为重介质旋流器分选基本工作原理图。重介质旋流器工作时，煤矿物料及悬浮液从入料口进入，沿旋流器内壁作切线运动。在重力以及离心力的综合作用下，在旋流器外侧形成明显的外螺旋流，而在旋流器中心部位形成内螺旋流，其中外螺旋流向下运动，而内螺旋流向上运动。煤矿物料进入外螺旋流还是内螺旋流，主要取决于物料本身的密度与悬浮液密度之间的差值。如果煤矿物料密度比悬浮液密度大，则在离心力作用下进入外螺旋流。相反，如果煤矿物料密度比悬浮液密度小，则其离心力也相对较小，此时会进入内螺旋流。精煤密度相对较小会进入内螺旋流，从溢流口流出；矸石密度相对较大会进入外螺旋流从底流口流出。经由上述过程，采用重介质旋流器分选可达到选煤的目的。基于上述原理可以看出，悬浮液密度对最终的分选效果有直接影响。

图1 重介质旋流器分选基本工作原理图

2 重介质旋流器传统结构存在的问题

受重介质旋流器传统结构的影响，在对煤矿悬浮液进行分选时容易在内部形成空气柱。虽然部分学者认为空气柱不会对分选过程产生显著的影响，但不可忽略的事实是，空气柱的形成过程需要消耗一定的能量。已有研究表明：空气柱在形成过程中需要消耗大约一半的流场能量，而能量的损耗会使重介质旋流器的能耗增加；溢流口部位存在空气柱会导致溢流口部位精煤的流动空间被压缩；空气柱的位置、形状、大小会随机摆动，而随意移动的空气柱会导致旋流器内部的流场不稳定，容易出现紊流问题，会在一定程度上影响分选质量和效果。

3 新型重介质旋流器结构的优化设计

3.1 设计思路

在新型重介质旋流器中，煤矿物料及悬浮液从方形入料口切入旋流器内部，在离心力、重力、湍流扩散力等多个力的综合作用下，按照密度大小沿径向方向进行分离。基于这种工作流程，通过结构优化，尽可能避免形成空气柱或者空气柱的摆动，防止空气柱造成的能量消耗及其对流场造成的不良影响。

3.2 结构参数的设计

根据选煤厂实际情况，将新型旋流器直径大小设置为300 mm。由于旋钮器上部区域为圆柱体，因此物料进入旋流器内部后开始做螺旋线运动，这种运动形式能有效避免空气柱的摆动问题，保障旋流器流场的稳定性，从而提升煤矿物料的分选质量。入料口结构尺寸非常重要，该尺寸会影响物料及悬浮液进入旋流器内部时的速度，进而影响分选效果。在传统的结构设计中，入料口为圆柱体且其直径为旋流器直径的0.08～0.25倍。根据传统经验，将方形进料口尺寸确定为45 mm×45 mm。

煤矿物料及悬浮液进入旋流器内部的速度，除受到入料口尺寸影响外，还会受到注入压力的影响。当需要分离的颗粒尺寸越小时，就需要提供更大的离心力，也就需要更大的注入压力。结合选煤厂实际情况，确定煤矿物料及悬浮液注入压力为0.025 MPa以上。

在旋流器直径及入口速度确定的情况下，旋流器筒体高度是另外一个影响分选效果的关键因素，直接决定分选时间。待分选的颗粒直径越小则需要的分离时间越长。尤其是当颗粒尺寸在0.35 mm以下时，曳力会显著上升，因此必须预留足够的分离时间，才可达到预期的分选效果。但是分离时间过长会导致精煤密度过低，影响生产效率。所以必须科学设定分离时间，即需要合理设计旋流器筒体的高度。为了确定最优的旋流器筒体高度，利用FLUENT软件建立了旋钮器的模型，对分选过程进行了模拟仿真，并确定了入料颗粒直径与旋流器筒体高度之间的关系，结果如图2所示。从图中数据变化趋势可以看出，旋钮器筒体高度主要受分离密度、入料颗粒直径的影响，但前者影响相对较小，后者影响相对较大。由于选煤厂中入料颗粒大小为0.21 mm，所以确定的旋流器筒体高度为850 mm。

4 新型重介质旋流器的实践应用

4.1 循环量的确定

根据上文设计研究的新型重介质旋流器结构参数，搭建了现场实物，结果如图3所示。在设备调试阶段，研究了旋流器循环量对入口压力及内部流场稳定性的影响规律。结果发现，旋流器的循环量越小，则入口压力越小。当循环量不超过35 m3/h、入口压力不超过0.026 MPa时，由于压力太小无法在旋流器内部建立稳定的流场。当循环量提升到35～50 m3/h时，对应的入口压力在0.026～0.056 MPa，此时压力比较合适，能够在旋流器内部形成相对稳定的流场。但是当循环量进一步增大超过50 m3/h时，入口压力相应增加，又无法在旋流器内部形成稳定流场，不利于分选过程。

图2 不同入料直径对应的旋流器筒体高度大小

图3 新型重介质旋流器的现场图

4.2 新旧旋流器的对比分析

表1为新旧两种重介质旋流器的实践应用效果对比分析。表中所示数据是在完全相同的参数条件下测量得到的，可以明显看出，在其他技术条件相同的情况下，新型重介质旋流器的入口流量与旧设备相比较有了一定程度的提升，提升量大约为5.15%。而溢流口和底流口的流量却出现了非常显著的变化，此变化充分说明了通过对重介质旋流器结构的优化改进，改变了旋流器内部的流场结构，从而影响最终的分选效果。在能量损失方面，新型结构的能量损失有了一定程度的降低，降低程度约为17.6%。可见，新型重介质旋流器具有很好的节能效果。

表1 新旧旋流器的应用效果对比分析

5 结论

结合选煤厂实际情况，对重介质旋流器的结构参数进行优化设计。新型重介质旋流器的入口流量提升了约5.15%，能量损失降低了约17.6%，可见新型旋流器具有更好的分选效果，能源损耗更低。