煤泥分选分级联动系统设计及研究

李 亮，周 伟，刘亮亮，李建波，王淑杰

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

浮选在选矿方法中占据重要地位，应用范围广，效率高且能将低品质矿石分选为高品质精矿，从而扩大矿物资源范围，浮选机则是实现浮选的必要设备[1-2].煤泥浮选尾矿处理相当复杂，从中分级过滤出细粒煤泥更是困难，传统的干法处理流程是先将其烘干再用套筛逐级筛分，工序复杂，时间长，且无法实现一次性分级筛分出不同粒级的煤泥颗粒。因此，提出并设计一种煤泥分选分级联动系统，包括联选式浮选机及分级组件(振动叠筛)，立足于处理大批量的实验样品，分选分级出各级别的细颗粒煤泥，不需烘干，有助于降低劳动强度，节约生产成本。

1 联动设备的结构及工作流程

煤泥分选分级联动系统装配图见图1，该系统包括联选式浮选机及分级组件振动叠筛，主要实现煤样大批量的浮选工作及尾矿的分选分级工作。联选柱式搅拌浮选机包括加药系统、补水系统、搅拌转子机构、旋转刮泡机构；煤泥分级组件(振动叠筛)主要结构为漏斗形箱体、桥接斜抽插式滤网、振动电机及减震弹簧部件；加药系统主要由药剂槽、精准量筒、导管以及精密控制阀构成；补水系统的主要部件为清水槽、电磁阀、导管；搅拌转子机构由转子和开孔的盖板组成；旋转刮泡机构包含小电机及其下方刮泡叶轮；分级组件(振动叠筛)中漏斗形箱体，便于入料与出料，具有倾斜角的抽插式滤网便于每级物料的收集，可以随时更换，减少维修维护时间，提高工作效率；振动电机及减震弹簧部件结构，可使物料颗粒增加翻滚和松散次数，驱使卡在筛孔内的煤粒跳出，提高筛分效率。

1—电机 2—旋转刮泡器 3—精矿刮泡槽 4—矿浆槽 5—入料阀门 6—入料导管 7—锥齿轮 8—精密量筒 9—药剂槽 10—补水槽 11—加药阀1 12—加水阀 13—加水导管 14—传感器 15—挡板 16—盖板 17—入料搅拌区 18—转子轴 19—加药阀2 20—出料阀 21—搅拌桶 22—搅拌叶轮 23—筛分入料口 24—0.5 mm过滤筛 25—0.25 mm过滤筛 26—0.125 mm过滤筛 27—0.075 mm过滤筛 28—0.075 mm过滤筛 29—0.045 mm过滤筛 30—0.045 mm过滤筛 31—一级物料收集口 32—二级物料收集口 33—三级物料收集口 34—四级物料传输口 35—四级物料收集口 36—五级物料传输口 37—振动电机 38—减震弹簧 39—底座 40—五级物料收集口 41—-0.045 mm物料收集口

浮选工作时，控制系统发出指令打开矿浆槽导管的入料阀门，关闭出料阀门，重力势能将矿浆槽中的矿浆压入浮选机搅拌中心，底部传感器感受到液面的上升，立即输出信号给控制系统，从而发出指令使得搅拌转子机构工作，同时加药系统接受到指令，根据历史数据的收集与分析，计算出最佳药剂配比，定量给入浮选药剂，在搅拌过程中，加药系统通过检测矿浆药剂含量，在计算药剂缺量的基础上，使用计量泵添加浮选药剂，搅拌一段时间后，旋转刮泡器运转进行精矿的收集。随着刮泡任务的进行，水分流失，顶部传感器采集到液面的下降，发出指令，补水系统进行自动加水，使得浮选机完成持续的精矿收集任务，浮选完成后，立即打开出料阀门放出尾矿。

煤泥水尾矿从入料口排入，跌落在倾斜角为3°的一级0.5 mm的过滤筛，煤粒的重力和外加振动电机所产生的激振力使得大颗粒煤粒从0.5 mm级过滤口排出，而-0.5 mm级别的颗粒进入到倾斜角为3°的二级0.25 mm过滤仓中，0.5～0.25 mm的颗粒则会从0.25 mm二级过滤口排出，当-0.25 mm的煤粒进入倾斜角为3°的三级0.125 mm过滤仓时，考虑其粒级的细小程度，特设计两端过滤筛，强烈的激振力实现±0.125 mm粒级煤粒的精细筛分，同样的四级0.075 mm和五级0.045 mm粒级也使用了两段筛，实现煤粒的精准筛分，一次性从煤泥中分级出+0.5 mm、0.25～0.5 mm、0.125～0.25 mm、0.075～0.125 mm、0.045～0.075 mm及-0.045 mm颗粒。

2 浮选设备组件的设计

1)浮选机主体的设计。

浮选机主体示意图见图2，机械搅拌式浮选机通过传动系统，将动力源输送给转子，带动转子叶轮高速旋转，其转子叶轮将矿浆高速甩出定子伞型罩，在定子下方形成负压，使得空气压入达到吸气效果，吸入空气量比较稳定，提供的气泡sauter直径不仅较大，而且分布均匀；槽体设计成圆筒形其工作效率高，且便于放置等三角的转子，更有利于槽体液体的平稳，同时扩大了工作区域的面积，搅拌和捕捉区域得到增大，延长了浮选时间，提高浮选效率[3].

图2 浮选机主体示意图

2)加药系统。

药剂槽位于浮选机的中上方，密封性良好的圆柱形箱体可以防止药剂的蒸发与泄露，旁侧连接着精确量筒和精密控制阀，加药导管直通浮选中心，便于药剂与煤浆充分接触，提高浮选效果。浮选药剂的添加是在测量矿浆药剂含量及计算浮选药剂缺量基础上，使用计量泵自动添加药剂，其自动控制添加过程如下：通过预先浮选试验，探究矿浆性质，在满足浮选精煤产品质量的条件下，分析药剂量与入浮矿浆浓度的关系，模拟出相关的数学模型；药剂自动添加调节控制过程中，检测矿浆浓度及入浮煤泥量，经数学模型以及函数关系变换，在满足精煤产品质量的情况下，确定药剂给定量。控制系统经过与实际测量的加药反馈信号比较，运算处理并输出指令信号，控制加药电磁阀工作。矿浆药剂含量由泡沫层厚度反映，传感器根据煤浆、矿化泡沫层和空气的导电率不同，得到3种介质的相界面，从而求出浮选煤浆液面和泡沫层厚度。

3)补水系统。

水槽位于浮选机的左上方，用于平衡右侧电机的重心，使得整个浮选机结构更加紧凑，减少附加建筑面积的使用。持续的刮泡环节是通过补加清水实现，浓度调节过程如下：浮选泡沫体由大量大小不一、形状各异、灰度值不同的矿化气泡构成，其中包含大量与浮选过程变量及浮选结果相关的信息，泡沫图像上有许多特征参数，通过分析与研究各特征参数的物理意义及其随浮选时间(泡沫纹理)的变化关系，采用图像监控，电磁流量计与浓度计检测矿浆浓度信号，在此条件下，获得浮选环节所要求的浮选浓度，经数学模型以及函数关系变换，模拟计算该情况下入浮煤泥水流量。传感器浓度信号经采集、算法运算模拟处理分析后，通过算法运算获得加水量，中心控制系统输出指令信号传递给加水电磁阀，使得阀门动作。

4)搅拌转子机构。

机械搅拌式浮选机在进行搅拌负压吸气过程中，其吸入空气量深受“定子—转子”结构差异的影响，高速叶轮产生的剪切力则决定着矿浆混合程度，影响着浮选效果，浮选设备组件的等三角转子作用范围全面覆盖于搅拌区，使得对矿浆搅拌更加充分，提高浮选效率。转子叶轮双层伞形的结构能够形成煤浆“w”型的路径，吸收上下叶轮的空气并进入叶轮腔，增加了空气和矿浆混合程度，提高了浮选速度和选择性，叶轮形状的结构也能够促进矿化气泡的上浮，提高叶轮的处理能力。在盖板上开有4个循环孔，作为矿浆循环使用，定子和转子产生高强度的剪切力，促进了煤浆和药剂反应，增大了煤粒与气泡碰撞的几率，使得微小气泡在环形区域矿化。

5)旋转刮泡机构。

旋转刮泡器的刮泡液面与传感器位于同一水平线上，便于信号的收集与传送。连续不断的刮泡不仅节省人力提高工作效率，而且具有良好的可靠性与高度灵活性，保证精煤泡沫及时刮出，提升精煤抽出率。

6)煤泥水收集搅拌桶。

浮选尾矿进入煤泥水收集搅拌桶进行搅拌，为之后的分级过滤筛分做好铺垫，使得进入分级筛分叠筛时，物料不易结块、堆积，防止给下一步带来困难。

3 分级工序设备组件的设计

1)叠筛箱体的设计。

分级组件振动叠筛箱体为圆柱形(图3)，考虑入料方便与充分筛分，将入料口放置于箱体的左上方与煤泥水收集搅拌桶相连接，而箱底为倒三角漏斗形，便于煤泥水的排出，每级的出料口置于筛网倾角最下端，方便于每级物料的收集以及防止物料的堆积。

图3 组件叠筛示意图

筛分组件和搅拌桶间采用柔性连接，避免振动筛的振动对浮选机的影响；同时筛分组件可以作为独立系统进行工作。

2)筛网的设计。

分级叠筛开有筛分入料口，分级叠筛内部从上至下设置有至少一组过滤模块，一组过滤模块包括至少两层过滤筛；每组过滤模块均包括位于最下层的末端过滤筛和位于末端过滤筛上方的上层过滤筛；相邻两层过滤筛的筛面形成开口朝上的夹角，且该相邻筛网的上层过滤筛的出料口承接下层过滤筛的进料口；上层过滤筛下表面连接细粒颗粒的桥接漏斗，桥接漏斗的出口贯穿当前过滤模块的末端过滤筛，上层过滤筛的筛下直接输送至最下层过滤筛的下方，进行输出，从而增加了过滤效率。由于0.075 mm和0.045 mm级别的颗粒过于细小，采用两段筛，分别设计物料传输中转口，对极细煤粒颗粒进行两次筛分处理，实现颗粒的精准筛分。筛网桥接装配图见图4.

图4 筛网桥接装配图

3)振动电机及减震弹簧的设计。

为了降低整个装置的重心，提高装置的稳定性和工作时的安全性，将振动电机置于对称中心的左右下方两侧[4-6]，分级叠筛的振动轨迹为垂直面上直线型。两台相同型号的振动电机分别安装在叠筛的左右下方，使两个转轴处于互相平行的位置，工作时电机转向相反，振动叠筛产生直线形振动，使物料不断地翻滚和松散，驱使卡在筛孔内的物料跳出，具有防止筛孔堵塞，筛分效率高，处理能力可调等优点。

实践证明，增加振动强度可以提高叠筛的脱介、脱水和筛分效率，但增加振动强度带来的加速度和惯性力的增大会显著降低筛子的使用寿命。为了提高装置的安全性，以及装置和筛网的使用寿命，还要保证筛分叠筛运转的稳定性，将减震弹簧放置在装置的底座中[7]，降低装置的重心。

4 结 语

对于煤泥分选回收，目前尚缺乏单一、有效的分选分级设备实现一次性分选出不同级别的物料，设计的煤泥分选分级组件及其系统有望于解决干法分选过于繁杂的工艺流程问题，实现快速一次性的分选分级出+0.5 mm、0.25～0.5 mm、0.125～0.25 mm、0.075～0.125 mm、0.045～0.075 mm及-0.045 mm颗粒。该系统能够对浮选尾矿粒径、灰度进行分析，以确定浮选效果，同时作为一个组件，还可以用于煤样的筛分实验。