崔廣文，孫銘陽，史俊凱，劉曉明，郭 旺

(山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東青島266590)

CUI Guangwen，SUN Mingyang，SHI Junkai，LIU Xiaoming，GUO Wang( College of Chemical&Environmental Engineering，Shandong University of Science&Technology，Qingdao 266590，China)

三錐水介旋流器的高硫煤脫硫降灰及其分選原理

崔廣文，孫銘陽，史俊凱，劉曉明，郭 旺

(山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東青島266590)

為實現高硫煤的脫硫降灰，采用三錐水介旋流器，取華恒高硫煤小于3 mm粒級的煤樣進行脫硫實驗，探討三錐旋流器脫硫降灰的粒度下限，分析顆粒在三錐水介旋流器內部的運動特性，得到了顆粒徑向速度與顆粒密度和粒度、所處的徑向位置、顆粒的切向角速度以及顆粒軸向位置等變量的函數關系式。結果表明:三錐水介旋流器的降灰粒度下限為0. 125 mm，脫除黃鐵礦硫粒度下限為0. 074 mm。該旋流器中產生的自生介質和前兩段錐體連接處的淘析作用可以使三錐水介旋流器實現高效分選。

三錐水介旋流器;脫硫降灰;分選原理;顆粒運動特性;旋轉流

收稿日期: 2013-11-18
基金項目:山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金項目( BS2013NJ019) ;山東科技大學研究生創(chuàng)新基金項目( YCB120165)
第一作者簡介:崔廣文( 1963-)，男，黑龍江省七臺河人，副教授，博士，研究方向:浮選藥劑及粗煤泥分選，E-mail: cuiguangw@ sina．com。

目前，隨著煤炭資源的不斷消耗，越來越多的高硫煤被開采利用。高硫煤資源的合理綜合治理成為亟待解決的一個經濟、資源和環(huán)境難題[1-2]。

三錐水介旋流器是一種新型的粗煤泥分選設備，在重力和離心力的復合物理力場中，借助高強度螺旋流對入料按密度進行分選[3]。該設備已在山西方山選煤廠和濟三煤礦選煤廠得到應，取得良好的分選效果。筆者利用三錐水介旋流器進行高硫煤脫硫降灰實驗研究，探討三錐水介旋流器的分選原理和旋轉硫分選特點。

1三錐水介旋流器的結構

現階段主流的粗煤泥分選設備所存在的問題主要包括產品后續(xù)處理復雜，如煤泥重介旋流器，其分選精度不高、精煤產品灰分偏高、結構復雜、能耗高且不易維修等[4-7]。三錐水介旋流器是一種水介分選設備，分選時不需要添加其他重介質。水介旋流器內部結構如圖1所示，錐體分為三段，由第一段到第三段錐角逐漸減小;溢流管直徑與旋流器筒體直徑之比偏大，溢流管下端與底流口的距離較小。

圖1 三錐水介旋流器結構Fig．1 Structure of three cone hydrocyclone

影響三錐水介旋流器分選效果的因素有入料壓力、入料質量濃度以及小于0. 075 mm的入料顆粒的含量、溢流管插入深度和各圓錐段的長度、錐角大小等。

2細粒高硫煤的脫硫實驗

2. 1 實驗煤樣

煤樣取自汶南華恒高硫煤，顆粒小于3 mm的粒級，煤樣的浮沉和篩分數據見表1和表2。

表1實驗煤樣浮沉數據Table 1 Float and sink analysis of coal sample

表2實驗煤樣篩分數據Table 2 Screen analysis of high sulfur coal sample

2. 2 脫硫降灰效果評價

文中用到的脫硫降灰效果評定指標包括黃鐵礦硫脫硫完善度η和脫除率Spr以及灰分脫除率Ar。表達式為

式中:γp——精煤產率;

Spf——入料中黃鐵礦硫分;

Spp——精煤中黃鐵礦硫分;

Af——入料灰分;

Ap——精煤灰分。

2. 3 脫硫實驗流程及效果

三錐水介旋流器脫硫實驗流程如圖2所示。

圖2 三錐水介旋流器脫硫實驗流程Fig．2 Flowsheet of three cone hydrocyclone desulfurization test

三錐水介旋流器脫硫實驗的操作參數是:入料壓強0. 05 MPa，入料質量濃度150 g/L，溢流管插入深度60 mm。由脫硫實驗得到溢流和底流中各粒級的灰分、全硫和黃鐵礦硫見表3和表4。

表3溢流篩分分析Table 3 Screening analysis of overflow

表4底流篩分分析Table 4 Screening analysis of underflow

由表2～4做出入料、溢流和底流中灰分、全硫以及黃鐵礦硫隨粒度的變化曲線，見圖3。

圖3 三錐水介旋流器脫硫降灰效果隨粒度變化曲線Fig．3 Effect of deashing and desulfurization of three cone hydrocyclone along with particle size change of feed，overflow and underflow

由表2～4得出溢流中3～0. 125 mm粒級的平均灰分為6%，3～0. 125 mm粒級的產率占入料中3～0. 125 mm粒級的79. 02%，同時3～0. 125 mm粒級的灰分脫除率高達71. 76%，可見三錐水介旋流器對大于0. 125 mm粒級的降灰效果非常明顯。由圖3可以看出，在粒度大于0. 125 mm時，入料和溢流中各粒級的灰分相差明顯，在0. 125 mm之后，隨著粒度的減小這種差距也迅速降低，因此，可以確定三錐水介旋流器的降灰下限為0. 125 mm;同理，由表2～4以及圖3c可以得出，三錐水介旋流器的有效脫硫深度可達0. 074 mm，此時溢流中大于0. 074 mm粒級的平均黃鐵礦硫分為0. 23%，3～0. 074 mm粒級的黃鐵礦脫除率為77. 09%，黃鐵礦脫硫完善度達80%，脫硫效果顯著。

由圖3可以看出，溢流和入料中小于0. 074 mm粒級的灰分和硫分很相近，這說明兩個問題:其一，三錐水介旋流器對入料中小于0. 074 mm的粒級具有顯著的分級作用，該粒級進入旋流器后絕大部分由溢流排出，導致溢流中該粒級的灰分和硫分與入料中的很接近;其二，小于0. 074 mm粒級中的矸石和黃鐵礦等顆粒在三錐水介旋流器中基本未被分選，而主要承擔了自生煤泥介質的角色，使得較大粒級得到較好的分選。

3三錐水介旋流器的分選原理

3. 1 顆粒的運動特點

顆粒由入料口進入旋流器內部后，存在切向、軸向和徑向三個方向的速度，如圖4a所示，其中徑向速度對顆粒在旋流器內部的分離過程至關重要。顆粒隨水介質進入旋流器之后，顆粒與水介質便出現了相對運動，當顆粒受力達到平衡時，顆粒徑向速度vr等于介質徑向速度ur與顆粒在徑向上的沉降末速ω0矢量和[8-9]，即

圖4 顆粒在三錐水介旋流器內的運動及其徑向受力分析Fig．4 Particles movement and their force analysis in radial direction

在徑向上，顆粒除受到離心力FC以及由離心力產生的指向中心的向心浮力FB以外，還受到流體介質向心的曳(阻)力FD。顆粒在徑向上受力情況如圖4b和c所示。圖4b是向軸心運動的顆粒在徑向上的受力，圖4c是向器壁運動的顆粒在徑向上得受力。

當顆粒在徑向上達到受力平衡時，有

由式( 5)得到顆粒在徑向方向上速度達到沉降末速時v =ω0。

對于球形顆粒

代入式( 6)得

旋流器內某點處介質的徑向速度隨半徑的增大而減小，其經驗公式可表示為

式中，m和K是與旋流器的工況及內部軸向位置有關的數據。

設向軸心的方向為正，將式( 6)、( 8)代入式( 4)得

由式( 9)可以看出，顆粒的徑向速度與顆粒密度、粒度，所處的徑向位置，顆粒的切向角速度以及顆粒軸向位置等因素相關。粒度和密度越小的顆粒，其沉降末速越小，當其向軸心方向運動時，由于其回轉半徑的減小，導致它指向軸心的速度不斷增大，最后由溢流排出。對于密度和粒度較大的顆粒其沉降末速較大，更易于沿遠離軸心的方向運動，進入外螺旋流中，最后由底流排出。如果某個顆粒的徑向速度為零，意味著該顆粒進入底流或溢流由其與軸向零速度絡合面的相對位置決定。由式( 9)還可以看出，當顆粒徑向速度為零時，密度和粒度較大的顆粒，也有可能位于旋轉半徑較小的位置上，而密度和粒度較小的顆粒有可能會在旋轉半徑較大的位置上。要實現對不同顆粒的有效分選，就需要打破這種不利的分布，使“錯誤位置”上的顆粒得到二次分選，三錐水介旋流器正是借助于其特殊的錐角結構來實現這一目的。

3. 2 旋轉流分選特點

三錐水介旋流器的內部流態(tài)為強旋轉湍流，可分為向上的內螺旋流和向下的外螺旋流[10-11]。外螺旋流由上到下旋轉運動過程中，其內層可以在溢流管底端到底流口之間的任意軸向位置上轉化為內螺旋流。由于三錐水介旋流器中溢流管下端和底流口的距離較小，因此，三錐水介旋流器內外螺旋流的內層轉化為內螺旋流主要是在筒體和第一段錐體連接的附近位置，即主分選區(qū)。

在離心力的作用下，外螺旋流攜帶的粗大沉重的顆粒被甩到外螺旋流的外層，輕小的顆粒則分布在外螺旋流的內層，在外螺旋流到達第一段錐體時，由于第一段錐角較大，外層的粗大沉重的顆粒向下的軸向速度急劇減小，導致外層粗大沉重的顆粒在第一段圓錐部分聚集而產生較致密的底層[12]，外層輕小顆粒不能進入到內層，一部分進入到內螺旋流最后由溢流排出，剩下的內層小顆粒隨較致密的底層進入到第二錐。第二錐的錐角和半徑減小，外螺旋流切向速度增大，底層進入到第二錐下落的同時受到強烈的切向速度的沖擊而床層松散，這時產生析離作用，底層中大粒低密度的顆粒會透過松散的床層進入到內螺旋流，而細粒高密度的顆粒如黃鐵礦顆粒、矸石顆粒等則會通過床層進入到外螺旋流的底層。進入第三段錐體后，由于其錐角很小，外螺旋流中的顆粒被進一步分級，較輕的細顆粒隨上升的水流由溢流排出。

4結論

( 1)三錐水介旋流器降灰粒度下限可達0.125 mm，溢流中3～0. 125 mm粒級的平均灰分為6%，灰分脫除率可達71. 76%，產率占入料中3～0. 125 mm粒級的79. 02%。其對黃鐵礦顆粒的分選深度可達0. 074 mm，此時溢流中大于0. 074 mm粒級的平均黃鐵礦硫分0. 23%，3～0. 074 mm粒級的黃鐵礦硫脫除率為77. 09%，黃鐵礦硫脫硫完善度達80%。

( 2)三錐水介旋流器對小于0. 074 mm粒級具有顯著的分級作用。該粒級絕大部分由溢流排出，其作為三錐水介旋流器內部的自生介質提高了較大粒級的分選效果。

( 3)顆粒在三錐水介旋流器中運動的徑向速度與顆粒的密度和粒度、顆粒所處的徑向位置、顆粒的切向角速度以及顆粒軸向位置等因素有關。

( 4)三錐水介旋流器可以對不同顆粒實現分選。其一，借助入料中小于0. 074 mm粒級形成的自生介質，在主分選區(qū)內實現按密度分選;其二，外螺旋流中分布錯誤的顆粒在第一段和第二段錐體的連接處由于淘析作用實現按密度的二次分選，加強了三錐水介旋流器對大粒低密度顆粒和細粒高密度顆粒的分選精度。

[1] 謝廣元，歐澤深．煤炭洗選脫硫研究[J]．中國礦業(yè)大學學報，1999，28( 5) : 502-505．

[2] CUI GUANGWEN，SUN MINGYANG，LI YANJUN，et al．A brief analysis of coal desulfurization before combustion[J]．Advanced Materials Research，2012，512( 6) : 2477-2481．

[3] 三錐旋流器課題組．三錐旋流器精選粗煤泥的研究[J]．選煤技術，1990，6( 3) : 77-79．

[4]丁華瓊，熊振濤，李延峰，等．滇東北高硫煤的TBS干擾床脫硫試驗研究[J]．煤炭工程，2010，17( 7) : 86-89．

[5] 謝廣元．選礦學[M]．徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2001: 235-243．

[6] HONAKER R Q，DAS A．Ultrafine coal cleaning using a centrifugal fluidized-bed separator[J]．Coal Preparation，2004，24( 1) : 1-18．

[7] HONAKER R Q．High capacity fine coal cleaning using an enhanced gravity concentrator[J]．Minerals Engineering，2004，11 ( 12) : 1191-1199．

[8]褚良銀，陳文梅．旋轉流分離理論[M]．北京:冶金工業(yè)出版社，2002: 1-4．

[9] 韋魯濱，趙 海，楊小生，等．異形水力旋流器的松散機理與

分級特性[J]．中國有色金屬學報，1999，9( 3) : 596-600．[10]MORTEZA GHADIRIAN，ROBERT E HAYES，JOSEPH MMBAGA，et al．On the simulation of hydrocyclones using CFD[J]．The Canadian Journal of Chemical Engineering，2013，36( 6) : 950-958．

[11]DLAMINI M F，POWEL M S，MEYER C J．A CFD simulation of A single phase hydrocyclone flow field[J]．The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy，2005，105 ( 7) : 711-718．

[12] NIKKAM，SURESH．Hydrocyclone[J]．Mining Magazine，

1990，12( 4) : 266-268．

(編輯 徐巖)

Research on separation principles of desulfurization for high sulfur coal in three cone hydrocyclone

Aimed at realizing deashing and desulfurization of high sulfur coal，this paper is concerned with the description of the structure of three cone hydrocyclone，the exploration of the depth of deashing and desulfurization of three cone hydrocyclone，the investigation into the deashing and desulfurization of 0～3 mm size fractions of Huaheng high sulfur coal，and the analysis of the moving characteristic of particles in the three cone hydrocyclone．These steps are combined to produce the function expression involving particle radial velocity，particle size and density，particle radial and axial location，and particle tangential angular velocity．The results suggest that three cone hydrocyclone allows the deashing and desulfurization depth of 0．125 mm and 0．074 mm respectively．The formation of autogenous medium and the elutriation effect between the first two cones gives three cone hydrocyclone the ability to achieve an efficient separation．

three cone separation hydrocyclone; desulfurization and deashing; separation principle; moving characteristic of particles;rotating flow

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 012

TD94

2095-7262( 2014) 01-0053-05

A

CUI Guangwen，SUN Mingyang，SHI Junkai，LIU Xiaoming，GUO Wang
( College of Chemical&Environmental Engineering，Shandong University of Science&Technology，Qingdao 266590，China)