張旭東，樊民強(qiáng)

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

新型分選分級(jí)機(jī)研制及其試驗(yàn)研究

張旭東，樊民強(qiáng)

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

摘要：在分析液固流化床性能的基礎(chǔ)上，研制了一種新型煤泥分選分級(jí)機(jī)，闡述了它的工作原理與特點(diǎn)。以浮選尾煤為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了無頂水和有頂水的分選試驗(yàn)。結(jié)果表明，該分選分級(jí)機(jī)對(duì)浮選尾煤具有良好的分選降灰和分級(jí)效果。在底錐增加上升頂水的掃選環(huán)節(jié)有助于提高設(shè)備的分選分級(jí)效果，能夠從高灰浮選尾煤中回收灰分28.48%，產(chǎn)率23.64%的+0.125mm低灰中煤，具有良好的分選效率，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：分選分級(jí)機(jī)；浮選尾煤；頂水

在煤炭洗選過程中，進(jìn)入浮選系統(tǒng)的細(xì)泥量不斷增加，導(dǎo)致細(xì)粒煤可浮性變差，浮選效果降低，浮選尾煤灰分偏低，精煤損失增加，造成了寶貴資源的浪費(fèi)。因此，尋求合理有效的分選方法與設(shè)備對(duì)浮選尾煤進(jìn)行回收精煤或中煤很有必要[1]。

TBS作為一種高效處理粗煤泥的分選設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[2]。經(jīng)過近十年的研究完善，國內(nèi)外各種新型的干擾床分選機(jī)層出不窮，日漸成熟[3-4]。Erize公司研制的水力浮選分選機(jī)，實(shí)現(xiàn)了浮選和重選的聯(lián)合分選[3，5]。RC分選機(jī)添加了傾斜版，增大了顆粒沉降面積。其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易檢修與操作[6]。Allflux分級(jí)機(jī)實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒級(jí)物料的高效分級(jí)，產(chǎn)出三個(gè)不同粒度級(jí)的產(chǎn)品，滿足了用戶對(duì)不同粒級(jí)煤的需求[7]。焦紅光等通過引入阻尼塊，提高了干擾床分選機(jī)的分選效果；張義順等人指出了它的最佳入料粒度和濃度范圍[8-9]；該結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)水流不易穩(wěn)定，易波動(dòng)。李延鋒等人研制了多產(chǎn)品液固流化床，指出該流化床相對(duì)于傳統(tǒng)的液固流化床的分選效果好，能夠緩解底流跑粗現(xiàn)象和減輕高灰細(xì)泥對(duì)精煤的污染，具有更好的適應(yīng)性和靈活性[10-11]，但該結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，柱體較高，需要空間大。

筆者在傳統(tǒng)液固流化床的基礎(chǔ)上，研制了一種新型分選分級(jí)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并就浮選尾煤進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。

1新型分選分級(jí)機(jī)

1.1新型分選分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)與工作原理

針對(duì)傳統(tǒng)液固流化床分選機(jī)的分選性能，結(jié)合近年來各種新型液固流化床的優(yōu)勢(shì)，提出了一種新型三產(chǎn)品分選分級(jí)機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

其工作原理見圖2。物料經(jīng)過礦漿攪拌桶攪拌，均勻混合后經(jīng)入料管進(jìn)入分選分級(jí)機(jī)的中下部，沿中心錐壁面呈一定的斜面流流動(dòng)，使得高密度的粗顆粒首先沉降到錐壁面，低密度細(xì)顆粒則在斜面流的上層，物料初步按粒度和密度分層。物料流動(dòng)到“水躍板”底部，受到阻擋后，連續(xù)物料改變流向，沿壁面斜上方反射，呈拋物線運(yùn)動(dòng)，使入料顆粒向上和水平向外運(yùn)動(dòng)，形成上升物料流。在反射過程中，“水躍板”底部的高密度粗顆粒首先沉降，進(jìn)入底錐成為尾礦；較低密度粗顆粒和高密度細(xì)顆粒則通過中流通道進(jìn)入中流柱體，成為中煤；低密度細(xì)粒級(jí)顆粒則在上升水流作用下進(jìn)入溢流，成為中煤或精煤，實(shí)現(xiàn)了多次分選。底錐內(nèi)設(shè)有上升頂水管，用以提供上升水流，實(shí)現(xiàn)底流的掃選功能，從而避免底流夾帶低灰中煤(或精煤)問題。兩次上升流(連續(xù)入料上升流和外加頂水上升流)實(shí)現(xiàn)了良好的分級(jí)效果，降低了底流的跑粗與底流的細(xì)粒夾帶。

圖1　新型三產(chǎn)品水力分選分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖2　反射流分離示意

新型分選分級(jí)機(jī)特點(diǎn)如下所述。①新型分選分級(jí)機(jī)入料管底部設(shè)有“水躍板”，既避免了入料與上升水流的直接沖擊產(chǎn)生的強(qiáng)烈紊亂現(xiàn)象，減少了物料高密度細(xì)顆粒與低密度粗顆粒的錯(cuò)配，又利用斜面流原理和水躍作用，使物料顆粒在連續(xù)的入料中利用顆粒自身的性質(zhì)就實(shí)現(xiàn)了多次分選。②底錐設(shè)有頂水，可提供均勻的上升水流。入料經(jīng)過數(shù)次的分選后，初尾進(jìn)入底錐，在上升頂水的作用下尾煤夾帶的低灰精煤或中煤得到再次回收。尾煤中夾帶的高灰細(xì)泥被上升水流帶進(jìn)溢流，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒級(jí)的重新分級(jí)，分選分級(jí)效果得到提高。③該分選分級(jí)機(jī)實(shí)現(xiàn)了多段分選分級(jí)過程，與多產(chǎn)品液固流化床相比，上升頂水用于掃選階段，故上升頂水用量要比常規(guī)的流化床分選分級(jí)機(jī)的少，節(jié)約了用水，又增添了入料的分選分級(jí)環(huán)節(jié)。多段分選環(huán)境的出現(xiàn)，大大提高了設(shè)備的分選精度，柱體結(jié)構(gòu)簡單。

2試驗(yàn)樣品與系統(tǒng)

2.1煤樣性質(zhì)

試驗(yàn)煤樣取自山西某選煤廠浮選尾煤經(jīng)高頻篩脫泥后的篩上產(chǎn)品，煤樣粒度組成如表1所示：從表1看出，-0.5+0.25mm產(chǎn)率為45.08%，為主導(dǎo)粒級(jí)。中間-0.5+0.125m粒級(jí)產(chǎn)率高達(dá)63.59%，灰分為50.07%，灰分較合計(jì)總灰分偏低，說明中間粒級(jí)中含有部分低灰煤，可用于回收。粗粒級(jí)與細(xì)粒級(jí)的含量低，灰分高，可回收成份少。

表1　煤樣粒度組成表

2.2試驗(yàn)系統(tǒng)

制作了Φ=200mm，H=430mm的試驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室搭建系統(tǒng)進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖3，主要由攪拌桶、渣漿泵、新型分選分級(jí)機(jī)、變頻器、清水泵、流量及壓力表等部分組成。

3試驗(yàn)研究

試驗(yàn)主要考察了上升頂水量對(duì)分選分級(jí)效果的影響。在其他試驗(yàn)條件固定的條件下，改變頂水量的大小，對(duì)不同排出口的各產(chǎn)品分別同時(shí)采樣，通過對(duì)產(chǎn)品篩分，進(jìn)行粒度分析，并對(duì)各粒級(jí)進(jìn)行稱重并化驗(yàn)灰分，繪制各產(chǎn)品的粒度分配圖和不同粒度產(chǎn)品隨頂水量的變化關(guān)系圖。

3.1無頂水試驗(yàn)

表2和圖4給出了在無頂水的條件下，入料濃度為120g/L，入料量3.2m3/h，入料壓力0.03MPa的試驗(yàn)結(jié)果。

由表2可以看出，溢流產(chǎn)品的總灰分為36.31%，中間產(chǎn)品總灰分為51.94%，底流灰總分為66.12%。溢流產(chǎn)品與中間產(chǎn)品、中間產(chǎn)品與底流產(chǎn)品的灰分分別相差15.63%和12.81%，說明該設(shè)備在無頂水情況下，利用自身的連續(xù)入料反射流即可對(duì)浮選尾煤起到一定的分選降灰作用。對(duì)+0.125mm的分選效果更明顯，可從尾煤中回收產(chǎn)率為14.20%，灰分為24.40%的低灰中煤。對(duì)于-0.125mm的高灰細(xì)泥來說，其本身灰分已經(jīng)很高，經(jīng)分選后溢流產(chǎn)品和中流產(chǎn)品中-0.125mm粒級(jí)灰分均有所降低，但仍不能滿足要求，回收意義不大。而其它各粒級(jí)均呈現(xiàn)不同程度的降灰效果。說明該分選分級(jí)機(jī)在無頂水條件下，依靠自身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)就可實(shí)現(xiàn)初步的分選降灰效果。

圖4為各粒級(jí)在不同產(chǎn)品中的分配率，從圖中可以看出：溢流主要為較細(xì)粒級(jí)，而且基本不夾帶粗顆粒；中流產(chǎn)品主要中間粒度級(jí)，兩端粒級(jí)則較少；底流則主要出粗顆粒，排粗能力強(qiáng)，說明了該分選分級(jí)機(jī)具有良好的分級(jí)效果。由于等沉比的存在，不可避免的-0.125mm高灰細(xì)泥進(jìn)入溢流，污染溢流產(chǎn)品，這就使得為保證溢流產(chǎn)品灰分，后序作業(yè)需增加脫泥環(huán)節(jié)。

圖3　試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

圖4　新型三產(chǎn)品水力分選分級(jí)機(jī)各產(chǎn)品粒度分配圖

粒級(jí)/mm溢流中流底流產(chǎn)率/%灰分/%篩上物累計(jì)產(chǎn)率/%灰分/%產(chǎn)率/%灰分/%篩上物累計(jì)產(chǎn)率/%灰分/%產(chǎn)率/%灰分/%篩上物累計(jì)產(chǎn)率/%灰分/%溢流可燃體回收率/%+1----0.4834.450.4834.452.3366.112.3366.110.00+1-0.50.4213.920.4213.927.3541.697.8341.2514.7367.4917.0667.300.85+0.5-0.257.9518.238.3718.0117.2552.3625.0848.8918.1165.0035.1766.1213.09+0.25-0.1255.8333.5714.2024.408.0954.6933.1750.304.3563.9639.5265.887.64-0.1256.6561.7120.8536.303.7166.5536.8851.942.7569.6342.2766.127.75合計(jì)20.8536.3136.8851.9442.2766.1229.33

3.2頂水試驗(yàn)

為了增強(qiáng)分選分級(jí)效果，加強(qiáng)對(duì)初尾的掃選，提高低灰煤的回收，試驗(yàn)中在底錐增加了中心式上升頂水，考察了頂水量的大小對(duì)各產(chǎn)品的影響。在以上試驗(yàn)條件都固定的條件下，設(shè)置頂水流量為0.1～0.44m3·h-1，各粒級(jí)產(chǎn)品灰分隨頂水量變化見圖5(a)～圖5(c)。

從圖5中可以看出，頂水的引入對(duì)該分選分級(jí)機(jī)的分選效果有重要影響。隨著頂水量的依次加大，三個(gè)產(chǎn)品中不同粒級(jí)灰分均有不同程度的提高，中間粒級(jí)0.125～0.5mm變化稍快，粗粒級(jí)+0.5mm次之，細(xì)粒級(jí)-0.125mm較慢。是因?yàn)槿肓现?，中間粒度級(jí)灰分偏低，有利于實(shí)現(xiàn)窄粒級(jí)分選，而-0.125mm粒級(jí)效果不佳。從以上結(jié)果來看，上升頂水對(duì)中流產(chǎn)品灰分的影響最大，其他兩個(gè)產(chǎn)品較弱，在頂水達(dá)到一定流量時(shí)，底流基本實(shí)現(xiàn)了排高灰尾煤，低灰煤夾帶大幅減少甚至基本不夾帶的良好效果。

當(dāng)上升頂水量增加到一定程度的時(shí)候，底流和中流產(chǎn)品灰分有所下降。這是由于分選腔較小，過大的上升頂水產(chǎn)生了較大的紊亂現(xiàn)象，擾亂了正常分選所需要的懸浮床層，使得顆粒之間產(chǎn)生了錯(cuò)配。中流產(chǎn)品和底流產(chǎn)品灰分均有所降低，而溢流相對(duì)上升頂水較遠(yuǎn)，受紊亂的影響較小。

各粒級(jí)產(chǎn)品分配率隨頂水量變化規(guī)律由圖6(a)～圖6(c)給出，隨著上升頂水量的增加，溢流產(chǎn)品中-0.125mm粒級(jí)分配產(chǎn)率大幅增加，其他兩產(chǎn)品中的該粒級(jí)下降，說明頂水量雖然對(duì)于高灰細(xì)泥的分選作用弱，但對(duì)其分級(jí)作用強(qiáng)。溢流產(chǎn)品中其他各粒級(jí)也不同程度的上長，相應(yīng)底流產(chǎn)品各粒級(jí)總體上均大幅度下降，中間產(chǎn)品各粒級(jí)則出現(xiàn)不同的現(xiàn)象，是由于細(xì)顆粒受頂水影響，起伏波動(dòng)較大。

圖5　各產(chǎn)品不同粒級(jí)灰分隨頂水量的變化

圖6　各產(chǎn)品不同粒級(jí)分配率隨頂水量的變化

由有無頂水條件下的分配曲線圖7看出，增加頂水以后，細(xì)粒級(jí)主要走溢流，粗顆粒則主要走底流。該分選分級(jí)機(jī)在增加上升頂水后，分級(jí)效果更好。

圖7　有無頂水各產(chǎn)品分配曲線

圖8給出了溢流產(chǎn)品中+0.125mm粒級(jí)灰分和產(chǎn)率、可燃體回收率與上升頂水量的關(guān)系，各指標(biāo)參數(shù)與頂水量基本成正相關(guān)關(guān)系?？扇俭w回收率增加了12.58%，灰分增加4.08%，產(chǎn)率增加9.45%，上升頂水的掃選環(huán)節(jié)作用效果明顯。溢流回收得到的這部分低灰中煤可用重浮聯(lián)合再選工藝等方法從中進(jìn)一步回收精煤[12]。新型分選降灰裝置的應(yīng)用，可降低尾煤回收成本。

圖8　溢流+0.125mm灰分與產(chǎn)率、可燃體回收率試驗(yàn)值與擬合值對(duì)比

對(duì)圖8各試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行擬合，0點(diǎn)接近于無頂水時(shí)的數(shù)值，考慮到實(shí)際分選過程，可燃體回收率和產(chǎn)率均不得超過100%，灰分不超過原樣合計(jì)灰分51.84%，所以選用一個(gè)常數(shù)項(xiàng)與威布爾分布構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型來擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如下。

溢流+0.125mm產(chǎn)率與頂水量關(guān)系見式(1)。

rc=100×[1-0.8587e-0.5977X1.9728]

(1)

溢流+0.125mm灰分與頂水量關(guān)系見式(2)。

Ac=51.84×[1-0.5295e-0.2592X0.5704]

(2)

溢流+0.125mm可燃體回收率與頂水量關(guān)系見式(3)。

Ec=100×[1-0.7862e-1.0883X2.1974]

(3)

式(1)～(3)中：Ec為可燃體回收率，%；rc為產(chǎn)率，%；Ac為灰分，%；X為頂水量，m3·h-1。

由數(shù)學(xué)模型得到圖8擬合曲線，通過對(duì)計(jì)算值與試驗(yàn)值運(yùn)用偏差平方的方法和進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，式(1)～(3)的偏差平方和分別為0.6927、0.2435、0.0555，擬合精度高，可作參考。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種具有反射水躍裝置的新型分選分級(jí)機(jī)，本身無運(yùn)動(dòng)部件，能耗低，可一次分選得到三個(gè)產(chǎn)品。

2)無頂水條件下，在尾煤再選試驗(yàn)中得到產(chǎn)率為14.20%，灰分為24.40%的+0.125mm低灰中煤，對(duì)處理尾煤具有良好的分選分級(jí)效果。

3)底錐增加上升頂水的掃選環(huán)節(jié)作用明顯，在一定的上升頂水范圍內(nèi)，隨著上升頂水量的增大，

分選分級(jí)效果更好。溢流產(chǎn)品+0.125mm可燃體回收率、灰分與產(chǎn)率均與上升頂水量基本成正相關(guān)關(guān)系，灰分提高到28.48%，產(chǎn)率提高到23.64%，效果明顯。

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Development and test study on a new type of separation classifier

ZHANGXu-dong，F(xiàn)ANMin-qiang

(CollegeofMiningEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)

Abstract:On the basis of the analysis of liquid-solid fluidized bed performance，a new type of separation classifier was developed and the working principle and characteristics of it wereanalyzed.In the coal flotation tailings as the study object，no top water and top water separation studies were testedrespectively.The results show that the separation classifier forcoalflotation tailings has good separation effect on reducing ash and grading.At the end of cone increasing rising top water scavenging process is helpful to improving the separation classification effect，andacquiringash 28.48% recovery from high ash coal flotation tailing and 23.64% yield of +0.125mm of low ash coal，with good separation efficiency and application prospect of wide.

Key words：separation classifier；coal flotation tailings；top water

收稿日期：2015-07-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：50974094)

作者簡介：張旭東(1991-)，男，山西大同人，碩士研究生。E-mail：1250572874@qq.com。 通訊作者：樊民強(qiáng)(1964-)，男，山西永濟(jì)人，教授，博士。E-mail：fanminqiang@sohu.com。

中圖分類號(hào)：TD94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0159-05