張立文 ，李國豐 ，周恩會(huì) ，朱廣慶 ，張 博 ，3

（1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.神華集團(tuán)包頭能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014030；3.北京礦冶研究總院礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628）

重介淺槽分選技術(shù)因其具有分選粒級(jí)寬，對(duì)不同煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)以及分選效率高和次生煤泥少等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-3]，目前重介淺槽分選設(shè)備在神東、大同、潞安等各大礦企選煤廠均有應(yīng)用[4-6]。現(xiàn)有淺槽分選技術(shù)一般不入選粒徑小于13 mm的末煤，這是因?yàn)楝F(xiàn)有淺槽分選技術(shù)處理末煤時(shí)往往面臨效率不高，降灰效果不明顯，以及管路易堵塞的問題[7]，內(nèi)在原因是隨著入料下限減小，細(xì)顆粒含量增加，這些細(xì)顆粒通常需要較長的分離時(shí)間以及穩(wěn)定的懸浮液體系。此外，細(xì)顆粒還會(huì)進(jìn)入分選機(jī)底部，堵塞管路，致使末煤難以實(shí)現(xiàn)按密度分離[8]。然而末煤入選對(duì)于淺槽而言，不僅可以拓寬分選粒級(jí)，還可以最大程度回收精煤，減輕末煤處理負(fù)擔(dān)，降低介耗，簡化工藝流程，對(duì)于減少項(xiàng)目投資，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的影響[9-11]。尤其近年來煤炭市場疲軟，產(chǎn)品價(jià)格下跌，所以減小淺槽入料下限，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本也就成為重介淺槽的應(yīng)用商家提高經(jīng)濟(jì)效益最重要的途徑之一[12]。

不連溝選煤廠[13]通過探索將淺槽入料粒度上限由13 mm減小到10 mm，李家壕選煤廠[14]進(jìn)行了將粒度下限由6 mm減小至3 mm的工業(yè)試驗(yàn)，紅慶梁選煤廠[15]也將入料粒度下限調(diào)整到6 mm。雖然目前已有不少的選煤廠將入料粒度下限調(diào)整至6 mm或更小，但對(duì)大部分選煤廠而言入料粒度下限依然停留在13 mm或25 mm[16-17]，這是因?yàn)闇p小重介淺槽入料粒度下限所帶來的問題至今沒有較為有效的解決方法。在本研究中，針對(duì)減小淺槽入料粒度下限的可行性以及操作參數(shù)最優(yōu)范圍進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)研究，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

1 試驗(yàn)

分選試驗(yàn)所用淺槽重介質(zhì)分選系統(tǒng)如圖1所示，其中布水板開孔率為13%，孔徑為8 mm。試驗(yàn)所采用的磁鐵礦粉真密度為4.5 g/cm3，粒徑小于0.074 mm的顆粒占80%以上，小于0.045 mm的顆粒占90%以上；入料末原煤粒徑為13～6 mm，其灰分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為16.84%。

圖1 淺槽重介質(zhì)分選系統(tǒng)Fig.1 Heavy medium separation system of shallow vessel

上升水流在淺槽中主要起到穩(wěn)定介質(zhì)、維持分選室密度的作用。流速選擇依據(jù)主要有以下3點(diǎn)：1）流速可以維持懸浮液系統(tǒng)的穩(wěn)定；2）不能阻礙入料顆粒的沉降，即上升水流不能增加錯(cuò)配物含量；3）流速應(yīng)為滿足上述條件下的最小值，以減小系統(tǒng)能耗。

顆粒在靜止懸浮液中的自由沉降末速度[10]為

式中，v0為沉降末速，m/s；ψ為阻力系數(shù)；ρ為懸浮液的密度，g/cm3；σ為入料固體顆粒密度，g/cm3；d為入料顆粒粒徑，mm；g為重力加速度，計(jì)算時(shí)取9.8 cm/s2。

而表征流體物理性質(zhì)的雷諾數(shù)為

式中：v為流體速度，m/s；μ 為動(dòng)力黏度，Pa·s。

由于阻力系數(shù)ψ是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，同時(shí)，Re又是自由沉降末速的函數(shù)，因此，根據(jù)阻力系數(shù)ψ與Re的關(guān)系，將阻力區(qū)劃分為以下3種[11]。

斯托克斯公式（Re∈[0，0.5]）：

阿連公式（Re∈[30，300]）：

牛頓-雷廷智公式（Re∈[3000，1×105]）：

根據(jù)沉降公式計(jì)算磁鐵粉與矸石顆粒的沉降速度，其中矸石顆粒與磁鐵粉顆粒的密度分別取2.2、4.5 g/cm3，粒徑分別取 6、0.045 mm。

顆粒沉降速度與雷諾數(shù)的關(guān)系表如表1所示。對(duì)于粒徑為6 mm矸石顆粒（ρ=2.2 g/cm3）而言，假設(shè)其處于斯托克斯區(qū)域，那么其沉降末速所對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為1.4×105遠(yuǎn)大于0.5。顯然，其沉降末速不屬于斯托克斯區(qū)域，依此進(jìn)行計(jì)算，逐一排除后可以看出過渡區(qū)末端計(jì)算所得到的沉降末速在理論范圍內(nèi)，即粒徑為6 mm矸石顆粒對(duì)應(yīng)的沉降末速為0.06 m/s；同理可以看出，斯托克斯公式（Re≤0.5）適用于磁鐵礦粉顆粒的沉降，自由沉降末速為0.003 9 m/s。因?yàn)? mm矸石顆粒（ρ=2.2 g/cm3）的自由沉降末速為0.06 m/s，所以為了防止細(xì)顆粒矸石透過布水板堵塞管路，綜合考慮磁鐵礦粉與矸石顆粒沉降末速，上升水流速度應(yīng)大于0.06 m/s。

表1 顆粒沉降速度與雷諾數(shù)的關(guān)系表Tab.1 Relation between terminal velocity and reynolds numbers on particles

2 結(jié)果與分析

2.1 水平流與上升流速度比值對(duì)分選效果的影響

水平流和上升流對(duì)于顆粒分選時(shí)間和懸浮液穩(wěn)定以及靜態(tài)懸浮液密度都有影響，在試驗(yàn)中以水平流和上升流速度比值作為操作參數(shù)研究其對(duì)分選效果的影響，將該比值記為R。

不同懸浮液密度與上升水流速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 不同懸浮液密度與上升水流速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relationship between the different suspension densities and velocities of the rising water

以分選產(chǎn)品灰分離析度SA來評(píng)價(jià)分選效果，SA越大表明分選效果越好，其計(jì)算公式[12]如下：

式中，n表示產(chǎn)品數(shù)；Ai表示第i個(gè)產(chǎn)品灰分，%；A表示產(chǎn)品平均灰分，%。

圖2是不同懸浮液密度下水平流與上升流速度比值對(duì)灰分離析度的影響。在圖2中，SA越大表明浮物和沉物的灰分差距越大，產(chǎn)品錯(cuò)配率越??；反之，SA越小表明產(chǎn)品灰分差距越小，產(chǎn)品錯(cuò)配率較大，分選效果較差。

圖2 不同懸浮液密度下水平流與上升流速度比值對(duì)灰分離析度的影響Fig.2 Ash segregation of the ratios between different horizontal flow and rising water velocities under different suspension densities

由圖2可知，隨著速度比值R的增加，產(chǎn)品的灰分離析度逐漸減小。其中，對(duì)于密度為1.4、1.5 g/cm3的懸浮液，當(dāng)R的值介于2.0～2.5之間時(shí)，產(chǎn)品灰分離析度下降平緩，說明R在該范圍內(nèi)分選效果比較好；R超過2.5以后，SA下降趨勢(shì)加劇，分選效果急劇變差。對(duì)于密度為1.6 g/cm3的懸浮液，SA隨R的增大也呈下降趨勢(shì)，不同的是，對(duì)于1.6 g/cm3的懸浮液，R最佳的取值范圍為1.5～2.0；對(duì)于密度為1.7 g/cm3的懸浮液，整個(gè)區(qū)間的離析度SA都呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，說明R為1.5～4.0時(shí)并不利于分選，這是因?yàn)樗髁刻?，顆粒分選時(shí)間不充分。

綜上可知，對(duì)于靜態(tài)密度為 1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3的懸浮液，最佳的水平流與上升流速度比值分別為2.0～2.5、2.0～2.5、1.5～2.0 和 1.5。

2.2 給料位置對(duì)分選效果的影響

圖3為不同懸浮液密度下給料位置對(duì)離析度的影響。其中，Hi表示給料位置距離布水板的垂直距離，mm；H0表示液面高度，mm；Li表示給料位置距離給料口的水平距離，mm；L0則為分選室的長度，mm。

由圖3可以看出，隨著給料位置靠近排料端，入料顆粒的灰分離析度呈減小趨勢(shì)。在圖3a中，ρ為1.4 g/cm3，Li/L0為0.1～0.3時(shí)，離析度在0.74左右。而當(dāng)Li/L0大于0.3時(shí)，分選離析度逐漸減小，表明當(dāng)入料在距給料端0.1～0.3范圍內(nèi)，入料在淺槽系統(tǒng)中可以有效分選。而在不同懸浮液密度條件下，灰分離析度均隨著Li/L0的增加不斷減小，只是在圖3d中減小的趨勢(shì)變緩，表明懸浮液密度較大時(shí)，給料位置對(duì)于灰分離析度的影響不再明顯?？傮w而言，在Li/L0為0.1～0.3時(shí)，灰分離析度SA較大，分選效果較好；而在不同懸浮液密度條件下，當(dāng)Hi/H0等于0.7時(shí)，灰分離析度偏大，分選效果較好。

圖4為不同懸浮液密度下給料位置對(duì)排料時(shí)間的影響。排料時(shí)間表示排料口明顯有物料排出與物料基本排完的時(shí)間差。

由圖4可知，在不同給料位置條件下，浮物產(chǎn)品到達(dá)溢流口的排料時(shí)間明顯不同。隨著給料位置靠近排料口，排料時(shí)間減少。當(dāng)Li/L0為0.1～0.3時(shí)，大部分浮物產(chǎn)品排料時(shí)間在4～4.5 s左右，相對(duì)其它入料位置所需時(shí)間較大。表明入料顆粒靠近給料端時(shí)，顆粒在上升水流的作用下分散，且在到達(dá)溢流口之前具有足夠的時(shí)間充分分選。分析圖4可知，離析度越大，浮物產(chǎn)品到達(dá)溢流口的時(shí)間差越大，顆粒在淺槽系統(tǒng)中的松散度越大；而當(dāng)入料顆粒的給料位置繼續(xù)向排料口靠近時(shí)，排料時(shí)間呈縮短趨勢(shì)，且SA值均較小，表明入料位置距給料端較遠(yuǎn)時(shí)，顆粒在淺槽系統(tǒng)中受上升水流作用的時(shí)間較短，顆粒在到達(dá)溢流口時(shí)尚未完全松散，此時(shí)分選效果較差。

當(dāng)入料位置處于淺槽液面頂部時(shí)，物料受水平流輸送作用影響，尚未有效松散與分離便到達(dá)溢流口，排料時(shí)間較短，SA值較小，分選效果較差。當(dāng)入料位置處于淺槽中下部時(shí)，重產(chǎn)物在系統(tǒng)中下沉的空間小，下沉?xí)r間縮短，且輕產(chǎn)物到達(dá)溢流口時(shí)間延長，分選效果較好。

圖3 不同懸浮液密度下給料位置對(duì)離析度的影響Fig.3 Influence of different feed positions on segregation under different suspension densities

圖4 不同懸浮液密度下給料位置對(duì)排料時(shí)間的影響Fig.4 Influence of different feeding position on discharge time under different suspension densities

綜上所述，當(dāng)Hi/H0為0.7，Li/L0為0.1～0.3時(shí)，對(duì)于靜態(tài)密度為 1.4、1.5、1.6、1.7g/cm3的懸浮液而言排料時(shí)間較長，SA值較大，分選效果較好。

2.3 分選實(shí)驗(yàn)

基于對(duì)影響淺槽重介質(zhì)分選機(jī)分選效果的操作因素的探索研究，對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)過程中難以有效分選的粒徑為13～6 mm末原煤進(jìn)行了分選實(shí)驗(yàn)，對(duì)分選產(chǎn)物進(jìn)行了浮沉化驗(yàn)分析，得到不同分選密度δp下的重產(chǎn)物分配率曲線如圖5所示。

圖5 不同分選密度下的重產(chǎn)物分配率曲線Fig.5 Distribution rate curves of heavy products under different separation densities

由圖5可知，對(duì)于粒徑為13～6 mm煤炭顆粒，分選密度分別為 1.44、1.58、1.67、1.73 g/cm3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的分選精度分別為 0.097、0.071、0.068、0.089g/cm3。

分選結(jié)果表明，在分選密度介于1.44～1.73 g/cm3的4種分選條件下，精煤產(chǎn)品灰分分別為8.55%、8.87%、9.15%和9.54%，可燃體回收率分別達(dá)到了80.49%、96.93%、97.76%和98.58%。

3 結(jié)論

通過分析計(jì)算粒徑6 mm矸石顆粒和磁鐵粉顆粒最小沉降末速，得到最小上升水流速度，結(jié)合試驗(yàn)研究得到了不同密度懸浮液下上升水流與水平流流速比值和最佳給料位置以及最優(yōu)條件下的分選結(jié)果，具體結(jié)論如下：

1）基于煤炭顆粒與磁鐵礦粉顆粒沉降差異性，確定了靜態(tài)密度為1.4～1.7 g/cm3懸浮液的上升水流速度操作范圍為6.3～11.4 cm/s。

2）通過對(duì)影響淺槽分選效果的主要操作因素水平流與上升流速度比值、給料位置和分選時(shí)間的試驗(yàn)研究與分析，確定了Hi/H0為0.7、Li/L0為0.1～0.3時(shí)為最佳給料位置，最佳水平流與上升流流速比值分別為2.0～2.5（ρ為1.4～1.5g/cm3時(shí)）、1.5～2.0（ρ為1.6、1.7 g/cm3時(shí)）。

3）在最優(yōu)條件下，粒徑為13～6 mm煤炭分選密度介于1.44～1.73 g/cm3時(shí)，可燃體回收率最高可達(dá)98.58%，可能偏差E值可達(dá)到0.068 g/cm3。精煤產(chǎn)品灰分分別為8.55%、8.87%、9.15%和9.54%，可燃體回收率分別達(dá)到了80.49%、96.93%、97.76%和98.58%。