劉正權(quán)

(山西東方沃德能源管理有限公司，山西 太原 030031)

隨著煤炭生產(chǎn)、加工企業(yè)的不斷整合與重組，低效、高耗的小型企業(yè)關(guān)閉，高效、節(jié)能、環(huán)保的大型企業(yè)成立。在這個過程中，選煤廠原料煤煤質(zhì)日漸復(fù)雜，加上礦井采煤機械化程度的提高，原料煤中的細(xì)粒煤增多，生產(chǎn)系統(tǒng)煤泥含量高成為一種常態(tài)。根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃對煤炭潔凈高效利用的要求，細(xì)粒煤(煤泥)的高效分選和回收成為任務(wù)之一。在選煤工藝設(shè)計過程中，煤泥分選方法和工藝的選擇成為重要環(huán)節(jié)之一[1-4]。

在原料煤不脫泥、不分級的條件下，以無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器作為主選設(shè)備時，煤泥重介質(zhì)旋流器成為配套工藝的首選設(shè)備，這種組合工藝在許多選煤廠得到廣泛應(yīng)用[5-6]。通常煤泥重介質(zhì)旋流器的入料來自精煤弧形篩的篩下分流，就工藝流程來看，其屬于主選重介質(zhì)旋流器分選下限的延伸和補充，也是浮選系統(tǒng)降灰減負(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，煤泥重介質(zhì)旋流器的設(shè)計計算和選型顯得十分重要。前人對影響煤泥重介質(zhì)旋流器設(shè)計計算和選型的因素做了大量研究，并且取得很多研究成果[7-10]。為了提高煤泥重介質(zhì)旋流器設(shè)計計算和選型的便捷性，在推算出旋流器直徑與處理量、入料壓力關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過線性回歸方程和工業(yè)性試驗對其可靠性分別進行驗證。

1 處理量與旋流器直徑的關(guān)系

1.1 關(guān)系式推算

根據(jù)波瓦羅夫(JIoBapoB)計算法，煤泥重介質(zhì)旋流器的處理量可以表達為：

(1)

(2)

(3)

式中：Q為處理量；Ka為錐角修正系數(shù)，當(dāng)錐角為20°時，Ka=1；KD為旋流器直徑修正系數(shù)；di為入料管直徑，一般di=(0.20～0.30)D；do為溢流管直徑，一般d0=(0.32～0.50)D；P為入料壓力；D為旋流器直徑。

整理后可得

Q=1 954D2.50。

(4)

1.2 關(guān)系式驗證

為了驗證式(4)的可靠性和科學(xué)性，采用國內(nèi)常見煤泥重介質(zhì)旋流器的處理量、旋流器直徑(圓筒內(nèi)徑)系列數(shù)據(jù)擬合線性回歸方程，并對線性回歸方程進行分析。國內(nèi)常見煤泥重介質(zhì)旋流器的直徑與處理量對應(yīng)關(guān)系見表1。將表1的旋流器圓筒內(nèi)徑與平均處理量擬合，結(jié)果如圖1所示。

表1 旋流器直徑與處理量的對應(yīng)關(guān)系

圖1 旋流器直徑與處理量的關(guān)系

由圖1可知：平均處理量與旋流器直徑的2.5次方呈較好的線性關(guān)系，F(xiàn)HMC系列的線性回歸方程為Q=1 353K+27.57，SMC系列的線性回歸方程為Q=1 752K+12.99。兩個線性回歸方程的R2分別為0.996 4、0.999 9，說明在研究范圍內(nèi)擬合方程的可靠性極高。

擬合的線性回歸方程與推算的關(guān)系式存在差別，主要原因是擬合時選用的是平均處理量，處理量范圍較廣，加上說明書中的處理量取值較為保守，導(dǎo)致出現(xiàn)這種差別。但理論與實際的變化規(guī)律一致，通過關(guān)系式計算的數(shù)值在說明書規(guī)定的范圍內(nèi)，因此推算的關(guān)系式能夠較好地預(yù)測煤泥重介質(zhì)旋流器的處理量。

2 入料壓力與旋流器直徑的關(guān)系

2.1 關(guān)系式推算

煤泥重介質(zhì)旋流器主要由圓柱段、圓錐段、入料管、底流管、溢流管等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤泥重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)入料密度為ρ，入料管1-1、2-2截面面積為A1、A2，對應(yīng)的壓力為P1、P2，對應(yīng)的流速為v1、v2，則1-1、2-2截面處的伯努利方程為

(5)

整理后可得

(6)

由于A1v1=A2v2，且P2遠小于P1，整理后可得

(7)

(8)

煤泥重介質(zhì)旋流器內(nèi)離心力場的分離因數(shù)K可以表示為

(9)

式中：F為離心力；G為重力；m為顆粒質(zhì)量；v為顆粒旋轉(zhuǎn)速度；R為顆粒旋轉(zhuǎn)半徑；g為重力加速度。

由式(9)可知：隨著旋流器半徑的增大，分離因數(shù)減小，故旋流器器壁附近的分離因數(shù)最小。因此，只要旋流器器壁附近的分離因數(shù)能夠滿足顆粒分選條件，其余各點均能滿足分選條件。

假設(shè)v是入料管內(nèi)物料的流速，P是入料壓力，D是旋流器直徑，則有：

(10)

R=D/2。

(11)

將式(10)、式(11)代入式(9)，可得

(12)

整理后可得

(13)

煤泥重介質(zhì)旋流器的入料來源于精煤弧形篩的篩下分流，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，其密度在1.20～1.25 g/L之間，故ρ可認(rèn)為是恒值，故式(13)可寫為

P=A·D,

(14)

由式(14)可知：煤泥重介質(zhì)旋流器直徑與入料壓力呈線性關(guān)系，即入料壓力是旋流器直徑的若干倍。

2.2 常數(shù)項求解

為了求解關(guān)系式(式(14))中的常數(shù)項A，采用國內(nèi)常見煤泥重介質(zhì)旋流器的入料壓力、旋流器直徑(圓筒內(nèi)徑)擬合線性回歸方程。國內(nèi)常見煤泥重介質(zhì)旋流器的直徑與入料壓力的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 旋流器直徑與入料壓力的對應(yīng)關(guān)系

將表2的旋流器直徑與入料壓力進行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 旋流器直徑與入料壓力的關(guān)系

由圖3可知：兩者呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，F(xiàn)HMC系列的線性回歸方程為P=0.67D，SMC系列的線性回歸方程為P=0.64D+0.064，兩個線性回歸方程的R2分別為0.998 7和0.973 4，說明在研究范圍內(nèi)擬合方程的可靠性極高。此外，關(guān)系式中常數(shù)項A的值在0.67左右，由于SMC系列煤泥重介質(zhì)旋流器的設(shè)計入料壓力范圍差異，故線性方程式中出現(xiàn)常數(shù)項0.064。

2.3 工業(yè)性試驗與驗證

2.3.1 試驗條件

為了驗證推算的旋流器直徑與入料壓力關(guān)系式的可靠性，在現(xiàn)場進行工業(yè)性試驗，考察不同入料壓力下煤泥重介質(zhì)旋流器的分選效果。試驗設(shè)備為FHMC 350 煤泥重介質(zhì)旋流器，根據(jù)旋流器直徑與入料壓力的關(guān)系式，結(jié)合煤泥有效分選的需要，將煤泥重介質(zhì)旋流器的入料壓力分別設(shè)為0.21、0.24、0.26 MPa，其中，后兩個入料壓力在關(guān)系式推算的范圍內(nèi)。

2.3.2 試驗結(jié)果與分析

在試驗過程中，三組入料的性質(zhì)相同，均為0.25～0.125 mm粒級煤泥，三組精煤的灰分均要求合格。不同入料壓力下的煤泥分選結(jié)果見表3。

表3 不同入料壓力下0.25～0.125 mm粒級煤泥分選結(jié)果Table 3 Performance of cyclone treating 0.25-0.125 mm fine coal at different inlet pressures g/cm3

由表3可知：在入料性質(zhì)相同、精煤灰分合格的情況下，隨著入料壓力的增大，實際分選密度增大，底流口與溢流口的密度差增大(濃縮作用增強)，Ep值減小，分選精度增加。

此外，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在推算范圍內(nèi)的入料壓力下，Ep值均小于0.10 g/cm3，即煤泥都能實現(xiàn)有效分選。入料壓力在允許范圍內(nèi)增大時，入料進入旋流器內(nèi)的初速度增大，離心作用增大，分選精度相應(yīng)提高。此外，在入料壓力增大時，旋流器單位時間、單位空間內(nèi)的處理量增大，即物料在旋流器內(nèi)的停留時間變短，但分選效果提高。

工業(yè)性試驗直接驗證了旋流器直徑與入料壓力關(guān)系式的可靠性，其可作為煤泥重介質(zhì)旋流器大型化、系列化設(shè)計計算和選型的依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)推算的旋流器直徑與處理量關(guān)系式與擬合的線性回歸方程存在差別，主要原因是擬合時選用的平均處理量和設(shè)計處理量取值較為保守。但理論與實際的變化規(guī)律一致，通過關(guān)系式計算的處理量數(shù)值在設(shè)計范圍內(nèi)。因此，推算的旋流器直徑與處理量關(guān)系式能夠較好地預(yù)測煤泥重介質(zhì)旋流器的處理量。

(2)根據(jù)旋流器直徑與入料壓力的關(guān)系式調(diào)節(jié)入料壓力，在推算范圍內(nèi)的入料壓力下，煤泥分選效果提高，Ep值均小于0.10 g/cm3，這說明旋流器直徑與入料壓力的關(guān)系式可靠，可作為煤泥重介質(zhì)旋流器大型化、系列化設(shè)計計算和選型的依據(jù)。