張彩娥，丁明星

(1. 山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2. 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221000)

水力旋流器廣泛用于粗煤泥的分級(jí)回收及浮選入料的粒度控制。粗煤泥給料是一種多粒度多密度的多組分體系，既包含高灰分、高密度的細(xì)泥，又包含低灰分、低密度的粗粒精煤[1-5]。董連平等[6]的研究表明，小錐角分級(jí)旋流器對(duì)各粒級(jí)均存在一定的分選作用。郭雅利等[7]的研究也表明分級(jí)旋流器的分選作用是導(dǎo)致粗精煤泥質(zhì)量難以保證的根本原因，極大地影響了后續(xù)選別指標(biāo)[8-10]。目前多組分的研究主要是針對(duì)二元混合體系，亦即兩種不同密度礦物混合體系，生產(chǎn)實(shí)際中粗煤泥給礦是由多種灰分多種粒度煤粒組成的，多元混合體系的研究仍有待進(jìn)一步深入。

本文以直徑100 mm水力旋流器為研究對(duì)象，利用物理試驗(yàn)方法考察了不同壓力條件下粗煤泥的分配行為，計(jì)算了分級(jí)過(guò)程中各粒級(jí)產(chǎn)品的灰分差值，分析了粗煤泥分級(jí)過(guò)程中的分選現(xiàn)象；并從不同粒度粗煤泥顆粒運(yùn)移軌跡出發(fā)，進(jìn)一步解釋不同性質(zhì)粗煤泥顆粒的分配行為差異。

1 試驗(yàn)方法

1.1 物理分級(jí)試驗(yàn)

配置濃度為10%的粗煤泥料漿并混合均勻，通過(guò)調(diào)節(jié)泵頻率，改變水力旋流器給料壓力，調(diào)節(jié)壓力范圍為0.05～0.12 MPa。在此范圍內(nèi)沉砂呈傘狀排料，當(dāng)壓力超過(guò)此范圍時(shí)，旋流器沉砂出現(xiàn)繩狀排料。試驗(yàn)用粗煤泥XRD礦物組成如圖1所示。

圖1 粗煤泥XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of coarse coal slime

從圖中可以看出，試驗(yàn)用粗煤泥中主要脈石礦物為石英和蛇紋石。粗煤泥給料的粒度組成見表1。從表中可以看出，試驗(yàn)用粗煤泥粒度整體偏粗，+60目質(zhì)量分?jǐn)?shù)占62.4%，-200目質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅占13.98%。隨著顆粒粒度逐漸減小，顆?；曳种饾u增加，這主要是由于易泥化的蛇紋石在細(xì)粒粗煤泥中聚集造成的。

表1 給礦粒度組成及灰分Tab.1 Size distribution and ash content of feed

1.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

根據(jù)物理試驗(yàn)所使用的水力旋流器幾何參數(shù)，利用ICEM軟件對(duì)水力旋流器整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格離散。根據(jù)物理試驗(yàn)給料性質(zhì)，確定數(shù)值試驗(yàn)邊界條件和初始值，利用雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM)描述湍流運(yùn)動(dòng)，采用混合物模型(Mixture)描述空氣相和顆粒相運(yùn)動(dòng)，獲得穩(wěn)定多相流場(chǎng)之后，引入離散相粗煤泥顆粒，利用離散型模型(DPM)追蹤顆粒運(yùn)移軌跡[11-14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力對(duì)粗煤泥分配特性的影響

不同壓力條件下，粗煤泥分配特性如圖2所示。

圖2 給料壓力對(duì)粗煤泥底流分配率的影響Fig. 2 Influence of feed pressure on underflow recovery rate of coarse coal slime

從圖中可以看出，隨著顆粒粒度增大，顆粒在底流中的分配率增加；隨著給料壓力增加，各粒級(jí)顆粒在沉砂中的分配率均增加，水力旋流器分離粒度逐漸減小，分離精度逐漸增加，亦即分配曲線斜率逐漸增大。不同壓力條件下，粗煤泥經(jīng)分級(jí)后，各粒級(jí)產(chǎn)率和灰分見表2—表7，其中灰分差值表示底流灰分與溢流灰分差值的絕對(duì)值。

表2 給料壓力0.05 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.2 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.05 MPa

表7 給料壓力0.12 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.7 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.12 MPa

從表2可以看出，在給料壓力為0.05 MPa條件下，粗煤泥經(jīng)過(guò)水力旋流器旋流分級(jí)后，粗顆粒在底流富集，細(xì)顆粒在溢流富集。通過(guò)分析底流灰分和溢流灰分發(fā)現(xiàn)，粗煤泥顆粒在依據(jù)顆粒粒度分級(jí)的同時(shí)，各粒級(jí)在底流產(chǎn)品和溢流產(chǎn)品中的灰分發(fā)生了變化，各粒級(jí)產(chǎn)品灰分變化主要表征各粒級(jí)產(chǎn)品中精煤和硅酸鹽脈石礦物配比產(chǎn)生了變化，灰分增加表征該粒級(jí)產(chǎn)品中脈石含量增加。精煤密度小于脈石礦物密度，灰分的變化表征粗煤泥顆粒在分級(jí)過(guò)程中，發(fā)生了基于密度的分選行為。此外，+60目粗粒級(jí)顆粒在底流中的灰分略低于溢流中的灰分，且溢流中粗顆粒含量較高，表明大量高灰粗顆?；炫涑蔀橐缌鳟a(chǎn)品，導(dǎo)致0.05 MPa給料壓力下，分級(jí)精度極低，如圖2所示。

從表3中可以看出，給料壓力為0.06 MPa時(shí)，仍有部分高灰粗粒煤泥混配進(jìn)溢流產(chǎn)品中。與給料壓力為0.05 MPa相比，溢流產(chǎn)品中的粗?；炫湮锖繙p小，溢流產(chǎn)品中粗粒煤泥灰分降低，因而水力旋流器分離精度略有提高。

表3 給料壓力0.06 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.3 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.06 MPa

從表4中可以看出，隨著給料壓力進(jìn)一步增加，溢流產(chǎn)品中+60目粗粒煤泥灰分低于底流產(chǎn)品中對(duì)應(yīng)粒級(jí)顆粒的灰分，表明隨著壓力增加，水力旋流器分級(jí)性能略有增加。高密度高粒度顆粒因?yàn)槭艿礁蟮碾x心力作用，更多的進(jìn)入底流產(chǎn)品，而溢流產(chǎn)品中粗粒錯(cuò)配物灰分減小，故水力旋流器分級(jí)精度略有提高，但粗顆粒在底流中的分配率仍較低。

表4 給料壓力0.07 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.4 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.07 MPa

從表5中可以看出，當(dāng)給料壓力增加至0.08 MPa時(shí)，溢流產(chǎn)品中+60目粗粒錯(cuò)配物含量進(jìn)一步減小，且錯(cuò)配物灰分進(jìn)一步降低，溢流產(chǎn)品中+60目粒級(jí)顆粒灰分與底流產(chǎn)品中對(duì)應(yīng)粒級(jí)顆?；曳植钪翟龃??；曳执罅６却蟮念w粒更傾向于從底流口排出，水力旋流器分級(jí)精度進(jìn)一步提高。

表5 給料壓力0.08 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.5 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.08 MPa

從表6中可以看出，當(dāng)給料壓力為0.10 MPa時(shí)，溢流產(chǎn)品中+60目錯(cuò)配物含量及錯(cuò)配物灰分均急劇減小，對(duì)應(yīng)粗顆粒在底流中的分配率增加,此外，少量-200目細(xì)粒煤泥混配到底流產(chǎn)品中，造成細(xì)顆粒在底流中的分配率較高。

表6 給料壓力0.10 MPa條件下粗煤泥分配特性Tab.6 Distribution characteristics of coarse coal slime at feed pressure of 0.10 MPa

當(dāng)給料壓力增加至0.12 MPa時(shí)，溢流產(chǎn)品中+60目錯(cuò)配物含量減小，溢流中錯(cuò)配物灰分進(jìn)一步減小，此時(shí)部分低灰粗粒煤泥錯(cuò)配進(jìn)溢流產(chǎn)品中，這主要是因?yàn)榈突掖至Ｃ耗嗯c中等粒度煤泥受到相同的離心力作用，發(fā)生了等降分離，顆粒在分級(jí)過(guò)程中，不同密度顆粒的分選效應(yīng)是固體顆粒分級(jí)精度較低的主要原因。從表7中還可以看出，底流產(chǎn)品中的錯(cuò)配物主要為部分高灰細(xì)泥，這主要是因?yàn)楦呋壹?xì)泥雖粒度小，但密度大，所受離心力較大，因而細(xì)顆粒的底流分配率較大。

2.2 粗煤泥運(yùn)移軌跡特性

利用數(shù)值試驗(yàn)方法，選取了3個(gè)代表性粒度顆粒，從顆粒的運(yùn)移軌跡及停留時(shí)間角度，進(jìn)一步解釋了不同性質(zhì)顆粒的分配行為差異，如圖3所示；其中，每組左側(cè)為0.12 MPa給料壓力條件下的顆粒運(yùn)移軌跡，右側(cè)為0.05 MPa給料壓力條件下的顆粒運(yùn)移軌跡。

從圖3中可以看出，給料壓力越大，顆粒在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間越短。不同壓力條件下，-325目細(xì)粒煤泥顆粒進(jìn)入水力旋流器后，均沿外旋流螺旋向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)錐段之后，部分高灰細(xì)泥由于所受離心力較大，錯(cuò)配進(jìn)入底流，大部分低灰細(xì)泥由于受到錐段器壁阻力作用，進(jìn)入內(nèi)旋流，并沿內(nèi)旋流向內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，成為溢流產(chǎn)品。在0.12 MPa給料壓力條件下，-200+325目中等粒度煤泥顆粒和+30目粗粒煤泥顆粒進(jìn)入水力旋流器后主要沿外旋流向外向下運(yùn)動(dòng)，最終從底流口排出；其中，中等粒度顆粒在錐段和柱段產(chǎn)生了循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在水力旋流器內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，在徑向和軸向綜合作用力下，最終大部分從底流口排出。在0.05 MPa條件下，顆粒所受離心力較小，部分中等粒度煤泥顆粒和粗粒煤泥顆粒隨內(nèi)旋流由溢流口排出。不同性質(zhì)顆粒因其運(yùn)移軌跡不同，最終引起不同性質(zhì)顆粒在沉砂中分配率的差異。

(a) d=-325目 (b) d=-200+325目 (c) d=+30目

3 結(jié)論

1)隨著給料壓力增大，顆粒在沉砂中的分配率逐漸增加，水力旋流器分級(jí)精度逐漸提高，分離粒度逐漸減小。

2)在粗煤泥分級(jí)過(guò)程中，底流產(chǎn)品及溢流產(chǎn)品灰分均發(fā)生了變化，表明粗煤泥顆粒在分級(jí)的同時(shí)，發(fā)生了基于顆粒密度的分選行為，顆粒分級(jí)過(guò)程中的分選行為是造成水力旋流器分級(jí)精度較低的主要原因。

3)顆粒分級(jí)過(guò)程中顆粒密度影響程度隨給料壓力變化而變化。給料壓力為0.05 MPa時(shí)，給料壓力較低，水力旋流器旋流分級(jí)作用較弱，大量高灰粗粒煤泥混配進(jìn)溢流產(chǎn)品中，造成粗顆粒在底流中的分配率較低；隨著給料壓力增加，顆粒密度影響逐漸減弱，給料壓力為0.12 MPa時(shí)，旋流分離作用增強(qiáng)，仍有少量低灰粗粒煤泥因顆粒等降錯(cuò)配進(jìn)入溢流產(chǎn)品。

4)細(xì)粒煤泥進(jìn)入水力旋流器后，先隨外旋流向外向下運(yùn)動(dòng)，受到錐段器壁阻力作用，部分低灰細(xì)泥進(jìn)入內(nèi)旋流，并向內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)從溢流口排出，部分高灰細(xì)泥因所受離心力作用較大，隨外旋流運(yùn)動(dòng)，從底流口排出；中等粒度顆粒在旋流器內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在綜合受力作用下，隨粗粒煤泥一塊經(jīng)由底流口排出。