高含量重密度組分煤重介質旋流器分選特性研究

趙龍,朱學帥,韋魯濱,王保強,陳江濤,吳冰斌,官長平

1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083;2.礦物加工科學與技術國家重點實驗室,北京 100083;3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;4.中南大學資源加工與生物工程學院,湖南長沙 410083;5.宜賓天原科創設計有限公司,四川宜賓 644000

我國能源結構特點是富煤、貧油、少氣。長期以來,煤炭作為主體能源支撐著經濟社會平穩較快發展,起到了能源安全保障的壓艙石和穩定器作用[1-2]。預計到“十四五”末,煤炭仍占我國能源比重的50% 左右,煤炭清潔高效低碳利用,是煤炭工業可持續發展的必由之路,選煤是實現煤炭資源減少污染、高效清潔低碳利用的源頭技術[3-5]。

隨著我國煤炭開采深度增加,優質煤炭資源減少,高含量重密度組分煤占比升高,煤質變差,可選性變難。目前,重介質旋流器分選作為最高效的選煤方法,常用于難選煤的分選。但是,常規重介質旋流器對高含量重密度組分的難選煤處理量下降、分選效率降低,已成為制約煤炭企業發展的技術瓶頸。選煤界急需一種既能對難選煤高精度分選,同時又可提高效率、降低能耗,具備重產物排料能力強的新型重介質分選設備。其中,多相流體系下旋流力場分選作為高效清潔的煤炭分選利用技術,已成為選煤領域研究的熱點之一[6-7]。

在工業生產實踐中,常規重介質旋流器重產物排料能力不足是導致分選設備效率降低的主要原因,通常采用干法風選預排矸石工藝技術[8-10]、圖像識別預排矸石工藝技術[11-13]、跳汰重力分選預排矸石工藝技術[14-15]及淺槽重介預排矸石工藝技術等[16-17],旨在預先排出原煤中的重產物,降低高密度組分含量,改變主選重介系統入料原煤的密度組成,提高處理量和設備的分選效率。這些成果對解決高含量重密度組分的難選煤分選起到了一定作用,同時也存在工藝系統復雜、建設投資及生產運行成本高等不足。為此,通過調整重介質旋流器直徑同時增大錐比的措施,提高了重介質旋流器對高含量重密度組分煤分選的適應性。研究成果在選煤工業應用中取得了較好應用[18-19]。但是,對于細粒級含量高的原煤,增大重介質旋流器的錐比會升高細粒級顆粒錯配概率,不能有效地解決高含量重密度組分原煤高效分選難題。

本文針對高含量重密度組分原煤的分選,研發設計了新型重介質旋流器,并進行了重介質懸浮液及分選特性研究,從流體動力學角度揭示顆粒在離心旋流力場中的運動規律,對重介質懸浮液流變動態穩定特性、高密度組分顆粒的排料輸運機制及顆粒分選特性進行研究,為實現高含量重密度組分難選煤高效率、低成本分選提供新思路。

1 試驗裝置、方法與原料

1.1 試驗裝置與方法

分選試驗系統主要包括鼓風系統、分選系統、壓力調控系統等,如圖1(a)所示。分選系統新型重介質旋流器主要由導向筒、輕產物排料管、主體錐段、排料裝置等構成,如圖1(b)所示。與常規重介質旋流器相比,新型重介質旋流器改變了導向筒長度及重產物排料方式。重產物排料由傳統的旋轉擠壓排料改為沿外螺旋流切向排料設計,增大了物料的松散程度和分選空間,延長了顆粒分選時間。底流重產物利用流場動壓切線方向排料,阻力小,流速快,避免了常規旋流器分選后的重產物不能及時卸出流場而錯配至溢流產品,提高了分選精度和分選效率。此外,較小錐角還能降低懸浮液的表觀黏度、減小沉物排料阻力、增大重產物排料速度,有利于提高單機設備處理能力。

圖1 新型重介質旋流器及分選試驗系統Fig.1 New heavy media cyclone and sorting test system

在試驗時,首先將磁鐵礦粉和煤泥倒入介質桶在水中混合,開啟螺桿式空氣壓縮機,壓縮空氣由壓力管道輸送至儲氣罐穩壓后,以一定壓力輸送至混料桶,對加重質懸浮液鼓風攪拌,持續3 min 后,待加重質懸浮液混合均勻,依次關閉控制閥及空氣壓縮機。然后,開啟介質泵及小循環控制閥門,重介質懸浮液在循環介質流作用下繼續攪拌混勻,懸浮液密度用容積法測試。待密度穩定達到設定值時,關閉小循環閥門,重介質懸浮液以一定壓力給入到重介質旋流器分選系統。依據帶水試驗、介質試驗所得的流量及壓力控制值,調整入料壓力,重介質懸浮液以一定速度切向進入重介質旋流器分選裝置。約1 min 后系統穩定,原煤通過中心給料裝置均勻地進入分選裝置,試驗系統開始正常分選。最后,在精礦和尾礦各自的取樣處收集樣品,獲得精礦和尾礦后,利用重力作用預脫除重介質懸浮液,采用濕法篩分水析、脫除黏附在顆粒表面的磁鐵礦粉,將分選產品充分脫除介質、脫泥及脫水后,產品試樣放入低于100 ℃干燥箱烘干、稱重,分別進行8 個密度級的浮沉試驗。

1.2 加重質磁鐵礦粉樣品分析

依據《選煤用磁鐵礦粉:MT/T1017—2007》,本次試驗重介質懸浮液加重質使用級別為細級,其中磁鐵礦粉密度為4.56 g/cm3,-0.045 mm 粒級含量占比大于80%,磁性物含量大于95%,其粒級分布見表1。

表1 加重質磁鐵礦粉粒度分布Table 1 Particle size distribution of medium solids magnetite powder

1.3 原煤煤質特征

為了考查新型重介質旋流器的分選特性,試驗所用原料來自七臺河某煤礦的無煙煤,原煤的粒度取1 ～0.50 mm,工業分析結果見表2。

表2 原煤工業分析結果Table 2 Analytical results of raw coal industry

由表2 可知,原煤屬于高灰、低硫、低揮發分、低熱值煤。根據浮沉試驗資料,-1.5 g/cm3密度級占產率2.98% ;1.50 ～1.80 g/cm3密度級占產率36.61% ;+1.8 g/cm3密度級占產率60.41% ,為主導密度級;+2.0 g/cm3密度級占產率39.69%。原煤產率隨著密度級的升高而增大,具有低密度組分產率低、高密度組分產率高的特點。根據《煤炭可選性評定方法:GB/T 16417—2011》,在理論分選密度不大于1.50 g/cm3時,鄰近密度物含量δ±0.1不高,原煤可選性為易選到中等可選;密度大于1.50 g/cm3時,δ±0.1升高,可選性為中等可選到較難選;當分選密度為1.666 g/cm3時,δ±0.1為24.82% ,原煤可選性為較難選煤。但是,實際分析發現,該原煤屬于按國標評定方法“失真”的情況之一,即低密度含量很低,在實際分選過程中,低灰分密度產物對高灰分密度產物錯配的“背灰”能力較弱,大幅降低分選效果,精煤產率低。實際上,原煤可選性為難選到極難選。原煤可選性曲線如圖2 所示?；曳智€形狀陡峭,說明煤炭中有機質可燃物與高密度組分礦物致密結合,并且隨著密度的增大,高密度組分含量增幅較快,原煤分選難度大。綜上分析可得出,原煤屬于高密度組分含量大的“難選”煤種。

圖2 原煤可選性曲線Fig.2 Wash ability curve of raw coal

1.4 評定指標

重介質懸浮液的濃縮度C1、澄清度C2、分層度C3是用于評定重介質旋流器流場動態穩定性的指標。重介質懸浮液在旋流器流場中形成密度場梯度分布,對物料按照密度分離、分選具有重要作用。在分選過程中直接監測流場中各點的密度值很困難,目前尚無統一標準。C1、C2及C3值越小,則重介質懸浮液流場越穩定。

式中,ρu為底流懸浮液密度,g/cm3;ρo為溢流懸浮液密度,g/cm3;ρi為入料懸浮液密度,g/cm3。

可能偏差E是常用于評定重選設備分選精度的指標,表征設備分選性能優劣。E值越小,分配曲線在δ75和δ25區間越陡,則分選精度越高。E值是通過分配曲線對應數據計算得到,分配曲線的橫坐標為各密度級的平均密度,縱坐標是各密度級物料在重產物中的分配率?？赡芷疃x為

式中,E為可能偏差,g/cm3;δ75和δ25分別為重密度產品分配曲線上對應分配率為75%、25% 時的密度,g/cm3。

2 多相旋轉流體系下顆粒分選動力學分析

重介質懸浮液利用重介質旋流器產生的切向流作用保持相對動態穩定性。被分選顆粒在液流的攜帶下沿旋流器軸心做離心旋轉運動,產生離心力FC;流體做圓周運動因慣性離心力徑向傳遞,使懸浮液沿徑向產生壓力梯度,使顆粒受到了向心浮力Ff作用;顆粒在流場中做旋轉運動受到流體阻力Fd作用;顆粒沿旋流器徑向在懸浮液中做沉降運動,必然引起其周圍懸浮液一同做加速運動,產生與其運動方向相反的慣性力反作用于顆粒上,稱為附加質量力Fm;旋流力場產生的離心加速度是重力加速度的幾倍甚至達百倍量級。為簡化計算,可將重力場因素作用忽略不計。在柱坐標系下,沿旋流器徑向對顆粒進行動力學分析,建立動力學微分方程。

重密度顆粒沿徑向在力的復合作用下向器壁方向運動,運動方向由旋流器中心軸指向固壁,運動微分方程為

同理,得出輕密度顆粒沿徑向運動的加速度公式為

由式(6)、式(7)計算得到,顆粒在旋轉流離心力場中徑向沉降速度通式為

式中,dv為顆粒粒徑,m;ρ為懸浮液密度,g/cm3;r為旋轉半徑,m;ω為旋轉角速度,rad/s;ψ為阻力系數;v為顆粒沉降速度,m/s;δ為顆粒密度,g/cm3。

根據試驗顆粒粒徑、重介質懸浮液密度及離心加速度等參數理論計算得知,試驗所用1 ～0.5 mm顆粒在流場中處于過渡阻力流區,過渡阻力區阻力公式為

離心旋流力場中流體繞中心軸線做旋轉運動,在旋轉半徑r處,取直徑為dr、厚度為dz的微元體積流體,該微元流體徑向力學離心力與壓應力平衡,可得流體質點沿徑向壓力梯度為

在離心旋流力場中,切向速度與旋流器入料壓頭關系為

由以上各關系式可得旋流力場過渡阻力區顆粒沉降分離速度為

式中,Re為雷洛數;Uθ為切向速度,m/s;k′為速度系數;H為入料壓頭,m;D為旋流器直徑,m;¨k為沉降速度系數;μ為動力黏性系數,Pa·s。

由式(12)可知,影響顆粒沉降分離速度的因素可分為三類:顆粒物性(粒徑、密度),懸浮液特性(密度、黏度)、重介質旋流器設備參數(直徑、壓力)。對于分選物料為1 ～0.50 mm 細粒級顆粒,為了獲得較大的離心沉降分離速度、提高分選效率,不宜采用大直徑重介質旋流器和較低的入料壓頭。試驗設計了新型的小直徑重介質旋流器,當顆粒粒徑密度組成、懸浮液密度及旋流器直徑一定時,提高入料壓頭,顆粒沉降末速升高,有利于提高細粒級顆粒處理能力和分選精度。

3 結果與討論

3.1 基于新型重介質旋流器懸浮液動態穩定特性的研究

加重質懸浮液在分選設備中保持動態穩定性是確保礦粒有效分選的前提和保障。對于常規重介質旋流器,重介質懸浮液動態穩定性的表征參數濃縮度為1.28,澄清度為1.07,分層度為1.35,底流體積流量分配比R為10% ～20%。

由不同條件下加重質懸浮液試驗結果(表3)可知,新型重介質旋流器懸浮液動態穩定性表征參數均值C1為1.01,C2為1.01,C3為1.05,底流與溢流懸浮液密度差值Δ為0.035 ～0.087 g/cm3,數值均低于常規重介質旋流器。當入料懸浮液密度相同時,相較于常規重介質旋流器,新型重介質旋流器具有更低的溢流懸浮液密度和底流懸浮液密度。這是因為,新型重介質旋流器底流沿外螺旋流切線方向排料與較小錐角結構設計的協同作用,使旋流器內的重介質懸浮液加重質濃縮度減弱,流場中密度梯度分布變小,底流與溢流懸浮液密度差降低,流場穩定性加強,有利于顆粒的分選。懸浮液入料的壓力對重介質旋流器懸浮液的流變穩定特性影響顯著,隨著入料的壓力升高,C1升高,C3增大,底流、溢流口排出懸浮液密度差值增大,懸浮液動態穩定性降低。這是由于增大旋流器入料的壓力,懸浮液的濃縮作用增強,流場中密度梯度分布變大,流場穩定性減弱。同時,入料的壓力升高強化了懸浮液固相加重質的分級效應,使內螺旋流場區域懸浮液密度降低,外螺旋流場區域懸浮液密度升高,細粒級重密度顆粒在離心力作用下,由旋流器中心向器壁方向的運動阻力減小,沉降分離速度加快,有利于降低輕產物中細粒級重密度顆粒的錯配概率,提高溢流輕產物的排料純度。

表3 新型重介質旋流器懸浮液試驗結果Table 3 Test results of a new dense media cyclone suspension

3.2 入料的壓力對分選精度可能偏差值的影響

重介質旋流器選煤分選密度是控制產品指標的重要工藝參數,分選密度穩定是確保產品指標恒定的前提。分選密度是依據原煤特性、產品指標及選煤工藝預先確定的,通過快速灰分等指標在生產中進行修正調節。一般情況下,在生產過程中原煤特性不會發生較大變化,分選密度基本保持相對穩定,在研究中可作為固定參數。由公式(12)可知,在分選密度恒定的情況下,重介質旋流器入料的壓力直接影響顆粒在流場中沉降、分離及分選速度。

重介質懸浮液保持密度恒定,在不同入料的壓力下,分選結果分配曲線如圖3 所示。當旋流器入料的壓力由13 kPa 提高到25 kPa 時,可能偏差E值由0.22 g/cm3降低到0.09 g/cm3。隨著旋流器入料的壓力升高,分配曲線偏離理想程度減小,曲線陡峭度增大,分選精度提高,分選效果變好。這是因為隨著入料的壓力增大,旋流器內懸浮液切向速度升高,懸浮液假塑性流體剪切稀化特性增強,導致流體作用于顆粒的阻力減小。同時,隨著切向速度增大,顆粒在流場中捕獲到的慣性離心力增大,離心沉降分離速度升高,二者協同作用強化了旋流力場中顆粒分選行為,有助于加速顆粒分離沉降,提高顆粒的分選精度。

圖3 不同壓力下重產物分配曲線與E 值關系Fig.3 Relationship between heavy product distribution curve and E value under different pressures

懸浮液的軸向速度決定了底流和溢流產品的排料速度。隨著入料壓力的提高,懸浮液的軸向速度升高,排料速度加快,降低了分選后的顆粒因不能及時排出而發生錯配的概率。當入料的壓力為25 kPa 時,實際分選密度為1.666 g/cm3,高密度重產物產率為76.43% ,E值為0.09 g/cm3。此外,在試驗中發現,當入料的壓力為34 kPa 時,E值增大,分選效果變差。這說明當入料的壓力過高時,旋流力場中液流由相對較弱的層流或湍流運動轉化為強湍流運動,流場各向異性增強,旋流器中心空氣柱穩定性變差,懸浮液流場穩定性降低,導致流場中顆粒分選效果變差。

3.3 新型重介質旋流器重產物輸運機制

重介質旋流器處理量主要取決于重產物排料輸運能力,重產物排料輸運能力與底流懸浮液體積流量分配比及底流固體體積濃度直接相關。底流懸浮液體積流量分配比大,混合液流動性就好,有利于提高重產物排料速度。

新型重介質旋流器與常規重介質旋流器底流懸浮液分配比的對比如圖4 所示。當旋流器結構參數一定時,新型重介質旋流器底流懸浮液體積流量分配比明顯高于常規重介質旋流器,新型重介質旋流器底流懸浮液體積流量占懸浮液總量的35% ～45%。這是因為,新型旋流器底流切向排料阻力小、流速快,懸浮液小時循環量大。隨著入料的壓力升高,懸浮液總循環量增大,底流懸浮液流量分配比升高,單位時間底流體積流量增大,底流懸浮液攜帶重產物的排料能力增強,旋流器處理能力增大。

圖4 新型重介質旋流器與常規重介旋流器底流懸浮液分配比的對比Fig.4 Distribution of underflow suspension between the new cyclone and the conventional dense media cyclone

在分選高含量重密度組分難選煤時,對于常規重介質旋流器,當高密度重產物產率為45% 時,底流懸浮液固體體積濃度達到35%,分選后的重產物不能及時從底流口排出,導致輕產物錯配重產物概率升高,分選精度下降。當繼續增加入料量時,底流口將出現堵塞,影響正常生產,這是因為常規重介質旋流器底流懸浮液流量分配比較低,固體體積分數較高,旋轉擠壓排料阻力增大,限制了底流重產物的輸運能力,導致分選精度下降、處理量降低。

對于新型重介質旋流器,當高密度重產物產率45% 時,底流固體體積分數為13%。在保證分選精度為0.09 g/cm3時,對于直徑為200 mm 的常規重介質旋流器,在分選高含量重密度組分煤時,處理量為6.6 t/h,而新型重介質旋流器處理該原煤時,處理量為8.8 t/h,較常規重介質旋流器處理量提高了33%。這是因為新型重介質旋流器底流體積濃度較低,液流運動阻力小、流速快,有利于高密度重產物快速排出。同時,新型重介質旋流器底流設計為沿外螺旋流切向排料型式,使流動方向與流場中泄壓方向一致,增強了底流排料動力,二者協同作用,提高了新型重介質旋流器的重產物排料的輸運能力。

4 結 論

(1) 設計了一種適用于高含量重密度組分的難選煤分選的新型重介質旋流器,分選精度高、沉物排料能力強、處理量大,有利于高密度沉物的快速排料。當分選1 ～0.5 mm 細粒級高含量重密度組分難選煤時,分選精度可能偏差為0.09 g/cm3,重產物產率75.23%。

(2) 新型重介質旋流器旋流力場產生的密度梯度分布較小,濃縮度、澄清度及分層度較常規重介質旋流器分別降低20%、5% 和23%。底流與溢流密度差值為0.035 ～0.087 g/cm3,懸浮液動態穩定性強,有利于顆粒按照密度進行分選。

(3) 新型重介質旋流器隨著入料壓力的升高,可能偏差E值減小,分選精度高;當E值降低到一定值后,隨著壓力繼續升高,可能偏差E值增大,分選精度降低。

(4) 新型重介質旋流器顯著提升了底流懸浮液體積流量分配比。試驗最小值大于35%,底流固體體積分數較小于30%,底流排料速度快,高密度組分重產物的排料輸運能力強,提高了旋流器的處理量。