粗煤泥流化床分选机分选过程中分级负效应分析_张光伟.pdf

粗煤泥流化床分选机分选过程中 分级负效应分析 张光伟, 崔学奇, 公绪文, 葛家君, 张 星, 王治帅, 李书强 威海市海王旋流器有限公司, 山东 威海 264203 摘 要 分析了粗煤泥流化床分选机的工作原理, 通过对沉降速度、 干涉沉降等概念或公 式进行分析, 探究了入料粒度对流化床分选机分选效果的影响; 通过试验数据分析, 论证了粗 煤泥流化床分选机工作过程中的分级负效应, 对流化床分选机的入料粒度范围进行了探讨, 并 提出了降低分级负效应的合理化建议。 关键词 粗煤泥; 流化床分选机; 干涉沉降; 入料粒度 中图分类号 TD941. 5 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202010-0025-04 收稿日期 2020-03-20 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 10. 006 作者简介 张光伟1987, 男, 山东潍坊人, 2012 年毕业于山东科技大学矿物加工工程专业, 工学硕士, 威海市海王旋流器有限公司 工程师。 引用格式 张光伟, 崔学奇, 公绪文, 等. 粗煤泥流化床分选机分选过程中分级负效应分析 [J]. 煤炭加工与综合利用, 202010 25- 28. 1 概 述 煤炭是我国最丰富的矿产资源, 在我国一次 能源消费结构中占据着主导地位, 中国的能源储 备特点及煤炭明显的成本优势, 决定了煤炭在长 时间内仍将是我国最主要的能源。 近年来, 由于 煤炭生产和利用而引起的环境污染问题日益严重, 煤炭高效清洁利用已经成为我国能源可持续发展 的关键问题, 煤炭洗选加工是目前实现洁净煤技 术成本最低、 收效最显著的技术和方法。 随着我 国的煤炭产量和入选比例不断升高, 大型和特大 型新建选煤厂越来越多, 设备大型化已经成为选 煤设备发展的趋势。 大型化重介质旋流器和浮选 柱的研究和开发, 大幅度提升了单台设备的处理 能力, 起到了简化选煤工艺和厂房布置空间的关 键作用, 更进一步实现了有效分选粒度上限和下 限的拓展, 极大促进了我国选煤领域的发展[1-5]。 但是粒度介于重介质旋流器有效分选粒度下 限和浮选柱/ 浮选机有效分选粒度上限的粗煤泥 分选问题, 成为制约我国选煤技术发展的瓶颈, 且随着入选原煤的煤质变差和对精煤质量指标要 求提高, 粗煤泥如何进行有效分选的问题将愈发 突出。 近年来, 选煤领域的科研院所和设备单 位, 在粗煤泥分选领域中投入了大量精力, 并取 得了优异成果。 其中粗煤泥流化床分选机作为一 种新型的粗煤泥分选设备, 引起了选煤工作者的 广泛关注, 并在行业内取得了一定规模的应用, 在一定程度上解决了重介精煤和浮选精煤为粗煤 泥背灰的问题[6-8]。 2 粗煤泥流化床分选机的工作机理 粗煤泥流化床分选机是一种利用上升水流使 入选物料发生流态化, 使入料颗粒在分选机内进 行干扰沉降, 从而实现按密度分选的重选设备。 分选过程中, 入料颗粒在一定上升速度水流 作用下发生干扰沉降, 当上升水流速度高于颗粒 沉降速度时, 颗粒作为轻产物, 从溢流排出; 当 上升水流速度低于颗粒沉降速度时, 颗粒作为重 产物, 从底流排出; 但上升水流速度与颗粒的沉 降速度相等时, 颗粒在分选机内处于悬浮状态, 形成流态化沉降床层。 当床层达到稳定状态时, 由于入料中的颗粒密度不同, 密度低于沉降床层 密度的颗粒难以穿过床层, 从而成为轻产物, 从 溢流排出; 密度高于沉降床层密度的颗粒穿过床 52 煤炭加工与综合利用 No. 10, 2020 COAL PROCESSING R 介质阻力, N; m 矿粒的质量, kg; v 矿粒的沉降速度, m/ s; ψ 阻力系数, 是雷诺数 Re 的函数; d 矿粒的直径, m; ρ 介质的密度, kg/ m3; δ 矿粒的密度, kg/ m3。 由式1和式2可推算出矿粒的沉降末速, 如式3所示 v0 πd δ - ρ g 6ψρ 3 式3中阻力系数 ψ 是雷诺数 Re的函数, 根 据介质阻力形式的不同, 可推导出斯托克斯区Re ≤1、 阿连区1Re≤500、 牛顿-雷廷智区500 d2, 则可通过沉降 末速计算公式, 推算出等降比 e0的计算通式, 如 式5所示。 e0 d1 d2 δ2 - ρ δ1 - ρ n 5 式中 n 常数, 斯托克斯区 n1/2, 阿连区 n 2/3, 牛顿-雷廷智区 n1。 流化床分选机作为一种粗煤泥分选设备, 其入料 粒度范围通常为0.152.0 mm, 属于阿连区与牛顿- 雷廷智区的过渡区。 假设流化床分选机入料中的精煤 产品密度为 1.4 g/ cm3、 矸石产品密度为 2.6 g/ cm3, 分选介质的矿浆密度为1.20 g/ cm3, 由此可计算出阿 连区和牛顿-雷廷智区的等降比e01和e02 阿连区 e01 2. 6-1. 20 1. 4-1. 20 2 3 3. 68。 62 煤炭加工与综合利用2020 年第 10 期 牛顿-雷廷智区 e02 2. 6-1. 20 1. 4-1. 20 1 7. 0。 根据上述计算可知, 适合流化床分选机分选 的入料等降比范围为 3. 687. 0。 若要求将粒度 为 0. 75 mm、 密度为 1. 4 g/ cm3矿粒分离至溢流 产品中, 则将有大量密度大于 1. 4 g/ cm3、 粒度 小于0. 20 mm0. 75 mm/3. 68的高灰分颗粒错配 至溢流产品中, 造成溢流产品灰分超标; 若要求 将粒度为 0. 25 mm、 密度为 2. 6 g/ cm3的矿粒分 离至底流产品中, 则将有大量密度小于 2. 6 g/ cm3、 粒度大于 1. 75 mm0. 25 mm7. 0的低灰 分颗粒错配至底流产品中, 造成底流产品灰分偏 低的问题。 由以上分析可知, 流化床分选机在分选过程 中受矿粒的密度和粒度影响较大, 粒度大、 密度 小的矿粒与粒度小、 密度大的矿粒可能具有同样 大小的沉降末速。 而这就有造成错配的风险, 造 成溢流产品灰分超标, 或底流产品损失精煤产 品, 即流化床分选机分选过程中存在分级负效 应。 因此, 窄粒级入料对于流化床分选机的高效 分选具有十分重要的意义, 入料粒级越窄, 流化 床分选机的分选精度越高。 4 试验分析 实际生产过程中, 流化床分选机的分选过程 是在给料密度、 粒度和矿粒形状不断变化, 工艺 参数频繁波动, 矿粒与矿粒之间、 矿粒与器壁之 间不断摩擦和碰撞的条件下进行的, 这些因素都 会对矿粒的沉降末速和等降比产生影响。 为验证上述推断, 采用流化床分选机对河南 某选煤厂的小于 1. 5 mm 粒级煤泥进行了分选试 验, 并对流化床分选机的入料、 溢流产品、 底流 产品进行了分析。 各产品的粒度组成见表 1。 查询表 1 可知, 溢流产品中小 0. 2 mm 粒级 含量可达 19. 24, 灰分可达 29. 81, 严重污染 了精煤指标, 若将这部分高灰细泥脱除, 可获得 灰分指标小于 9. 0的合格精煤产品; 底流产品 中的 1. 01. 5 mm 粒级含量可达 11. 26, 灰分 仅为 17. 22, 进入底流产品后, 造成了部分合 格精煤产品的损失, 导致了经济效益的降低。 根据 煤用重选设备工艺性能评定方法 GB/ T 157152014 [12] 的规定, 对各粒级入料 在分选过程中的可能偏差 Ep值和不完善度 I 值 进行了计算, 可能偏差 Ep值与入料粒度的关系 曲线如图 1 所示, 不完善度 I 值与入料粒度的关 系曲线如图 2 所示。 表 1 入料、 溢流和底流的粒度组成数据 粒度/ mm 入料 产率/ 灰分/ 溢流 产率/ 灰分/ 底流 产率/ 灰分/ 1. 51. 05. 8514. 762. 127. 5211. 2617. 22 1. 00. 7526. 1215. 4622. 488. 4127. 5452. 35 0. 750. 522. 3020. 7823. 308. 7821. 3457. 66 0. 50. 312. 6726. 3117. 678. 2210. 3358. 01 0. 30. 215. 2630. 1615. 199. 2515. 2562. 33 -0. 217. 80 35. 2219. 2429. 8114. 2867. 84 合计100. 0023. 74100. 0012. 68100. 0053. 85 图 1 可能偏差 Ep值与入料粒度的关系曲线 图 2 不完善度 I 值与入料粒度的关系曲线 由图 1、 图 2 可知, 在分选过程中, 0. 20 1. 0 mm 粒级的煤泥能够在较高的分选精度下进 行分选, 其可能偏差 Ep值和不完善度 I 值均可 维持在较低的范围内, 但随着入料粒度范围变 宽, 分选过程中的可能偏差 Ep值和不完善度 I 值明显升高, 分选精度急剧下降。 综合分析表 1、 图 1、 图 2 可知, 流化床分选机生产过程中, 确 实存在分级负效应, 由于等降比的存在, 细粒级 高密度矿粒易与粗粒级低密度矿粒互相错配, 从 72 2020 年第 10 期张光伟, 等 粗煤泥流化床分选机分选过程中分级负效应分析 而造成分选精度下降, 因此, 窄粒级入料是流化 床分选机能够高效分选的一个必要条件。 在本次试验条件下, 流化床分选机可在 0. 201. 0 mm 粒级范围内达到较高的分选精度, 当入料粒度大于 1 mm 或小于 0. 20 mm, 入料粒 度范围变宽时, 分选精度即明显下降。 假设粒度 为 1 mm 的低密度矿粒和粒度为 0. 20 mm 的矿粒 具有相同的沉降速度, 由此可求得等降比 e 1/ 0. 205, 在前文中理论计算得到的等降比范围 3. 687. 0内, 入料粒级越窄, 越有利于流化 床分选机的高效分选。 在不同的试验条件下, 所得到的试验数据肯 定是不同的, 据行业内考察得知, 在一定的操作 参数条件下, 流化床分选机的分选上限最高可达 2. 0 mm, 但分选下限也会随之增大到 0. 3 mm 以 上。 本次试验旨在论证流化床分选机生产过程中 的分级负效应, 并探讨适合流化床分选机分选的 入料等降比范围, 计算结果和试验结果均与工业 生产情况相吻合。 5 优化建议 综上分析可知, 粗煤泥流化床分选机生产过 程中的分级负效应是影响分选精度的重要原因之 一。 工业生产中, 不同选煤厂的煤质组成、 操作 参数都有较大差别, 流化床分选机生产过程中分 级负效应的程度也存在或高或低的差别, 对于流 化床分选机生产过程中的注意事项, 提出优化建 议如下 1严格控制入料粒度上限。 流化床分选机属 于窄粒级干涉沉降分选设备, 入料粒度范围太宽, 易出现错配问题, 低密度的粗颗粒易穿透分选床 层进入底流造成精煤损失, 因此, 要杜绝流化床 分选机上游工艺环节的跑粗问题。 2粗煤泥流化床分选机上游宜配套大直径煤 泥水分级旋流器。 大直径煤泥水分级旋流器分级 粒度大、 分级效率高, 可有效脱除大部分高灰细 泥, 为流化床分选机提供窄粒级入料。 3粗煤泥流化床分选机溢流产品的再脱泥 十分必要。 分选机入料中不可避免的要带入一定 量的高灰细泥, 高灰细泥主要来自于上游分级设 备, 由于等降比的存在, 大部分高灰细泥将被上 升水流带入到溢流产品中, 为了稳定粗精煤泥的 灰分指标, 对溢流产品的再脱泥是十分必要的。 目前脱除高灰细泥效率最高的工艺是水力旋流 器、 叠层高频振动细筛和煤泥离心机的组合工 艺, 可最大程度保证粗精煤泥的灰分。 另外, 部 分现场采用高频筛对流化床分选机的溢流产品进 行脱水、 脱泥, 可根据现场情况, 在高频筛上增 加喷淋水以提高脱泥效率。 6 结 语 1分析了粗煤泥流化床分选机在选煤领域 中的应用现状和发展趋势。 2通过对沉降速度、 等降比等概念或公式 进行分析, 探究了入料粒度对流化床分选机分选 效果的影响。 3通过试验数据分析, 论证了流化床分选 机工作过程中的分级负效应, 并对适合流化床分 选机分选的等降比范围进行了探讨。 4针对如何降低流化床分选机生产过程中 分级负效应的影响, 提出了优化建议。 参考文献 [1] 黄盛初. 2010 中国煤炭发展报告 [M]. 北京 煤炭工 业出版社, 2010. 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