充氣式平底旋流器分離性能試驗研究

李紅強,譚效宗,張宏松,亓聰聰,孟凡希,劉培坤,姜蘭越,刁澤玲

（1.充礦能源集團股份有限公司，山東 濟寧 273500；2.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

0 引 言

水力旋流器作為一種非均相分離設備，其具有操作方便、結構簡單、處理量大、入料粒度寬泛、等優點，在煤炭、環保、石化等領域得到廣泛應用[1-3]。旋流器分離原理在于在離心力、重力、流體曳力等多種作用下，粗而重的顆粒螺旋向下運動形成外旋流得到沉砂產品，細而輕的顆粒螺旋向上運動形成內旋流得到溢流產品，完成不同性質顆粒的分離。

近年來隨煤炭開采技術的發展和重介分選工藝的推廣，選煤行業對旋流器分離精度也提出了更高要求[4-6]。當前重介質旋流器在選煤生產過程中仍存在、底流夾細、顆粒分離精度不足等問題，其原因在于傳統柱錐旋流器在分離高濃度礦物時，分離粒度受錐角的因素變小，提高了底流夾細的可能性[7,8]。相比于柱錐旋流器，平底旋流器在分離過程中固體顆粒利用柱段在底流口附近形成循環流，顆粒受循環流的影響聚集成環流狀流化床，粗而重的顆?？梢源┻^流化床進入底流口，細而輕的顆粒受自身影響不易穿透該流化床，通過自下而上的內旋流進入溢流口，減少底流中細顆粒的含量。但當循環流的顆粒群濃度較大時，固體顆粒也會聚集在底流口附近，減小分級空間，部分細顆粒會夾雜在循環流里，從而造成底流夾細現象[9,10]。

針對上述問題，本文提出一種充氣式平底旋流器，在平底旋流器的基礎上，增設一個充氣裝置，通過外置充氣對底部沉降的顆粒群進行沖擊、松散，將夾雜在高濃度循環流的細顆粒返回內旋流再次參與分離過程，從而減少底流中細顆粒礦物的含量。設計徑向充氣與切向充氣結構，采用試驗驗證的方法，深入研究充氣結構對旋流器分離性能的影響規律。

1 充氣式旋流器分離原理

充氣式旋流器的主體結構是由常規平底旋流器結構改造而成，主要由進料口、底流口、溢流口、進氣口、充氣結構、旋流腔構成。為有效緩解旋流器的循環流，本文選取底部位置作為安裝的注入點，當充氣結構安裝至旋流器底部時，從注入點到內旋流的距離會稍短，有利于提高底部顆粒的松散程度以及降低充氣的能耗，如圖1 所示。

圖1 充氣式旋流器簡圖

選擇合適的充氣方式是降低底流夾細的關鍵，也是設計充氣裝置的重要原則。其中邊壁微孔充氣的方式，常常會出現易堵塞、難清理等問題。采用徑向注入氣體的方式，可以產生一個指向旋流器中心的徑向流，這種流動可以沖散沉積物，并將沖散開的細顆粒定向輸送到旋風中心，最后輸送至溢流，因此徑向注入流必須克服軸向速度的零點。向旋流器底部切向注氣是可以對正在旋轉的沉積層顆粒一個運動方向相同的作用力，兩者相互疊加，且氣體速度大于顆粒的運動速度，對循環流附近的顆粒具有一定的推動力，有利于疏散循環流，促進細顆粒向內旋流方向逃逸；粗顆粒也因此受到更大的離心力作用沿著器壁下沉。2 種充氣式旋流器充氣結構及顆粒運動示意如圖2、圖3 所示，充氣結構主要由1 進氣口、2 注射環、3 導流槽組成。充氣結構與供氣裝置相連，氣體由進氣口注入，填充注射環，導流孔分別將裝置中的氣流充注入旋流腔。

圖2 徑向充氣式旋流器顆粒運動示意圖

圖3 切向充氣式旋流器顆粒運動示意圖

2 試驗方案設計

2.1 試驗系統設計

試驗中采用石英砂和清水配置成物料濃度為10%的礦漿，礦漿在料筒內攪拌均勻后泵入旋流器中，此刻的注氣閥門處于關閉狀態。在試驗過程中，為了確保進料成分穩定，試驗中的溢流產物和底流產物均返回至攪拌桶形成閉路循環。等物料在旋流器循環穩定后，打開空氣壓縮機的閥門，在壓縮機的出口連接空氣流量計的一端，便于實現充氣流量的數值讀取實時監控，空氣流量計的另一端通過管路連接至旋流器的充氣口，向旋流器注入氣體。待系統運行穩定后，從旋流器的底流、溢流和進料同時進行多組平行取樣，減小試驗誤差，試驗中選用的是φ75 mm 平底旋流器，試驗系統圖如圖4 所示。

2.2 旋流器結構參數

充氣式旋流器與平底旋流器相比，其結構尺寸在旋流器的底部有所差異，對比示意如圖5，其余的尺寸均相同，其結構示意如圖6 所示，試驗旋流器基本結構參數見表1。

表1 旋流器結構參數

圖5 充氣結構示意圖

圖6 平底旋流器結構圖

2.3 試驗物料分析

選取密度為2 650 kg/m3的石英砂作為試驗物料，其中位粒徑d50 為56.39μm，采用激光粒度儀檢測出其粒度分布，其粒度分布表見表2。

表2 試驗物料粒度分布表

3 試驗結果分析

為研究充氣對旋流器的分級性能的影響，在進料壓力為0.1 MPa、底流口直徑為12 mm、溢流口直徑為24 mm，進料濃度為10%的相同參數的條件下，進行了徑向充氣式旋流器、切向充氣式旋流器以及平底旋流器的對比試驗。

3.1 濃度、分流比及產率分析

表3 為平底旋流器、切向充氣式旋流器以及徑向充氣式旋流器的試驗數據對比結果。與平底旋流器相比，徑向充氣式旋流器的分流比由13.48 降低為9.61，切向充氣式旋流器分流比降低至12.82，這是由于采用充氣結構，向旋流器內注入氣體，部分流體會受到氣體的攜帶作用以及推動作用，進入內旋流，從溢流口排出，降低旋流器的分流比。徑向充氣式旋流器的底流濃度由39.96% 提高至44.79%，氣體的加入使得大部分的水流向內旋流方向遷移，從溢流口排出；切向旋流器底流濃度提高至45.37%，說明外加的切向力還會將底部循環的顆粒群沖散，使得粗、細顆粒重新進入旋流。徑向充氣式旋流器底流固相產率為64.47%，降低了4.71%，而切向充氣式旋流器的底流固相產率為72.62%，增加了3.44%，說明徑向充氣的方向是指向中心軸的，與內外旋流的方向不一致，導致旋流器內部流場出現紊亂，而切向充氣與內外旋流的方向一致，在沖散循環顆粒群的同時，將更多的粗顆粒進入外旋流，提高分離效率和分離精度，因此底流固相產率會增加。

表3 旋流器對比試驗數據

3.2 粒度及分離性能分析

圖7 為平底旋流器、切向充氣式旋流器以及徑向充氣式旋流器的底流粒度累積分布曲線圖。由圖可知，相比于平底旋流器，徑向充氣式旋流器底流中的-25μm 細顆粒的含量增加了1.52 個百分點，切向充氣式旋流器減少了1.12 個百分點。徑向充氣式旋流器較平底旋流器的底流粒度累積曲線向左偏移，切向充氣式旋流器向右偏移。表明切向充氣式旋流器底流中細顆粒含量較少，粗顆粒含量相對較多，可以緩解底流夾細問題。

圖7 底流的粒度累積含量曲線圖

圖8 為平底旋流器、切向充氣式旋流器以及徑向充氣式旋流器的分級效率曲線圖，表4、表5 分別為充氣方式對旋流器分級精度和分級性能的影響。

表5 充氣方式對旋流器分級性能的影響

圖8 分級效率曲線對比

由圖8 和表4、表5 可知，相比于平底旋流器，徑向充氣式旋流器的分級曲線向左偏移，陡度指數由0.50 提高至0.51，說明徑向曳力和離心力兩者之間的大小會影響顆粒在旋流器內的運動軌跡，當顆粒受到的離心力小于徑向曳力時，顆粒會進入內旋流從溢流口排出，反之進入底流；其分離粒度由35.81μm 降低至32.69μm，說明在充氣過程中，部分粗顆粒被沖入內旋流，導致底流中細顆粒的占比增加，從而減小分離粒度。

相比于平底旋流器，切向充氣式旋流器的分級曲線向右偏移，陡度指數由0.50 提高至0.56；其綜合分級效率比平底旋流器增加了5.95 個百分點，其分離粒度由35.81μm 增加至38.16μm；說明切向充氣式旋流器底流中的粗顆粒占比增加。因此，采用切向充氣的方式會加強旋流，強化分級，從而提高旋流器的分級性能，有效改善底流夾細。

4 結 論

針對煤泥分選工藝中旋流器分離存在的底流夾細問題，本文提出了一種平底充氣式旋流器，采用理論分析和試驗驗證的方法，探究了充氣式旋流器的內部流場及分離特性規律，研究結果表明：

相較于平底旋流器，徑向充氣式旋流器的分流比由13.48 降低為9.61，底流濃度提高4.83%，底流固相產率降低4.71%，切向充氣式旋流器分流比由13.48 降低至12.82，切向旋流器底流濃度提高至5.41%，底流固相產率增加3.44%。

相較于平底旋流器，徑向充氣式旋流器底流中的-25μm 細顆粒的含量增加了1.52%，切向充氣式旋流器減少1.12%，結果表明切向充氣式旋流器底流中細顆粒含量減小，有效改善了底流夾細現象。

相較于平底旋流器，徑向充氣式旋流器分離粒度由35.81μm 降低至32.69μm，切向充氣式旋流器分離精度提高，以-25μm 含量計算綜合分級效率提高5.95%，分離粒度由35.81μm 增加至38.16μm，有效改善底流夾細的問題。

綜上所述，采用切向充氣會強化分級，將外旋流中夾雜的細顆粒以及循環在底部的細顆粒重新進入內旋流，減少切向充氣式旋流器的底流中的細顆粒含量，提高分級效率，改善分級效果。