重介旋流器的原理和运行分析

洗选加工中心
课题设计（论文）
设计（论文）题目：重介旋流器的原理与运行分析
姓名：蒋彦钦
指导老师：李峰
单位：补连塔选煤厂
时间：2010年6月
重介旋流器的原理与运行分析
蒋彦钦
（神东煤炭集团洗选加工中心，陕西省神木县大柳塔镇，719315）
摘要：重介旋流器是一种分选效率高，分选粒级宽的重选设备，但由于其在离心立场中分选而流场与重力场中相比较比较复杂，本文分析了重介旋流器内介质流场的分布情况及其中心空气柱的形成原理并比较了离心立场中实现矿物分选与重力场中实现分选的区别。

由于影响重介旋流器运行的因素很多，但在实际运行控制中主要是调节入料压力和改变重介旋流器底流口大小来改变运行状态。

在一定范围内增大入料压力可以提高旋流器处理能力和分选效果，同时增强了浓缩作用使实际分选密度增大；改变底流口大小也是调节实际分选密度的一种手段，减小底流口大小可使实际分选密度增大而减小重介质的消耗。

但是不论是增大入料压力或是减小底流口大小都应控制在一定范围内否则将影响重介旋流器运行效果。

关键词：重介旋流器；重力选矿；离心力场
1.前言
随着重介质选煤技术的发展及其有着分选效率高，产出投入比高的优点；随着近年来煤炭市场经济的进一步发展，环境和用户对煤炭质量的要求越来越高，我国的重介质选煤方法的入选比重也逐步提高。

与其他选煤方法相比较，重介质选煤的分选精度是最高的，特别是利用重介旋流器使分选过程由传统的重力场转移到离心力场中来，有着可能偏差E小，分选粒级宽的优点，重介旋流器在重介选煤技术中有着很好的发展前景。

然而重介旋流器虽然在煤炭行业中有着比较成功的应用，但是由于其实践先于理论并且旋流器中的流场和影响因素比较复杂，因此本文将对重介旋流器的原理进行分析并对现场运行中的关键因素进行探讨。

2.原理分析
由于重介旋流器经过几十年的发展，出现了许多不同设计，不同型号的产品，因此本文为了说明原理将以DSM重介旋流器（圆筒圆锥型重介质旋流器）为代表论述其原理。

DSM 重介旋流器的结构图见图2.1。

重介质和煤在混料桶中混合均匀后以一定压力沿切线方向的入料口给入重介旋流器，精煤产品从溢流口出来而密度比较大的矸石则由底流口排除。

物料在旋流器中形成比较复杂的
流场，形成四种流态：内旋流、外旋流、盖下流、闭环涡流。

见图2.2。

图2.2 1—盖下流；2—闭环涡流；3—内旋流；
4—外旋流；5—空气柱6—轴向速度零值面；
7—部分外旋流（经底流口排出）
其中最重要的是从圆筒段到圆锥段沿旋流器的内壁形成一股下降的外螺旋流，在轴心附
近产生一股由上而下的内螺旋流。

由于离心力比较大，在中轴处从底流口吸入空气形成负压
产生一个连通底流口和溢流口的中心空气柱。

入料中低密度的精煤移向轴心随内螺旋上升从
溢流口排出，而高密度物移向器壁随外螺旋向下从底流口排出。

2.1重介旋流器内介质的速度分布
锥形旋流器中的速度分布很复杂，可以在三维空间进行分析，即分为切向速度、径向速度和轴向速度。

图2.3为凯尔萨尔测定的旋流器中的流速分布图：
由图2.3（a）中曲线可知，切向速度由中心空气柱向旋流器壁方向由零增大，达到最大值后逐渐减小到零。

在空气柱液面到最大切向速度这个范围内，切向速度的分布基本满足以下条件：
v t=rω
在最大值到旋流器器壁范围内基本符合以下规则：
r n v t=常数
v t——切向速度
r——旋流器横断面上某点到轴心的距离
ω——角速度，1/s
n——指数，与旋流器的大小尺寸、结构和工作参数有关，其值在
0.5-0.9范围内
由图2.3（b）中曲线可知，由于旋流器锥角的原因，向底流口方向筒径逐渐减小，介质在旋流器内向中心挤压形成一个由器壁向内的速度并且随着半径减小而减小。

由图2.3（c）可以看出在旋流器壁附近轴向速度方向向下并且随着半径的减小而减小，当轴向速度为零以后改变方向向上，并且随着半径的减小而增大，接近空气柱液面时达到最大值。

将各横断面上轴向速度为零的各个点连接起来可以得到一个近似圆锥的包络面，在包络面外重介悬浮液向下流动，在包络面内重介悬浮液向上流动。

2.2重介旋流器中心空气柱的形成
为了说明重介旋流器的原理，本节以及以下论述均假设流体为连续介质并且总是假设
流体运动状态为定常流动以便于利用一些流体力学模型来解释重介旋流器中的流态。

我们知道对于重介旋流器中心空气柱的形成有点类似于龙卷风的原理，在此将以流体静力学的模型来解释其形成原理。

根据达兰贝尔原理，将坐标系置于运动物体上，加上一个假想的由牵连运动而形成的惯性力便可将相对平衡液体作为绝对平衡来处理，为了解释空气柱的形成，首先忽略上升流和下降流造成的溢流和底流带来的影响。

设旋流器内没有溢流和底流内部流体以等角速度绕其中心轴旋转而处于相对平衡状态且旋流器内的介质为不可压缩流体即密度不变。

见图2.4
图2.4 旋流器内质点处于相对平衡状态的受力情况
设有单位质量液体A处于图上位置，则单位质量液体质点A所受质量力在各个轴上的投影为：
X=ω2x
Y=ω2y
Z=g
X——单位质量力在X轴上的投影
Y——单位质量力在Y轴上的投影
Z——单位质量力在Z轴上的投影
ω——角速度
g——重力加速度
x——A点所在位置半径r在X轴上的投影
y——A点所在位置半径r在Y轴上的投影
将各个方向单位质量力代入等压面的全微分方程：
dp=ρ（Xdx+Ydy+Zdz）=0
可以得: dp=ρ（ω2x dx+ω2y dy+ g dz）=0
由等压面的全微分方程可以推出在离心力场种的等压面方程：
ω2r2/2+gz=C
p——压力
ρ——密度
C——常数
当r=0，z=0时可以得到自由面方程：
ω2r2/2+gz=0或z=-ω2r2/2g
由自由面方程表达式可知它是绕z轴的旋转抛物面，离心加速度ω2r越高，它的超高也越大，当ω2r∞时z∞（ω2r足够大时可认为其趋近与无穷大），从而自由面变成了一个绕z轴的柱面。

见图2.5所示。

图2.5 重介旋流器内介质处于不同离心加速度下的自由液面比较其中ω12r＜ω22r＜ω32r＜ω∞2r
由此可以得出结论：入料的切向初速度提供了离心加速度，当重介旋流器切向给入的初速度足够大时，可以认为ω2r∞，重力可以忽略，形成一垂直于离心力的自由液面，从而解释了重介旋流器内中心空气柱的形成机理。

2.3矿物在重介旋流器中的分选原理
我们知道在重力场中矿物的分选原理是阿基米德原理，矿物受到的有效重力为：
G=（π/6）d3（δ-ρ）g
G——矿物受到的有效重力
d——矿物的当量直径
δ——矿物颗粒的密度
ρ——介质的密度
当δ＞ρ时，G的方向向下，当δ＜ρ时，G的方向向上。

因此密度比介质大的矿物颗粒将下沉，而密度比介质小的颗粒将上浮，从而达到分选的目的。

在重介旋流器中，由于离心作用使得矿浆在旋流器内有浓缩作用，介质密度不像在重力场分选设备那样分布比较均匀，旋流器的底流的介质密度高于入料介质的密度，而溢流的密度则低于入料的密度。

为了说明矿物在离心力场中的分选原理，我们先忽略密度分布不均匀造成的影响，而假设介质密度是均匀的，且基于自由沉降理论来论述而忽略干扰沉降的影响。

在离心力场中由于离心力远大于重力，因此可忽略重力的影响，由于离心力的作用方向是垂直于旋转轴线的径向上，所以在离心力选矿过程分选作用发生在径向上，则矿物颗粒在介质中收到的离心力为：
F=（π/6）d3（δ-ρ）ω2r
介质对颗粒在径向上运动的阻力为：
R=ψd2v2ρ2
可以建立运动微分方程：
dv/dt=ω2r（δ-ρ）/δ-6ψd v2ρ/πdδ
令dv/dt=0可以求得颗粒在任一回转半径处的径向速度：
v=（πd（δ-ρ）ω2r/6ψρ）1/2
可见在离心力场中ω2r远大于g，所以在离心力场中使矿物按密度分选的力和速度大很多。

以上论述可知，无论是造成分选作用的力还是分选的速度均由于矿物在离心力场中的加速度远大于重力加速度使得分选过程得到强化。

我们在上面的论述中均假设了重介旋流器中的密度均匀分布，但是在实际中，由于浓缩作用，器内的密度分布是不均匀的，由溢流口向底流口方向的密度逐渐增大，见图2.6。

因此，矿物在旋流器中的分选可以看做是一个连续多次分选的过程，并且分选密度一次比一次高，决定矿粒在重介旋流器中最终分选密度的是底流口附近包络面最下端的介质密度。

3.运行分析
影响重介质旋流器工作的因素是多方面的，其中最重要的是旋流器的结构参数（筒体长度，锥角大小，溢流口直径，底流口直径，入料口尺寸，锥比，溢流管插入深度），入料方式，进料压力，安装倾角等。

而我们在现场实际中，调整重介旋流器运行状态最常用的是改变进料压力和改变底流口直径，因此本文将重点以以上两方面论述重介旋流器的运行分析。

3.1进料压力的影响
进料压力的提高将来带来物料进入旋流器的切向速度增加：
v=K（2gp）1/2
v——入料的切向速度
K——系数，取决于人料口的阻力
P——入料压力
进料压力的增加将带来两方面的优点，第一、物料的流速增加可使重介旋流器的单位处理能力，第二、入料初速度的增加将导致离心强度增加从而加速分选过程，提高分选效果。

但是压力过大也将带来使重介旋流器内的密度分布更加不均匀使分选效果降低和增加设备磨损等缺点，因此在实际生产中应使进料压力保持适合的范围。

3.2底流口大小的影响
实践证明，减小底流口直径可以增大实际分选密度。

下文将根据质量守恒原理建立数学模型进行分析，见图3.1。

r
v
图3.1 重介旋流器的参数及其底流口和溢流口的轴想速度
设重介旋流器的入料口直径为R，溢流口半径为r1，底流口半径为r2，中心空气柱半径为r0（由于中心空器柱的半径和旋流器的结构参数及其入料流量和压力均有关系，但为了研究方便，在此假设其为常数），底流口处的速度分布函数为v1(r)，溢流口处的速度分布函数为v2(r)，切入料平均初速度为v0。

因此可以得到入料口，溢流口及其底流口的流量：
入料：Q0=πR2v0/4
溢流：
1
22
11010 ()2()/()
r
r
Q r r v r dr r r ππ
=--
⎰
底流：
2
22
22020 ()1()/()
r
r
Q r r v r dr r r ππ
=--
⎰
根据质量守恒原理可以建立以下平衡方程：
ρ0 Q 0=ρ1Q 1+ρ2Q 2
从而得到：
2100222220020201010/4()1()/()()2()/()r r r r R v r r v r dr r r r r v r dr r r ρπππππ=--+--⎰⎰
ρ0——入料的平均密度
ρ1——溢流的平均密度
ρ2——底流的平均密度
当入料流量和压力保持不变时候，我们可知上式等式左边为常数。

如果我们忽略底流口变化对溢流的影响，即假设上式等式右边第一项也为常数，根据实践我们可知当底流口变小时，底流除的密度ρ2将增大，为了使一上质量守恒方程等式两边平衡必然将导致底流流量减小，即∫v1(r)dr 减小。

从而解释了为何在实践中减小底流口是实际分选密度增大，可以节省介质消耗，但底流口过小可能引起底流口堵塞反而使精煤损失。

所以一般情况小底流口直径为旋流器直径的0.24-0.30倍。

我们在得出上面结论的时候假设了改变底流口不对溢流产生影响，但是在实际上，底流口的改变同时也会导致溢流处的密度变化和流速变化，至于底流口的大小对溢流的变化是如何具体影响的将通过大量实验得到论证，在此不作论述。

但是我们可以知道，溢流变化影响并不改变上述推论得到的结论。

3.3洗选加工中心应用实例
神东煤炭集团洗选加工中心煤制油选煤厂安装有——————型的重介旋流器，但是其运转效果却不尽人意。

煤制油选煤厂的重介旋流器在调试运转过程中出现了一种完全失去分选作用的现象，即大部分介质和煤都从底流口直接排除，俗称“拉肚子”。

下面就这种现象利用以上论述的原理进行分析。

在以上论述中，特别假设了连续流体这一概念，然而在实际中，介质，水和煤的混合流体并不像理论上的连续流体，因此在实际运行中，应该将三者充分混合以尽量接近理论状态。

煤制油选煤厂的旋流器入料状态并不理想，煤和介质在混料桶中并未混合均匀导致进入旋流器后，内部流场紊乱，从而未能形成有效的离心因素从而失去分选效果。

同时，不稳定的介质导致过高的粘滞阻力降低了泵的扬程，从而入料压力并未达到理论要求的范围。

这也是其不能在旋流器内形成有效离心力场的一个重要原因。

经过从以上两方面原因入手，通过改造混料桶和调节泵的频率等手段，目前煤制油选煤厂的重介旋流器基本能正常运行，但是效果仍不理想，是进一步研究的课题。

4.结论
1.将重介旋流器内的介质流速分解为切向速度，径向速度，轴向速度。

切向速度提供了分选的离心力，轴向速度使得旋流器内介质分为上升流和溢流使得轻产物从溢流口排出，重产物从底流口排除。

2.重介旋流器内的中心空气柱由于离心力远大于重力而形成，是一种必然现场无法用其他的替代物来代替其位置。

3.由于重介旋流器是利用离心力场中对矿物进行分选，其造成分选的有效离心力和末速度均远大于静力场中重力的作用，从而是得分选效果更好。

4.重介旋流器内存在着浓缩作用，密度分布从上到下越来越大，因此矿物在旋流器中的分选可以看做是一个连续多次分选的过程并且决定矿粒在重介旋流器中最终分选密度的
是底流口附近包络面最下端的介质密度。

5.在现场中控制重介旋流器运行主要是通过改变入料压力和改变底流口大小来实现，增加入料压力和减小底流口大小均有利于分选过程提高实际分选密度，但入料压力过大或底流口过小也会对分选过程产生负面的不利影响，因此在控制中要掌握好度和权衡取舍。

参考文献
[1] 谢广元主编. 选矿学[M ]. 中国矿业大学出版社.
[2] 欧泽深，张文军. 重介质选煤技术. 中国矿业大学出版社
[3] 周亨达. 工程流体力学. 冶金工业出版社。