重介质选煤技术.doc

重介质选煤技术说明：本资料为海矿公司选煤技术培训班的讲义。以中国矿业大学出版社出版的重介质选煤技术为蓝本，适当增加了一些内容。增加的内容在编排上许多不衔接、符号图名也不统一，有些内容甚至是不合适的，有些内容由于条件所限无法编排上并有重复的地方，文字叙述方面还存在问题，原书中的某些图和公式也有错误，由于时间关系这次无法修改。请同志们批评指正，提出建议，补充资料，使本讲义更加完善、科学、实用。第一章 概 述第一节 重介质选煤的发展1、 定义： 重介质选煤是用密度介于净煤与矸石（或中煤）之间的液体作为介质进行分选的方法。密度低于介质的净煤漂浮，而密度高于介质的矸石（或中煤）下沉，然后分别收集归于不同的产品，从而实现原煤的分选。对于重介质旋流器来说，则是密度低于介质的净煤集中在旋流器中心从溢流管排出；密度高于介质的矸石（或中煤）集中于旋流器器壁处从底流口排出。 实际分选密度是指与此密度相同的物料进入浮煤和沉煤的机率相等。2、在重介质选煤发展历史上曾用过两类重介质。（1）有机重液和无机重液：可用有机重液有：三氯乙烷(C2H3C13，密度1460kgm3)、四氯化碳(CCl4密度1600kgm3)、五氯乙烷(C2HCl5、密度1680kgm3)、二溴乙烷(C2H4Br2，密度2170kgm3)、溴仿(CHBr3，密度2810kgm3)等。用过的无机盐溶液有氯化铁、氯化锰、氯化钡和氯化钙等水溶液。在1942年曾有多达25个选煤厂用氯化钙溶液选煤。采用有机液体或无机盐溶液选煤，因其粘度小，可以取得较好的分选效率。但是有机重液和无机盐溶液价格高、回收复用困难，导致生产成本昂贵，而且有的有毒，很快就退出了工业性生产的历史舞台。目前，该方法主要用于实验室分析煤的密度组成以及检验重力分选设备的实际分选效果。 （2）重介质悬浮液：由较高密度的固体，经细粉碎后与水、煤泥配制成具有一定密度的悬浮液。如 黄沙、重晶石、黄铁矿、高炉炉灰、黄土等（我国还实验过浮选尾矿）。但效果不理想，主要是粘度大，脱除、回收困难。第一次出现用磁铁矿悬浮液作重介质选煤的方法是在1922年(康可林选煤法)。1936年持鲁姆在荷兰用磨细的磁铁矿悬浮液选煤。但是磁铁矿重介选煤过程真正得到广泛应用只是在采用磁选机回收复用磁铁矿之后。 磁铁矿的优点：磁铁矿来源丰富，价格便宜，化学性质较稳定，密度接近于5000 kgm3，用其配制的悬浮液的密度可在12002000kgm3的范围内调节。磁铁矿容易用磁选机回收复用。用磨细的磁铁矿粉配制的重介质是一种半稳定的悬浮液。当磁铁矿粉粒度较细(如-0.074mm或-0.05mm)、并有少量煤泥和矸石泥化物(这些都是在生产中不可避免地会产生的)存在时，可以达到比较适宜的稳定性和粘度。在分选容器中只要有少量的扰动就可以保持相对稳定。以上特性使得磁铁矿悬浮液适合于各种煤炭的分选。目前国内外重介质选煤几乎都采用磁铁矿悬浮液作为分洗介质。但需要说明的是磁铁矿粉作为重要的钢铁原材料，价格逐年上升，在一定程度上影响选煤成本。因此开发寻找其它类型的加重质十分必要。其回收可采用浮选或其它回收方法。3、重介质选煤设备（1）重介质分选机：如立轮、斜轮、重介质分选槽等。只用于块煤（+13mm或+6mm）的分选。（2）重介质旋流器DSM型有压给料两产品重介质旋流器：1945年荷兰国营煤矿开发出分选末煤的重介质旋流器(DSM旋流器)，使重介质选煤方法能延伸到末煤。尽管当时块末煤需要在不同的设备中分选，这一发明仍然成为重介质选煤发展史中的一个重要里程碑。无压给料两产品重介质旋流器：l956年美国DynawhirlPool开发出中心给料的圆筒形重介质旋流器。1985年英国煤炭局开发出直径12m的中心给料圆筒形重介质旋流器LARCODEMS，单台通过能力达250300 th,入料粒度上限达到100 mm，实现了全粒级(块和末)煤炭在一台重介质分选机中分选。1986年中国矿业大学与重庆南桐矿务局合作，研究使用中心给料的圆筒重介质旋流器脱硫，1990年通过原煤炭工业部的鉴定。与此同时，唐山分院也进行了这方面的研究。三产品重介质旋流器：又分为有压和无压两大类：1967年在原苏联出现了三产品重介质旋流器，它利用第一段旋流器的余压将其重产物送入第二段进行再次分选。因为重介质悬浮液经历了一段浓缩，提高了密度，所以在第二段旋流器能选出较纯的矸石。用一套重介质系统，单一密度的合格介质分选出三个产品。使传统的两粒级双密度的复杂的重介质分选工艺简化为单密度全粒级重介质分选工艺，简化了重介质的工艺流程。 三产品重介质旋流器在我国选煤工艺中的发展和应用很快。1989年山西昔阳选煤厂引进原苏联的圆筒圆锥式有压给料的三产品重介质旋流器710500，提高了分选质量，简化了工艺流程。1992年煤炭科学研究总院唐山分院与黑龙江鸡西滴道矿选煤厂合作试验成功我国第一台无压给料三产品重介质旋流(NWSX700500型)。1999年作为“九五”国家科技重点攻关项目，由煤炭科学研究总院唐山分院和贵州盘江老屋基选煤厂合作试验成功了我国第一台大型无压给料三产品重介质旋流器(3NWXl200850A型)。2004年国华科技公司已生产出国内外最大型的3GDMC14001000型无压给料三产品重介质旋流器。这为我国重介质选煤技术的发展、选煤工艺流程的简化和选煤厂大型化奠定了基础，对我国选煤技术水平的提高作出了重要贡献。我国重介质选煤发展历史：我国从20世纪50年代中期开始试验重介质选煤方法。起初采用黄土和高炉灰之类作为加重质，成效不大。到50年代末60年代初开始研究采用磁铁矿粉作为加重质选煤。1959年煤炭科学研究总院唐山分院在通化铁厂选煤厂建立了用斜轮分选机处理槽洗中煤6100mm块煤的工业性生产系统。1960年北京矿业学院(现今的中国矿业大学)与阜新海州露天矿合作建成斜轮重介质分选系统。1966年唐山分院与彩屯选煤厂合作建成了重介质旋流器分选系统。此后重介质选煤的理论研究、设备开发、设计和生产在国内逐步发展起来。到1983年国内先后建立了28座重介质选煤厂(车间)。其中包括4座采用国外引进设备并主要由国外设计的大型选煤厂，即：吕家坨选煤厂（240万吨年)、大武口选煤厂(300万吨年)、范各庄选媒厂(400万吨年)和兴隆庄选媒厂(300万吨年)。到1986年，我国重介质选煤占各种选煤方法的比重己达到23左右。最近10年，重介质选煤技术发展很快，新建厂和技术改造的厂，绝大部分均采用重介工艺。特别是无压给料三产品重介质旋流器应用的势头更加强烈第二节 重介质选煤的实质和特点1、重介质选煤的原理重介质选煤是在密度介于净煤和矸石(或中煤)的重介质悬浮液中按照阿基米得原理进行分选的力法。2、重介质选煤系统图11是重介质选煤系统的示意图。首先要配制好要求密度的重介质，然将准备好的入料以一定的速率与重介质一起或分别给入分选机，按(接近介质的)密度分选出轻产物和重产物，用在筛上喷水洗涤的方法从产品中脱除和回收带出的介质、常用磁选机回收并送回介质循环系统复用。在介质循环系统中配备有介质特性测控系统。它能够以不同的方式保持循环重介质特性的相对稳定。随着少量的介质被产品和磁选尾矿带走，制备好的新介质根据介质测控系统的信号人工或自动添加进系统，以保持数量平衡。运动的煤粒的阻力和真溶液一样；但当两者的粒度接近时，则煤粒的运动应被看作是在干扰沉降条件下的运动。因此，在离心力场中，能被分选的煤粒直径将会受到干扰沉降等沉比的限制。一般认为，能被有效分选的粒度下限只能达到大约为加重质最大粒度的5倍以上。上述理论在一般的情况下只适用于固液两相悬浮液中分散固相的体积浓度不超过30的条件。如果超过这个极限，即便是对较粗的块煤，悬浮液也不能看作是均匀的液体(关于重介质悬浮液的性质参阅第三章)。例如我们有时会发现在高密度(如l800kgm3)分选的重力分选机中，在重介质表面会有较粗的矸石漂浮不下沉的现象。因为在使用磁性物含量不够高的磁铁矿粉配制高浓度的重介质时，固体的体积浓度可能会超过30，加上系统中积存较多的煤泥，悬浮液的性质就有别于均匀液体了。选煤用的重介质属于不稳定的固液两相粗分散体系，静止时会发生沉降分层。为保持重介质悬浮液浓度(密度)的相对稳定，使分选能够正常进行，分选机内需要有一定的扰动。但是所有这些扰动对各种密度和粒度的颗粒都会产生不同的影响，尤其是对细粒的密度接近重介质悬浮液的颗粒。采用磨得较细的磁铁矿粉或允许在重介质系统内存在适量的煤泥，会有助于重介质悬浮液的相对稳定，并能减轻扰动的影响。 第三节 重介质选煤的优点和应用范围一、重介质选煤的分选效率高 在合适的条件下，重介质选煤能达到很高的分选精度，可以获得高的分选效率。图12和图l3是各种选煤方法分选精度的比较。选煤的分选精度常用可能偏差E值衡量，它的数值越小，分选精度越高。由图1-2和图1-3可以看出，重介质分选精度最高、E值最小的分选方法，可以应用于难选和极难选煤的分选。分选精度高就意味着在相同产品质量条件下精煤的产率高。重介质选煤的缺点是在生产系统中增加了一套介质系统，增添了一些生产过程的控制变量以及介质损失和设备磨损的问题。二、重介质选煤的分选原理明显，利于实现自动化与跳汰选煤相比较，重介质选煤的分选原理要清楚得多。尽管到目前为止，由于悬浮液运动的复杂性，有关重介质旋流器分选作用机理方面的研究还在进行，更精确的两相流或多相流参数之间的相互作用关系还在探索中，但影响分选密度和分选精度的参数已比较明确，作用关系也比较明显，因此，实现自动化就比较容易。目前，重介选的悬浮液密度、液位、粘度、磁性物含量等都已实现自动控制。三、重介质选煤的产出与投入比高 一般认为，重介选投资大，运行费用高，但仔细的分析结果表明，其差额很小，甚至还有人曾提出比跳汰选投资和运行成本更低的重介系统设计。如果将重介选的高精度分选作用所带来的精煤产率的提高计入，从长远的观点看，对难选煤和极难选煤甚至对一些易选煤也能体现出重介选的高效益，这也是一些选煤大国大量对易选煤采用重介选的重要原因之一。 特别是对于难选或极难选煤，采用重介具有十分明显的优越性。如枣庄矿务局，要求精煤灰分为8时，主选中煤的±o1含量高达60左右，据当时预测计算，采用重介再选比采用跳汰再选总精煤回收率提高510，年产值增加1233万元，年增利税812万元。四、重介质选煤分选密度调节的范围宽 当精煤灰分要求较低时，跳汰机的分选效率会迅速降低而且精煤质量不稳定。但是对于重介质选煤，分选密度在l3002200 kgm3范围内，都能高效率分选。能选出很纯的矸石和灰分很低的精煤。分选密度通过密度自动调控装置容易调整，精确度和稳定性可控制在±(510)kgm3以内，这是其他选煤方法不可比拟的。 由于重介质选煤具有上述诸多优点、特别是它的分选精度高、入选的粒度范围又宽，所以它在选煤工艺中的应用范围非常广泛。近期开发的大直径重介质旋流器，其入选上限可达到100 mm。第四节 重介质选煤发展前景不讲第二章 重介质选煤原理第一节 概 述矿物质含量少的煤，可称为精煤，其密度在12001700kg/m3之间，与煤的变质程度有关，变质程度高的煤密度会高一些。主要由矿物质组成的粒块，密度在l 8004000kg/m3之间。有密度较低的泥质和炭质页岩，也有密度较高的石灰石、石膏、砂岩和黄铁矿，它们都通称为矿石。 还有部分粒块，介于上述两种粒块之间，有机可燃物和无机矿物质含量都较多，即灰分较高，密度在15001800 kg/m3之间，通常称之为中煤。据研究，煤炭的灰分大小与其本身的密度呈显著性正相关关系，这也是为什么我们通过控制分选密度，就可以把原煤分选成不同灰分煤炭产品的原因。 在分选不够完善的情况下，中煤容易混入精煤或损失在矸石中，所以中煤含量愈多的煤，就愈是难选。如果把煤放入某种中间密度的重介质悬浮液中，就可以把它分为浮起的轻产物精煤和下沉的重产物，也可以将其中的某种产物再放入另一种密度的悬浮液中，又可分出另外两种产物。通过两次分离可以得到精煤、中煤和矸石三种产品。 实际上，煤炭的密度(级)组成往往跟粒度有关。对一些煤，若将它破碎到更小的粒度，精煤和矸石都有不同程度的增加，但中煤却有所减少。因为有些粒块是由精煤和矸石结合而成的，在破碎过程中它们解离开，产生出部分精煤和矸石。表2l是内蒙古乌达矿务局提供的500.5mm原煤破碎前后的密度组成变化情况。该表是将原煤中大于13mm部分破碎后与小于13mm部分综合而成的。表中数据表明破碎后-13gcm3密度级含量增加了约10，+18gcm3密度级含量增加了约15，131.8cm3中间密度级约减少了115。其分选结果是在相同精煤质量时，精煤产率会有较明显增加，重选可选性会变好。若分选密度不变，则精煤产率和质量都会有所提高。这一点，对高硫煤脱硫尤为重要。若将高硫煤破碎到小于13mm甚至小于6mm，对于许多煤种，精煤的硫分和灰分都会有明显降低，而精煤产率却明显提高。 除密度组成外，煤的粒度和粒度组成对分选也有重要影响。关于这一点将在以后讨论。第二节 离心力分选机工作原理 一、概述 在离心力场中由于离心力可达到重力的数十倍以上，使颗粒的沉降速度大大提高，同时在旋流器中，重介质悬浮液处于高速运动，结构化被破坏，介质粘度较小。因此离心力分选设备可以有效分选粗细粒煤。国内外普遍使用的重介质旋流器是传统的圆锥形重介质旋流器(也称为DSM旋流器)和中心给料的圆筒形重介质旋流器，也称为DWP旋流器。 以下分别介绍这些设备的分选原理。 二、圆锥形重介质旋流器(DSM) 1.分选原理圆锥形重介质旋流器早期用于矿浆的分级和浓缩，然而通过采用微细粒的重介质悬浮液和结构参数的改变，可以进行精确的主要核颗粒密度的分选。图2-2是圆锥形重介质旋流器的分选原理示意图。（注：此图不好） 重介质悬浮液和煤以一定压力沿切线方向给入旋流器，在旋流器内形成强力的旋流。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介质流，同时部分介质流向中心，由于受圆锥下部的挤压，介质在旋流器轴心附近产生一股由下而上的内螺旋介质流。由于内旋流非常激烈，因而在中轴附近产生一个上下贯通溢流口和底流口的空气柱。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。 颗粒在旋转运动中所受到的离心力为 式中 m-颗粒的质量，kg； -颗粒的旋转线速度,ms； 颗粒的旋转角速度,1s; R颗粒的旋转半径，m。离心力与重力的比值c称为离心因数 入选煤的粒度远大于加重质的粒度，而且在介质紊流较大的旋流器中，重介质悬浮液可视为均匀的重液，这时颗粒在离心运动中的径向沉降末速为 由此可见，在离心力场中颗粒的沉降末速。比在重力分选槽中大得多，因为重介质旋流器的离心加速度2R是重力加速度的数十倍，而且由上公式可见，较大的回转速度比较大的回转半径R更利于获得较高的离心因数，从而使颗粒具有较大的沉降(或上浮)速度。实现煤炭的快速分选。 由重介质旋流器的原理图可见，重介质旋流器中的分选过程比较复杂。首先旋流器内各点的速度是不同的，加上离心因数很大，重介质不可避免要发生一定程度的分层和浓缩，使旋流器内各点介质的密度不同。所以了解重介质旋流器内介质的速度分布和密度分布情况，对于旋流器的研究和生产操作十分重要。 2圆锥形重介质旋流器内介质的速度分布旋流器中介质悬浮液的运动是很复杂的上升(沿轴心附近)和下降(沿器壁附近)的螺旋运动。旋流器内任意点的速度可以分解为切向速度、径向速度和轴向速度。 (1)切向速度 切向速度是介质在旋流器的入口处以一定的压力H给入而产生的。入口处的切向速度与给料压力有关，一般表示为： 式中 K系数，取决于入口流道的阻力损失。旋流器各横断面的切向速度的的分布不尽相同，见图23(a)。在同一横断面上，切向速度由器壁向中心随着半径r的减小而增大，在半径r大约为溢流管半径的0.7倍(约在溢流管内壁到空气柱液面的中点)附近时达到最大值。在此区间(即由器壁至最大切向速度点范围内)，切向速度的分布基本符合下面规律：常数 r旋流器横断面上某点到轴心的距离；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。 在旋流器横断面上，在最大切向速度点到空气柱液面这个范围内，切向速度与半径成正比例关系，切向速度的分布基本符合下面规律： 式中 角速度，1/s。 这种运动类似龙卷风，旋转速度大，产生负压区，形成一个低压的中心空气柱，由底流口吸入空气。 (2)径向速度 关于径向速度，到日前为止还未得出一致的结论。这可能是由于试验条件不同而造成的后果。比较认同的观点是：在旋流器溢流管口以下各层，都存在由器壁向内的径向速度 并且随着半径r减小而减小。在靠近溢流口层位，在半径约等于溢流管半径附近，径向速度0；而锥体下面的各层，径向速度在空气柱附近为零。所以，径向速度的零位线为一斜线，见图23(b)。 (3)轴向速度 出图23(c)可以看到，在旋流器器壁附近轴向速度方向向下，并且随着r的减小而减小，当轴向速度=0以后，方向改变向上，并随着半径r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=0的各点连接起来，可以得到一个近似圆锥的包络面，在包络面外重介质悬浮液向下流动，在包络而内的重介质悬浮液向上流动。3圆锥形重介质旋流器内介质密度的分布 在旋流器内由于离心力很大，重介质悬浮液在旋流器内必然产生分层和浓缩，形成旋流器内不同的密度分布，这个分布状况必然对煤的分选产生直接的影响。旋流器内介质密度分布的总趋势，一是由中心向外随着半径的增大而提高(见图2-4)；二是沿轴心由上至下逐步升高。加重质的粒度愈大，密度愈高，离心力愈大，锥角愈大，底流口愈小，这样变化愈显著，也就说明浓缩度愈大。 煤在悬浮液中的实际分选密度总是介于溢流密度和底流密度之间，而且都是高于入料介质的密度。旋流器底流的介质密度高于入料介质密度，而溢流密度则低于入料的密度。这主要是由于锥体下端，在底流口附近总体介质密度较高的原因（或被称之为分选把关作用）。 实际分选密度增高的数值与介质被浓缩的程度有关，亦即与旋流器的大小、结构参数和操作条件有关，一般可以提高200400kgm3。这不仅意味着可以减少加重质的用量，降低介耗，而且可以使用较低密度的悬浮液。但是必须注意，介质浓缩度太高，也会降低旋流器的分选效率。 4煤在圆锥形重介质旋流器中的分层规律 前面介绍了重介质旋流器内速度和介质密度的分布。旋流器内的分选过程目前研究尚很不充分，只能做一些定性的论述。根据悬浮液的轴向速度的分布情况，可以将旋流器内大致分为两个区域：即以=0的近似于圆锥形包络面为界的内部和外部两个区域。自中心空气柱的液面至包络面以内，介质的密度较低，液流向上；自包络面以外至器壁的区域内，介质的密度较高，液流向下。这两个区域以=0的包络面为分界。矿粒和悬浮液进入旋流器后，在离心力的作用下，位于包络面内部的高密度矿粒通过包络面向外移动，进入密度较高的介质下降流区域，若其密度仍高于下降流介质密度，则一直沿螺线下降直至内底流口排出。在包络面内的低密度矿粒则向空气柱表面移动，若它的密度仍低于包络面内的介质密度，则顺利地沿上升螺旋流由溢流口排出。相反，在包络面外部区域的低密度矿粒，则自器壁向中心移动，若其密度低于包络面附近介质的密度，它将从外部穿过包络面进入上升螺旋介质流，最后由溢流口排出。反之，在包络面内的高密度矿粒向器壁移动，越过包络面并随下降螺旋介质流由底流口排出。由图24可知，实际上在整个圆锥形的包络面上，悬浮液的密度是从上而下逐渐增加的。因此，矿粒在旋流器中的分选，是一个连续多次分选的过程，并且分选密度一次比一次高。决定矿粒在旋流器中最终分选密度的是底流口附近包络面最下端的悬浮液密度。这一区域的位置及悬浮液密度与旋流器的结构和操作参数有关，但是它的密度要高于入料口悬浮液的密度。故这一区域的悬浮液密度和流态、对旋流器的分选起到决定件的作用。此外，由于旋流器沿整个锥体全长都存在有向心的，受它的影响，细颗粒的实际分选密度往往略高于粗颗粒的实际分选密度，特别是对接近分选粒度下限的颗粒。另外，从上述的分析可以看出，若悬浮液的密度在整个包络面上分布比较均匀，即旋流的包络面与等密度面比较接近，则有利于提高分选效率。换句话说加重质的粒度较细，介质具有适当的稳定性，能提高旋流器的分选效率。反之，使用太粗的介质，过大的浓缩度，会降低旋流器的分选精度。下面我们再详细总结一下：（或者说是另一种学说：分离锥面说）在重介质旋流器内，由于重悬浮液给入后，在离心场的作用下，旋流器内形成不同密度的“等密度”线(即密度场)。密度自上而下，由内而外增加。越靠近锥壁和底口的密度越大；在旋流器溢流管处(即中心空气柱)附近的悬浮浓密度最小。从而使旋流器内的底流和溢流悬浮液密度、加重质粒度有差异。这种差异在一定程度上决定了煤和矸石的分离密度，对分选精度有一定影响。其关系式为：所以，矿粒在重介质旋流器内的分离，基本上遵循“阿基米德”原理。当矿粒进入旋流器，逐渐扩散后，可以认为不同密度的矿粒，开始处于相应的等密度线上。在离心力的作用下，密度大的矿粒很快奔向器壁。在外螺旋流的作用下，由底口排出；其余矿粒在各自的等密度线上向锥部移动；部分轻密度矿粒进入“分离锥面”内，如图2-5示。这个界面上的平均悬浮液密度，在理想情况下，近似等于矿粒的分离密度。进入分离锥面内的轻密度矿粒，将在内螺旋流的作用下，从溢流口排出。部分中间物则位于旋流器的内壁和分离锥面之间，或在旋流器圆柱内壁与溢流管之间形成旋涡流，作一定时间的循环旋转运动后，分别进入旋流器的溢流或底流中，如图2-6。余下的矿粒在旋流器底部附近，受高密度悬浮液阻挡层和强烈内螺旋流的作用，迫使这部分矿粒进行二次分离。轻密度矿粒在内螺旋上升流的作用下，从溢流口排出；高密度矿粒则穿过高密度介质层，在外螺旋流的作用下从底流口排出，从而完成全部分选过程。 关于“分离锥面”的形成，决定于垂直零速面，并与径向零位面有关。而“分离锥面”周界面的确定则与旋流器的结构有关。“分离锥面”的一端在旋流器入口以下，其直径Do等于旋流器的直径D减去2d(d为旋流器入料口直径)。另一端在旋流器溢流口下端至锥体距moL处(见图2-7)。它是垂直零速面与最大切线恒速面的相交线。mo值的大小，与旋流器的结构参数、入料压力、流量有关。当旋流器的锥角为200时，mo值在0.40.6范围之间。分离锥面的分离密度可用下式近似计算：式中 悬浮液粘度；Q入旋流器的流量；d颗粒直径；h半径r处器内空间高度；Vt颗粒切向分速度；悬浮液密度。其中 （L为旋流器圆筒体高度；R为旋流器半径；锥体角度。）在实际分选过程中，不同密度和粒度的颗粒在旋流器的溢流(轻产物)和底流(重产物)中的分配规律是复杂的。国外曾有人测定过各种密度和粒度颗粒在旋流器底流的分配率，如图25所示。 当重介质悬浮液的密度是1400 kgm3时，密度为1400kgm3的颗粒，不管颗粒的粗细，实际上是分选介质的一部分，它在底流和溢流的分配率与介质体积的分配率成比例。密度大于l400 kgm3的颗粒在底流的分配率随密度差和粒度增大而增加。对小于l 400 kgm3密度的颗粒则相反，随着密度差和粒度的增大而减小。图中所有曲线都开始于液流的分配点，这表明任何密度的最细颗粒在产品中的分配都接近于液流的分配率，这里所指的液流分配率是指底流介质流量与入料介质流量之比。同时还表明随介质分配的颗粒粒度也随着它与重介质的密度差减小而增大。此外，从曲线还可以发现分选密度随粒度减小而上升。可见，测定的结果与对煤在放流器中分层规律的分析是基本一致的。 关于颗粒的受力分析及说明的问题矿粒在旋流器内旋转流的密度场中受到的作用力主要是离心力和重力： 为了保证两种不同密度的矿粒(特别是细粒级矿粒)在旋流器内得到有效分离，首要的问题就是要使被选矿粒（主要是细粒级)在旋流器内获得相应高的离心系数。怎样才能使被选的最小矿粒获得相应高的离心系数呢?首先分析一下粒度较小的矿粒在离心力的作用下，在密度场流中的下降速度：公式(2-19)表明矿粒在旋流器内的分离时间，与旋流器半径的三次方成正比，与矿粒的直径平方成反比，与矿粒密度及悬浮液密度有关，两者密度差值大时分离时间短，密度差值小时分离时间长。试验表明，当入选矿粒密度与悬浮液密度差超过200kgm3时，矿粒在旋流器内停留时间一般不超过3s，当悬浮浓密度超过矿粒密度时，矿粒向旋流器中心移动；当悬浮液密度与矿粒密度相等时，矿粒在旋流器的“分离锥面”附近作一定时间的循环运动后，分别从旋流器的底流口和溢流口排出。同时分离时间还与悬浮液的粘度成正比。 被选矿粒在旋流器内受到的离心力的大小，取决于旋流器给料的切线速度和旋转半径。而切线速度又与旋流器的入料压头有关。即：公式(222)说明： (1)矿粒在重介质旋流器中受到的离心力，取决于入料压头大小，与旋流器直径以反比、与被选矿粉直径的立方成正比，与矿粒密度和悬浮液密度差成正比。 (2)对分选小粒度物料，宜采用小直径旋流器，以获得比大直径旋流器较高的离心系数。但是，小直径旋流器的入选上限较小。若采用大直径旋流器，必须适当增加旋流器的入料压头，才能确保小粒度级物料得到有效分选。但是，过多地增加入料压力，将给实际生产带来困难，在经济上也不太合理，应当全面考虑。对直径100700mm重介质旋流器分选大于0.5mm粒级煤的离心系数和旋流器直径的相关性进行了试验研究，如表21所列。对在同一入料压力下，重介质旋流器的离心系数和直径的关系进行了试验，得出如图28所示的结果。 三、圆筒形重介质旋流器1、圆筒形重介质旋流器的特点：没有锥体部分，整个旋流器是一个圆筒，两端有端盖。典型代表是美国20世纪50年代末期研制的DWP圆筒形重介质旋流器(见图2-6)。该旋流器是倾斜安装，重介质悬浮液由低端切线给入，在圆筒筒壁附近产生向上的外旋流，在中心空气柱附近产生向下的高速内旋流。入料煤经上端中心入料管用少量悬浮液冲入旋流器，进入旋流器后被悬浮液带动旋转分选。浓缩悬浮液和重产物由高端切线排出，部分悬浮液和轻产物从低端中心管排出。2、密度分布：图24(c)和(d)表示圆筒重介质旋流器内的介质密度沿轴向和径向的分布。由图可见，在圆筒重介质旋流器中，介质密度分布比较均匀，介质的浓缩度较小，对提高分选精度是有利的。实践表明，改变介质入口形状的设计以及通过调节重产物出口的反压力，可以在一定范围内改变介质密度的分布，提高实际分选密度，直到超过入口悬浮液的密度。第三章 重介质悬浮液的性质与测试方法 悬浮液的性质对重介质旋流器的分选效果产生重大影响，它不仅影响分选精度(效率)，也影响设备的生产能力。 重介质悬浮液是由颗粒状的固体(加重质)、煤泥和水混配而成的，固体的粒度在l500 之间，属于粗分散悬浮液，是一个不稳定的体系，静置时会发生分层，使分选机内部各处的密度不同，导致实际分选密度与重悬浮液的平均密度有差异。所以稳定性抵抗浮降的能力，是它的一个重要性质。 另外，它像均匀流体(牛顿流体)一样，也有粘度。但其粘度除了受温度的影响外，还受固体的浓度、粒度、形状和表面性质的影响。而且在静置或不同运动状态时粘度会有变化。这对被分选的颗粒在其中的运动、分选设备的能力和效果产生困难。但是在生产条件下，在一定的范围内，可以简单地把这种重悬浮液看做均匀流体，以其表观密度作为它的密度，以其表观粘度作为它的粘度。以下就有关方面分别说明。第一节 加重质的选择 配制重介质悬浮液的固体称为加重质(也有称为重介质)。选择加重质的主要考虑有：合适的密度、机械强度(不易粉碎和泥化)、较好的化学稳定件、回收容易、来源广泛及费用低廉等。 磁铁矿(密度约5000kgm3)等，被认为是最合适的选煤用的重介加重质材料。一、加重质的密度重介质分选所选用的加重质要有合适的密度，以便用它来配制的重介质悬浮液的平均密度及其他性质能符合分选的要求。选煤用的重介质悬浮液的平均密度一般在13502000 kgm3之间。所以选用的加重质，一方面能配成上述范围的平均密度的重介质悬浮液，同时又要求使其中的加重质所占的体积浓度也保持在合理的范围内(一般为2030)。这是因为重介质悬浮液中加重项的体积浓度与其粘度及稳定性有密切关系。重介质悬浮液的粘度和稳定性还与加重质的粒度组成有关。所以很明显，为配制某密度的重介质悬浮浓，既要求它有足够的稳定性，又要求其粘度不至于太高而影响分选，这就需要在选择加重质的密度、粒度(稳定性)和悬浮液粘度之间做合理的平衡。据研究，当悬浮液粘度达到4CP（1CP=10-3Pa.s）时就会对分选效果产生有害的影响。图31表示粒度为0.0440.074mm的各种加重质配制的悬浮浓密度与粘度及沉降速度(稳定性)的关系曲线。由图31可见，悬浮液的密度随加重质的浓度而增加，但其粘度也逐渐增加，加重质沉降分层的速度减小，即悬浮液的稳定性增大。开始悬浮液的粘度随密度增加较慢，但达到其一临界值后，粘度增加很快。任何一种加重质的使用都不应超过该临界密度(浓度)。选用较高密度的加重质，在同样的条件下，可以降低悬浮液的粘度，但稳定性减小即沉降分层速度加大。图31的应用是有局限性的，只能作为定性地选择加重质时参考。在选择加重质的密度时要考虑在生产条件，进入重介质悬浮液系统中的煤泥量和煤泥的性质对悬浮液稳定性及粘度的影响。另外在离心力分选设备(旋流器)中粘度对分选效果影响较小，可选用密度较低的加重质。二、加重质的粒度组成加重质的粒度组成主要影响重介质悬浮液的稳定性，现在重介质选煤用的加重质一般都是磁铁矿精矿粉。各种分选设备对加重质有不同的要求。分选密度高时可以用较粗的加重质。 根据国内常用的分选设备的需要和磁铁矿粉生产的情况，磁铁矿粉加重质的粒度大致分为4级(见表31)。由于煤泥的含量和性质对悬浮液的稳定性有较大的影响，所以表中所列举的应用范围仅供选用时参考。以上只是说明不同情况下使用的磁铁矿粉添加时的粒度组成情况，实际上与介质系统中的悬浮液中的磁性物的粒度组成是有较大区别的。因为粒度越细，磁选机回收的能力越差，所以循环过程中微细介质的损失将大于粗粒，介质在循环中会越来越粗，这需要在不断补加新介质的条件下，达到某一平衡的粒度组成，这个粒度组成往往粗于补加的新介质。对两产品重介旋流器来说，应用中、细的加重质，不能用粗的加重质，因为离心力场中粗粒级加重质会产生高度浓缩；但对三产品重介旋流器来说应用粗的加重质，因为该设备要求悬浮液在两段中产生浓缩，形成一定的密度差，细粒级的加重质浓缩不足。三、加重质的物理和化学的稳定性和回收特性 实际生产要求加重质具有足够的物理和化学的稳定性，不易粉碎或氧化，也不影响粉煤的件质。黄土和浮选尾矿之类的物质通常含有大量的粘土矿物，它对煤泥的浮选有强烈的抑制作用，使在重介质悬浮液中的煤泥很难回收。 此外，从经济和环境角度，要求加重质能循环使用，而且耗损最小，易于从用过的重介质悬浮液中回收。因此，选择强磁性的物质较为有利，用磁选机能容易高效地回收，费用也低廉。磁铁矿粉(Fe3O4)能很好满足上述要求，它具有较好的物理和化学的稳定性，也易于回收复用。 四、磁铁矿粉质量的检验 目前重介质选煤所用加重质基本上全用磁铁矿粉。磁铁矿是天然矿物。在自然界中常常发现磁铁矿中的一些铁离子被Ti4+、Mg2+和Mn2+离子所取代，降低了磁铁矿的磁性。磁铁矿粉的质量直接影响到用它配制的重介质悬浮液的性质和生产中介质的消耗。 作为重介质选煤的加重质，磁铁矿粉的质量可以进行以方面性质的检验： (1)水分； (2)粒度组成； (3)磁性物含量； (4)密度； (5)基本磁性； (6)全铁含量； (7)二价铁含量。 对新的矿体或从飞灰提取的磁铁矿还可能要进行元素分析，但是对经常供应的磁铁矿粉只进行上述(1)(4)项。 1、水分测定的试样一般大于l00g；在烘箱内以105110烘至但重，即可测定磁铁矿试样的水分。 2、粒度测定可以做全粒级分析或只查十150 m、-40m和-5m三个关键粒级的含量，看是否符合表3-1所推荐的应用范围。检查时一般十40m，用湿法筛分，-40m需要沉降分析或其他超细粒分级方法。用沉降分析时注意避免磁铁矿在悬浮液中(因剩磁或表面荷电)的团聚现象。在条件不具备时，-5m含量可不测量。 3、磁性物含量的分析方法有多种，国内常用的是用磁析管进行测定，磁析管的构造见图32。冲出磁性物，烘干称重即可计算出磁性物的含量。4、磁铁矿的密度常用密度瓶来测定。密度瓶是一个球形玻璃瓶，带有磨门毛细管塞，容量为50 mL，如图34所示。其测定方法是将已知质量(15g)的磁铁矿粉放进密度瓶，测出被样品排开的水的体积，以此求出磁铁矿的密度。一般使用室温下(20)的蒸馏水作为测量液体。有时为使磁铁矿粉充分被水润湿，需预先用数滴酒精使颗粒表面润湿。生产中也可以采用简单的办法：将0.5kg左右的磁铁矿粉放入0.5升量筒加水的方法。分别称出空量筒的重量P1、单加磁铁矿粉后的重量P2、加磁铁矿粉及水的重量P3（加到0.5升容量的刻度）及单加水的重量P4（加到0.5升容量的刻度），即可按下式计算磁铁矿粉的密度： kg/m35、基本磁性一般不测量，需要时可委托相关的机构测量。6、全铁和二价铁的检验。全铁分析可在盐酸(或硫酸)溶液中进行，待磁铁矿样在盐酸溶液中完全溶解后，用氯化亚锡将三价铁还原成二价铁，然后用重铬酸钾标准溶液滴定全铁含量。二价铁的测定主要是为了判断磁铁矿的氧化状态及在磁选中的性能。测定方法是使磁铁矿样品(0.25g)在氮或二氧化碳气体的保护下完全溶解于盐酸溶液。然后用重铬酸钾标准溶液滴定亚铁含量。从全铁和亚铁的含量可推算出四氧化三铁磁性物的纯含量。全铁和亚铁的化验在条件不具备时，也经常不做。第二节 重介质悬浮液的性质 对生产中有重要意义的重介质悬浮液的性质一是悬浮液的密度和其稳定性，二是悬浮液的粘度及流变性。 一、重介质悬浮液的密度及其稳定性 1重介质悬浮液的平均密度重介质悬浮液是由密度不同的固相和液相组成，固相微粒分散于液相之中。只有当在重介质悬浮液中分选的矿粒粒度比加重质的粒度大得多时，这个固液两相的分散体系才可以被看作是一个统一体，这样才具有密度