跳汰选煤中的跳汰周期特性和优势分析

在垂直脉动的介质中按颗粒密度差别进行选煤的过程叫跳汰选煤。跳汰法的基本原理是：在脉动的介质中，由于介质周期性的上下运动，交替的膨胀和收缩，导致煤粒按密度由顶至底逐渐增加的顺序进行分层，从而达到分选的目的。跳汰选煤工艺流程简单、设备操作维修方便、处理能力大且有足够的分选精度，同时煤种的适应性较强，除极难选的煤外均可优先考虑跳汰法处理，因此该方法在煤炭洗选中占有十分重要的地位（吴式瑜，2003）。

跳汰所使用的分选介质可以是水，也可以是空气。以水为分选介质的称为水介质（或水力）跳汰；若以空气为分选介质则称为风力跳汰。从基本原理来看，风力跳汰与水力跳汰类似，突出的区别是由于空气只能做单向运动，故物料分选只能依靠在间断的上冲气流作用下来完成。从分选的工艺效果来看，风力跳汰也远不如水力跳汰，只能在干旱缺水地区或原料不宜沾水时使用。因此，水力跳汰远远比风力跳汰应用得广泛。

当水流上升时，床层物料被冲起，呈现松散及悬浮的状态。此时，床层中的矿粒按其自身的特性（密度、粒度和形状）彼此做相对运动，开始进行分层。在水流已停止上升，但还没有转为下降水流之前，由于惯性力的作用，矿粒仍在运动，床层继续松散、分层。水流转为下降，床层逐渐紧密，但分层仍在继续。当全部矿粒落回筛面，它们彼此之间已丧失相对运动的可能，则分层作用基本停止。此时，只有那些密度较高、粒度小的矿粒，穿过床层中大块物料的间隙，仍在向下运动，可看成是分层现象的继续。下降水流结束，床层完全紧密，分层便暂告终止。

（一）跳汰周期的特性

水流每完成一次周期性变化所用的时间称为跳汰周期。在一个跳汰周期内，首先，床层经历了从紧密到松散分层再到紧密的过程，颗粒受到了分选作用。通常经过多个跳汰周期之后，分层才逐趋完善。其次，高密度矿粒集中在床层下部，低密度矿粒则聚集在上层。最后，物料从跳汰机分别排放出来，从而获得了两种密度不同，即质量不同的产物。图2-1所描绘的就是物料在一个跳汰周期中所经历的松散与分层过程。

图2-1　物料在一个跳汰周期中所经历的松散与分层过程

（据吕一波等，2007）
（a）分层前矿粒混杂床层紧密；（b）水流上升床层冲起；（c）床层分层水流上升逐渐终止转而下降；（d）水流下降床层紧密

图2-2　跳汰机内垂直水流的3种基本形式

（据吕一波等，2007）
（a）脉动跳汰机只有间断上升水流；（b）动筛跳汰机只有间断下降水流；（c）活塞、隔膜或压缩空气跳汰机所具有的垂直升降交变介质流

跳汰周期的特性在一定程度上决定了跳汰分层的效果，并间接地体现了跳汰机的主要结构特征。跳汰周期特性曲线反映了水流运动形态，曲线的纵坐标表示水流速度，横坐标表示时间，斜率为水流运动的加速度。跳汰周期特性的基本形式有以下3种（吕一波等，2007）。

（1）间断上升介质流［图2-2（a）］。其脉动水流可通过旋转阀门来实现。

（2）间断下降介质流［图2-2（b）］。水介质是静止的，筛面在水中做往复上下运动。当筛面向下运动时，床层离开端面，依靠自重在水中松散并进行分层；当筛面向上运动时，筛面与床层接触，并迫使它在水中向上运动，等同于床层受到一股下降水流的作用，床层逐渐紧密。此时，由于筛孔被床层所堵，筛框内的水位高于框外液面，从而在床层中形成一股下降水流。

（3）升降交变介质流［图2-2（c）］。形成这种运动状态的介质流，可用往复运动的活塞或隔膜（如活塞跳汰机、隔膜跳汰机），也可用压缩空气（如筛侧空气室跳汰机和筛下空气室跳汰机）。跳汰周期特性曲线可以是上下对称的，也可以是不对称的。这种跳汰机分选效果好，选煤基本上都是采用该类跳汰机。

（二）跳汰周期的合理选择

在跳汰选煤实际生产过程中，如何合理地确定跳汰周期特性是一个关键的问题，该问题的核心是在跳汰过程中如何突出密度的主导作用，从而获得最佳的分选工艺效果。但是，实现按密度分选的先决条件是床层在水流作用下能呈现良好的松散状态。

为此，首先要分析床层松散过程的机理，其次研究跳汰周期的两个主要参数作用，并考虑与其相关因素的影响，最后合理选择跳汰周期特性。

1.垂直水流作用下床层松散过程的机理

床层松散是矿粒得以按密度大小进行分层的前提，床层松散度大，分层速度也快；而松散不足、性质不同的颗粒就难以相互易位和分层。故床层的松散状况不仅决定着分层效果的好坏，还决定着分层速度。

由于只有当床层处于松散状况下才有利分层过程的进行，因此，在一个跳汰周期中，应尽快使床层松散，而当床层达到适当松散后便设法维持和延长处于松散状况的时间，减慢床层由松散转为紧密的沉降过程。在床层紧密后应迅速地令水流开始一个新的跳汰周期，不允许在两个跳汰周期之间的停顿时间过长。

分选时床层的松散过程可能出现以下3种状况。

（1）在上升水流作用下，如果床层承受的动压力不足以克服床层在介质中所受的重力，则床层不可能被举起，松散过程始于上层，然后自上而下逐渐扩展，下层松散最晚，而且也最紧密。它发生在上升水流作用时间长且水流加速度小时，松散过程进行缓慢。

（2）在上升水流作用下，由于水流加速度较大，床层所承受的动压力大于床层在介质中的重力时，床层被整个举起而离开筛面。床层的上面和下面均形成了自由空间，于是床层自上而下两头同时扩展进行松散，床层的中间层比较紧密而且松散得也最晚。这种松散过程进展得很快，它发生在上升水流加速度较大作用时间又很短的情况下。但应注意的是，在这种情况下，即使床层被整个托起，为了使床层得到充分松散，不应使水流立即转为下降，应使上升和下降之间有一个缓慢过渡，否则床层将只是上下运动，没有时间松散和分层。

（3）当上升水流速度和加速度过大过猛时，跳汰周期一开始，床层就被举起。于是床层的松散过程是下部首先开始，而上层松散最晚，上层也最紧密，故松散过程进行得缓慢。

上述3种松散状况中，以第二种松散状况为最理想，床层松散快，分选效果也好。

从上述对床层松散状况的描述中可知，具有一定速度和加速度的水流作用于床层，使床层被举起而运动，在床层运动过程中，由于矿粒的密度和粒度各异，致使上升的距离有别：密度大的、粒度粗的物料上升高度就小；密度小的、粒度细的物料上升高度就大，于是使床层呈现松散状态。再有，当水流穿透床层时，由于矿粒的阻挠，产生了大量的涡流，而这些涡流又转变为压力作用于矿粒上，流体动力学称其为涡流撞击压力作用，导致矿粒呈现出不规则的旋转，也促使了床层的松散。因此可以认为，床层松散过程的机理是上升水流产生的动压力与床层内涡流的撞击压力综合作用的结果。

2.跳汰振幅和跳汰频率

床层的松散与分层和跳汰周期特性关系很密切，跳汰周期特性恰当与否直接关系到床层松散与分层的效果。影响跳汰周期的因素很多（吴式瑜等，2003；周曦，2003）：跳汰振幅，跳汰频率，床层的厚薄，物料性质（密度、粒度组成及形状），跳汰机结构，脉动源的类型（活塞、隔膜、压缩空气等），采用压缩空气为脉动源时的风阀特性及风、水制度等，所有影响水流特性的因素也都影响床层的松散与分层。在此仅讨论跳汰振幅及跳汰频率对床层的影响，因其两者是相互关联的。

（1）跳汰振幅。跳汰周期若已定，跳汰频率也是定值，水流运动的振幅A体现着水流运动的速度。一般认为上升水流的速度v应大于或等于低密度物中最大颗粒的悬浮速度。对于床层而言，跳汰振幅A的大小决定着床层松散时的空间条件。若振幅过大，床层有过度松散的可能，致使容积浓度变小，粒度和形状带来的不利影响增加；若振幅过小，床层松散时的空间条件不足，密度不同的矿粒难以相互易位，也不利于按密度分层。振幅的大小应根据实际情况而定，它与物料粒度、密度以及床层厚薄、处理量多少等因素有关。例如，跳汰选煤一般要求振幅A应大于被选物料最大块粒度的0.5～2倍，被选物料粒度粗、密度高，则水流运动的振幅也应加大。

（2）跳汰频率。垂直交变水流的跳汰频率n和振幅A，综合决定了水流运动的速度v和加速度a。增加振幅A，水流运动速度v增加明显；增高频率n则对于水流运动的加速度a影响显著。跳汰选煤时，上升水速多在0.14～0.22m／s之间，而水流运动的加速度a一般小于重力加速度g，为0.1～0.9g之间。

如何有利于床层的松散与分层，频率和振幅应统一考虑。其基本关系是：振幅大时，频率应低；振幅小时，频率可高。选煤用的跳汰机绝大多数是以压缩空气作为脉动源，当分选宽粒级或不分级煤时，若采用滑动风向，频率在70次／分左右；如采用旋转风阀，则频率多在38～68次／分范围内。曾有人认为，使跳汰机机械运动频率与水流自然振荡频率（固振频率）一致为最佳选择，即共振条件下，此时频率为45～47次／分，但这仅对不分级跳汰选煤适用。在实际生产过程中频率一经确定，日常生产就不再变化。

3.跳汰周期特性的确定

确定跳汰过程的跳汰周期特性时应建立以下3点认识（吕一波等，2007）。(www.xing528.com)

（1）不存在适合任何情况下的最佳万能跳汰周期。

（2）选择跳汰周期时必须充分考虑物料的性质（粒度及密度组成）以及对产品质量的要求。

（3）水流运动特性是跳汰过程中极为重要的因素，但并非唯一的因素，还应该将其他因素综合考虑，才能获得最好的效果。

选择跳汰周期特性时应遵循以下原则。

（1）水流在上升初期，床层被举起的高度决定分选过程中的松散程度，为了保证在整个分选过程中按密度分层得以充分进行，水流必须将床层举到一定高度，该高度值常需试验确定。

（2）上升初期煤粒与水流之间的相对速度较大，对按密度分层不利。因此，应尽可能缩短该阶段所经历的时间，使床层在此期间内保持较小的松散度，即应尽快将整个床层托起。增大水流速度或加速度都可以起到床层被迅速举起的作用，但增大水速不如增大加速度有利。因用大水速的办法床层难以保持较小的松散度，还导致煤粒与水间相对速度的增大。因此，在上升初期以采用短而快的上升水流为宜。

（3）上升初期床层被迅速举起后，为使床层能够很快松散，水流加速度要缓慢地减小，水流变化应该是长而缓的。

（4）上升末期和下降初期床层最为松散，为了使分层进行充分，应延长这段时间，并在这段期间内尽量使煤粒与介质间保持最小的相对运动速度。下降初期对于不分级煤炭的分选，也是吸啜作用的主要阶段，下降初期的水流运动，若过长过缓，导致吸啜作用削弱，所以水流在下降初期长而缓应适当。

（5）下降末期大部分床层已经紧密，分层作用几乎完全停止，所以这段时间以短为佳。但是吸啜作用还没完结，对于不分级煤又是必不可少的分层过程的补充和延续。因此，应根据原煤性质，适当控制吸啜作用的强度及其延续的时间，其目的一方面是确保高密度细颗粒能够充分被吸啜到底层，另一方面是防止低密度细颗粒的精煤损失到矸石中去。

几种典型的跳汰周期特性曲线如图2-3所示。

图2-3　工业上几种典型的跳汰周期特性曲线

（据吕一波等，2007）
（a）上升水速大、作用时间长（va＞vb，ta＞tb）；（b）上升水速大于下降水速但作用时间相等（va＞vb，ta=tb）；（c）上升水速大但作用时间短的不对称跳汰周期（va＞vb，ta＜tb）；
（d）上升水速较缓但作用时间较长的不对称跳汰周期（va＜vb，ta＞tb）

（三）跳汰机

实现跳汰过程的设备为跳汰机。典型的跳汰机由产生和控制周期性上冲-下降运行的机械系统、原煤的输运和送入系统、净煤和废渣的分离与运出系统组成。

按跳汰机中脉动水流的形成方法大致可以分为三大类：一是活塞式，跳汰机活塞室中活塞的往复运动引起水的运动；二是动筛式，将有煤层的跳汰箱在静止的水中上下运动；三是空气脉动式（无活塞式），将机体制成“U”形，通过对“U”形的封闭端压入或放出压缩空气而引起水的往复运动。其中，空气脉动式跳汰机的使用最为广泛，按其空气室的位置不同，又可分为筛侧空气室式（又称鲍姆跳汰机）和筛下空气室式两种。

筛侧空气室跳汰机的基本结构如图2-4所示。纵向隔板将机体分为空气室和跳汰室，两室的下部相通。空气室上部密闭，设有特制风阀，风阀的作用是将压缩空气交替地给入空气室中，同时按一定的规律将空气室中的压缩空气排出室外。当给入压缩空气时，跳汰室中的水被强制上升；待空气室的压缩空气排出时，跳汰室中的水位又自动下降，因此，推动跳汰室水面上下运动形成脉动水流，如改变给入的压缩空气量时，可以调节跳汰机中的水流冲程，改变风阀的运动速度也可调节水流脉动的频率。顶水从空气室下部顶水进水管进入，以改变跳汰机水流运动特性，并在跳汰室中形成水平流，便于运输物料，同时使物料在跳汰室中进行松散和分层。跳汰机中的冲水是从机头与原料煤一起给入。跳汰机中经分层原料煤得到分选后，在第一段（矸石段）和第二段（中煤段）的重产物矸石、中煤，分别经各段末端的排料装置排到各自的排料道，并与透筛的小颗粒重产物一块排到各自的排料口，再经与机体密封的脱水斗子提升机排出，轻产物（精煤）自溢流口排出机体。

图2-4　筛侧空气室跳汰机结构

（据吕一波等，2007）
1—机体；2—风阀；3—溢流堰；4—自动排矸装置的浮标传感器；5—排矸轮；6—筛板；7—排中煤道；8—排矸道；9—分隔板；10—脉动水流；11—跳汰室；12—空气室；13—顶水进水管

（四）跳汰选煤的工艺流程

跳汰选煤流程分为分级入选流程和不分级入选流程。由于分级跳汰的准备作业较复杂，并且一般条件下分选效果也没有明显的提高，因此，我国多数采用的是不分级入选流程（周曦，2003；吴式瑜，2003）。

1.分选炼焦煤的典型流程

图2-5（a）为原煤混合入选，主选跳汰出精煤和矸石两种最终产品，中间产品（中煤）入跳汰再选。这是跳汰分选炼焦煤的典型流程——主、再选跳汰流程。图2-5（b）是一种最简单的跳汰流程。原煤混合入选，主选跳汰出3种最终产品，有部分中间产品回选，用以分选较容易的原煤。图2-5（c）为块煤重介和末煤跳汰分级入选，主选中间产品入再选的跳汰分选流程。用以分选块煤为难选（或极难选）、末煤为中等易选的原煤。图2-5（d）为原煤混合入选，设有主、再、三选的跳汰流程，用以分选原煤性质为难选的炼焦煤。图2-5（e）为跳汰分级入选流程，块煤和末煤可选性为中等易选。该流程适用于当块、末煤按同一密度进行分选时，块、末煤同一密度点的灰分相差较大的情况。根据最高产率原则阐明：从两种或两种以上的原料煤中选出一定质量的综合精煤时，必须按各部分精煤分界灰分相等的条件，确定出各种煤的分选密度，才能使综合精煤产率最高。

图2-5　分选炼焦煤的典型跳汰流程

（据周曦，2003）

2.分选动力煤和无烟煤的典型流程

图2-6（a）的流程为主选机只出两种最终产品，中间产物回选，适用于分选中间密度的物料较少的原煤。图2-6（b）的流程也主选出两种最终产品，但与图2-6（a）不同的是中间产品和重产物混合出选混煤，适用于选高密度含量少、灰分又较低的原料煤。

图2-6（c）和图2-6（d）是生产多品种的主、再选联合流程，均较为复杂。图2-6（c）为主选矸石大排放、矸石再选流程。图2-6（d）为主选排纯矸、中间产品再选流程。

我国大部分炼焦煤选煤厂都设有主、再选跳汰流程，随煤质变化调整流程很方便，也有利于根据产品用户要求，生产高质量多品种产品，区别供应，满足社会与节能的要求。而在动力煤选煤厂中，跳汰流程较为简单，流程变化较小。

图2-6　分选动力煤和无烟煤的跳汰流程

（据周曦，2003）