重介质选煤方法及设备分析

重介质选煤是用密度介于煤与矸石之间的重液或悬浮液作为分选介质的选煤方法。目前，国内外普遍采用磁铁矿粉与水配制的悬浮液作为选煤的分选介质；而重液价格昂贵，回收复杂困难，在工业上没有得到应用（吴式瑜等，2003；欧泽深，2006）。

重介质选煤具有分选效率和精度高，分选密度调节灵活且范围宽、适用性强，分选料度宽，处理能力强，生产控制易于自动化的优点；主要应用于排矸、分选难选和极难选煤（吴式瑜，2003）。重介质选煤的缺点是工艺复杂，生产费用较高，设备磨损快，维修量大。

重介质选煤法使用范围广。可代替人工手拣矸石，不仅分选效果好、生产率高，而且解放繁重的体力劳动。对于难选煤和极难选煤，采用全重介选或部分重介选流程，都可以提高精煤产率。用重介质旋流器再选跳汰中煤和精煤，可提高精煤产率和产品质量。目前，在我国重介质选煤的能力仅次于跳汰选煤。

重介质选煤的基本原理是阿基米德原理，即浸没在液体中的颗粒所受到的浮力等于颗粒所排开的同体积液体的重量（吕一波等，2007；吴式瑜，2003）。如果颗粒的密度δ大于悬浮液密度ρ，则颗粒下沉；如果δ＜ρ，则颗粒上浮；如果δ=ρ，颗粒则处于悬浮状态。

当颗粒在悬浮液中运动时，除了受到重力和浮力作用外，还受到悬浮液的阻力作用。最初相对悬浮液做加速运动的颗粒，最终将以其末速度相对于悬浮液运动。颗粒越大，相对末速度越大，分选速度越快，分选效率越高。可见，重介质选煤是严格按密度分选的，颗粒粒度和形状只影响分选的速度，这也就是重介质选煤是所有重力选煤方法中效率最高的原因（吕一波等，2007）。

（一）重介质分选机

实现重介质选煤的设备是重介质分选机。随着重介选矿工艺的发展，重介分选机的种类也越来越多并且趋向大型化。从分选粒度范围可分为块状物料（块煤）分选机和粉状物料（末煤）分选机两大类。块煤重介质分选机分为斜轮重介质分选机、立轮重介质分选机和筒型重介质分选机；末煤重介质分选机有重介质旋流器等。

1.斜轮重介质分选机

斜轮重介质分选机是目前我国块煤分选应用较广的一种设备（图2-7）。斜轮分选机的优点是分选精度高，可分选粒度范围宽（分选粒度上限为200～300mm，最大可达1000mm，下限为6～8mm），处理量大（槽宽1m的斜轮分选机处理量为50～80t／h），所需悬浮液循环量小（约0.7～1.0m3／t入料），分选槽内介质比较稳定，分选效果良好。其缺点是外形尺寸大，占地面积大。

图2-7　斜轮重介质分选机示意图

（据吴式瑜等，2003）
1—分选槽；2—提升轮；3—排煤轮；4—提升轮轴；5—减速装置；6—电动机；7—提升轮骨架；8—齿轮盖；
9—立筛板；10—筛板；11—叶轮；12—支座；13—轴承座；14—电动机；15—链轮；16—骨架；17—橡胶带；
18—重锤

斜轮分选机兼用水平介质流和上升介质流，在给料端下部引入水平介质流，不断给分选带补充合格悬浮液，防止分选带密度降低。在分选槽底部引入上升介质流，防止悬浮液沉淀。水平介质流和上升介质流的同时作用使分选槽中悬浮液的密度保持稳定均匀，并造成浮煤的水平运输。浮煤由水平流运至溢流堰被排煤轮刮出，经固定筛一次脱介后进入下一脱水脱介作业。沉煤下沉至分选槽底部由斜提升轮的叶轮提升至排料口排出。原煤送入分选机后，最终产品按密度分为浮煤和沉煤两部分。

2.立轮重介质分选机

立轮重介质分选机的工作原理与斜轮重介质分选机基本相同，其差别仅在于分选槽槽体型式和排矸轮安放位置等机械结构上有所不同（吕一波等，2007）。在相同处理量的条件下，立轮重介质分选机具有体积小、重量轻、功耗少、分选效率高及传动装置简单等优点。缺点是生产费用较高，设备磨损较快，悬浮液的循环量比其他重介质分选机大。立轮重介质分选机结构如图2-8所示。

图2-8　立轮重介质分选机示意图

（据吴式瑜等，2003）
1—分选槽；2—排矸轮；3—棒齿；4—排矸轮传动系统；5—排煤轮；6—排煤轮传动系统；7—矸石溜槽；
8—机架；9—托轮装置

3.重介质旋流器

重介质旋流器选煤是目前重力选煤方法中效率最高的一种。它是用悬浮液作为介质，在外加压力产生的离心场和密度场中，把煤和矸石进行分离的一种特定结构的设备。

重介质旋流器分类方法较多，各种类型的重介质旋流器都有各自的特点。下面介绍几种常规的分类方法（周曦，2003）。

（1）按其外形结构可分为圆筒形和圆筒圆锥形重介质旋流器。

（2）按其选后产品的种类可分为二产品重介质旋流器、三产品重介质旋流器。

（3）按给入旋流器的物料方式可分为周边（有压）给原煤、给介质的重介质旋流器和中心（无压）给原煤、周边（有压）给介质的重介质旋流器。

（4）按旋流器的安装方式可分为正（直）立式重介质旋流器、倒立式重介质旋流器和卧式重介质旋流器。

重介质旋流器选煤的基本过程（吴式瑜等，2003）：原煤和悬浮液以一定压力沿切线方向给入旋流器，形成强有力的旋涡流。液流从入料口开始沿旋流器内壁形成一个下降的外螺旋流，在旋流器轴心附近形成一股上升的内螺旋流。由于内螺旋流具有负压而吸入空气，在旋流器轴心形成空气柱。入料中的精煤随内螺旋流向上，从溢流口排出；矸石随外螺旋流向下，从底流口排出。

重介质旋流器选煤是利用阿基米德原理在离心力场中（而不是重力场中）完成的。在重介质旋流器中，体积为V的颗粒（密度δ）所受的离心力Fc为：

式中：v——颗粒的切向速度（m／s）；

r——颗粒的旋转半径（m）。

悬浮液给物料的向心力F0为：

式中：ρ——悬浮液的密度（g／m3）。

颗粒在悬浮液中半径为r处所受的合力F为：

式（2-2）表明，当δ＞ρ时，F为正值，颗粒被甩向外螺旋流；当δ＜ρ时，F为负值，颗粒移向内螺旋流，从而把密度大于介质的颗粒和密度小于介质的颗粒分开。在旋流器中，离心力可比重力大几倍到几十倍，因而大大加快了末煤的分选速度并改善了分选效果。

重介质旋流器具有体积小，结构简单，处理量大，分选效率高，分选下限低（可达0.3～0.5mm），适合于处理难选煤种等特点。特别是对难选、极难选的原煤，细粒级较多的氧化煤、高硫煤的分选和脱硫有显著的效果及经济效益。重介质旋流器的缺点是入料的上限不高，循环液的循环量较大（3～5m3／t）。重介质旋流器选煤原理如图2-9所示。圆筒重介质旋流器如图2-10所示。

图2-9　重介质旋流器选煤原理图

（据贺遥等，2007）

图2-10　圆筒（DWP）重介质旋流器示意图

（据吴式瑜等，2003）

（二）悬浮液

悬浮液是用磨得很细的高密度固体（如磁铁矿、重晶石、沙、黄土、浮选尾矿等）微粒与水配制成悬浮状态的两相流体（吴式瑜等，2003；欧泽深等，2006）。所用固体微粒称为加重质，水称为加重剂。悬浮液价格便宜，无毒，无腐蚀性，特别是用磁铁矿粉与水配制的重悬浮液，加重质容易回收，配制的悬浮液密度范围较大，所以目前在选煤工业上得到广泛的应用（周曦，2003）。

悬浮液的性质直接影响分选效果，选煤用的悬浮液既要达到密度要求，又要有一定的稳定性，同时还要有较好的流动性（黏度不能过高）。其中，加重质的性质直接决定悬浮液的性质，当悬浮液密度一定时，加重质的粒度越粗，则悬浮液的黏度越低，加重质沉降速度越快，回收越容易，但悬浮液不稳定；加重质的粒度越细，加重质沉降速度越慢，悬浮液稳定性越好，但黏度增加，加重质回收困难（周曦，2003）。另外，加重质的密度越高，悬浮液容积浓度就越低，稳定性也越差。因此为得到较好的分选效果，必须对加重质和悬浮液的性质作进一步的探讨。

1.加重质的粒度

加重质的粒度大小决定了它在水中沉降速度的快慢，代表着悬浮液的稳定性。因此，悬浮液的稳定性和黏度是随着加重质颗粒平均直径的减小而增加。

目前选煤厂普遍采用磁铁矿粉做加重质。如果磁铁矿和水的混合物是静止的，那么磁铁矿粉会很快沉淀，不能形成悬浮液。只有当磁铁矿粒度很细，分选机中有水平—上升（或下降）介质流运动的情况下，磁铁矿粉才能悬浮起来，在分选机内形成一个密度较均匀的分选区。同样，磁铁矿粒度过细，会使悬浮液的黏度过高，不但降低分选效果，而且会恶化悬浮液的净化回收条件。在确定合理的磁铁矿粉粒度时，还应考虑分选设备的型式和悬浮液密度的高低等因素。

生产实践表明，块煤重介质分选机要求磁铁矿中粒度小于0.028mm级，含量应不低于50%，而对于末煤重介质旋流器，则要求磁铁矿中粒度小于0.028mm级，含量应不低于90%。磁铁矿粒度与悬浮液密度的关系是，悬浮液密度越低，磁铁矿粉粒度要求越细。我国选矿厂生产的磁铁矿粉较粗，多数达不到上述要求。因此，应进一步加工磨细来保证悬浮液的稳定性，同时可减少设备、管路磨损和介质消耗量。实践证明，重介质选煤厂用球磨机将较粗的磁铁矿粉再磨60～90min，基本就能达到粒度要求。(www.xing528.com)

2.悬浮液的密度

悬浮液的密度与加重质的密度及体积浓度有关。悬浮液的密度ρsu等于加重剂和加重质密度的加权平均值，可由下列公式求得：

式中：i——悬浮液中加重质的体积浓度；

δ——加重质的密度（g／cm3）；

ρ——水的密度（g／cm3）。

当以加重质的质量来计算悬浮液密度时，式（2-3）可改写为：

式中：G——加重质的质量（g）；

V——悬浮液的体积（cm）。

采用磁铁矿粉做加重质时，磁铁矿密度范围为4.3～5.0g／cm3，用此配制的悬浮液容积浓度一般上限不超过35%，下限不低于15%。超过最大值时，悬浮液黏度增大失去流动性，入选物料在悬浮液中不能自由运动；低于最小值时，又会造成悬浮液中加重质迅速沉降，使悬浮液密度不稳定，影响分选效果。采用磁铁矿配制的悬浮液密度可达1.3～2.0g／cm3，通常低密度的悬浮液用来选精煤，高密度的悬浮液用来排矸。如果在允许的容积浓度范围内悬浮液密度仍不稳定时，可以加入一定量的煤泥来达到稳定悬浮液的目的。

在实际选煤过程中，悬浮液分为3种（周曦，2003）：工作悬浮液（给入分选设备的具有给定密度的悬浮液）、稀悬浮液（在产品脱介筛第二段筛下获得的、密度低于分选密度的悬浮液）和循环悬浮液（在产品脱介筛第一段筛下获得的、密度接近或等于分选密度的悬浮液）。在生产实践中，必须严格测定和控制工作悬浮液的密度。由于选煤过程中的实际分选密度与给入分选设备的工作悬浮液密度有差异，这个差值大小除与原料煤的粒度组成有关外，还与分选设备、分选条件等因素有关。因此，工作悬浮液的密度须根据分选设备、分选条件、原煤粒度组成以及分选产品的质量要求来确定。

3.悬浮液的流变黏度

流变黏度是表征悬浮液流动变形的一个重要特性参数。液体中质点的位移由于受分子间的吸引力，需要消耗若干能量。如果把这种吸引力看成是液体的内摩擦力，则由于液体的分子结构和分子量不同，其内摩擦力也不同。当液体流动时，其内部质点沿流层间的接触面相对运动而产生内摩擦力的性质，称为流体的黏性。黏性是流体的一个重要物理性质，以黏性系数μ来度量，又称动力黏性系数、动力黏度或黏度。黏度μ越大，液体流动时的阻力就越大。

选煤用悬浮液的黏度取决于水的黏度与加重质所引起的附加黏度，表现为液体与液体、固体与固体、液体与固体之间的内摩擦力。因此，悬浮液的黏度μb比水的黏度μ大，悬浮液流动时的阻力也就大。

在一定的温度和压力下，均质液体的黏度μ是一个常数，悬浮液的黏度μb一般也是常数，与流体的速度梯度无关。但是，当悬浮液中固体的容积浓度过大时，固体粒子外面的水化膜彼此聚合成具有一定机械强度的网状结构物，并将大量的水充填在网状结构物的空腔中，这就形成了结构化。结构化的悬浮液会使黏度显著增大，此时悬浮液的黏度称为结构黏度，该黏度随悬浮液流速梯度的减小而增大。根据试验，用磁铁矿粉配制的悬浮液中，加重质的容积浓度超过30%时，悬浮液才会产生结构化。

悬浮液黏度越大，物料在悬浮液中运动所受的阻力就越大，按密度分层越慢。尤其是结构化的悬浮液，对沉降末速小的细粒级煤是很难分选的。

4.悬浮液的稳定性

悬浮液的稳定性是指悬浮液在分选机中，各点的密度在一定时间内保持不变的能力。悬浮液的稳定性不仅与加重质和加重剂的性质有关，而且还与悬浮液所处的状态（静止还是流动）有关。因此，必须区分静态稳定性和动态稳定性这两个概念。在一定条件下，动态稳定性和静态稳定性是成正比的，但是同一悬浮液的静态稳定性和动态稳定性指标可能相差很大。例如，当悬浮液按一定方向和速度流动时，可以使静态稳定性很差的悬浮液变为动态稳定的悬浮液。悬浮液在分选设备中能否保持动态稳定，是衡量悬浮液能否用于分选的主要指标，因为它直接影响分选效果。静态稳定性只能作为一个参考，用来比较不同悬浮液的性质。

悬浮液的稳定性与加重质的粒度和体积浓度、液流方向、流速、排料机构搅动等因素有关，应综合考虑以求达到选煤工艺所要求的密度均一性。块煤分选机悬浮液的稳定性要求在分选区内上下层的密度差小于0.02g／cm3，通常靠上升或下降液流来达到；重介质旋流器悬浮液的稳定牲要求底流悬浮液密度与溢流悬浮液密度的差值为0.3～0.5g／cm3。

评价悬浮液稳定性的方法很多，目前尚无统一标准，常用的测定方法可分为两类（周曦，2003）。

（1）按加重质的沉降速度测定稳定性。包括按悬浮液澄清层的形成速度测定法和按沉淀层的形成速度测定法，测量得到的稳定性数值以沉淀物在单位时间内的下沉距离来表示。其主要缺点是不太实用，因为选煤用的悬浮液中磁铁矿粉的粒度范围较大，而且混有大量煤泥，这样的悬浮液在静止中虽然很快发生固相颗粒的沉淀，但是往往难以形成澄清层或沉淀层。

（2）按悬浮液密度的变化测定稳定性。具体测定方法较多，其主要区别在于测定条件和稳定性指标的不同。例如，杨西等人建议用直径为37.5mm的量筒，按悬浮液静止1min后上层（距液面100mm内）的密度变化测定静态稳定性。在静止1min后悬浮液密度不变，则得悬浮液稳定性系数θ=100%，当静止1min后加重质在上层完全下沉时，则得θ=0。这种测定方法简单易行，也便于实际应用，但缺点是所得稳定性系数只说明悬浮液静止1min以后的密度变化，无法看出悬浮液密度在不同静止时间后的变化。

应当指出，若悬浮液的稳定性过高，会导致悬浮液黏度过大，反而使分选效果变差。因此，当选择提高悬浮液稳定性的方法时，必须仔细分析可能带来的后果。提高悬浮液稳定性的方法可分为两类：①提高静态稳定性的方法，包括减小加重质的粒度，选择密度低的加重质，提高加重质的容积浓度，掺入煤泥和黏土，应用化学药剂；②提高动态稳定性的方法，包括利用机械搅拌，利用水平液流、上冲液流及水平-垂直复合液流。

比较各种提高悬浮液稳定性的方法，可以得出以下结论（周曦，2003）。

（1）选择适宜的加重质粒度，同时控制悬浮液中的煤泥含量，在不影响悬浮液流变特性的情况下，尽量提高悬浮液的静态稳定性。

（2）利用复合液流提高悬浮液的动态稳定性，但液流的速度要控制在不影响分选精度的范围内。如在重力作用下进行分选的分选机中，上升液流造成的实际分选密度与悬浮液密度的差值应控制在0.05g／cm3左右，否则精煤中错配物将会过多。同理，下降液流过大会造成细粒精煤的损失。而水平流速过快，则会缩短分选时间。

在重介质选煤的生产中，应保证悬浮液黏度小、稳定性好、循环量稳定。

（三）影响分选效果的主要因素

1.入选煤性质

重介质选煤过程中，入选原煤的粒度越大，分层速度越快，分选的效率也越高。因此，重介质选煤都是分级入选，而且对限下率和含泥量有一定限制。采用重介质旋流器分选末煤时，入料中小于0.5mm煤粉的含量不应超过3%～5%（指末煤脱水后，外在水分为12%～15%时的煤泥含量）。块煤分选机入选原煤的允许限下率见表2-2。

表2-2　块煤重介质分选机入料的允许限下率据吴式瑜2003

入选原煤的可选性差别较大时，应尽量将可选性差别较大的原煤分开入选或混匀后再入选。没有配煤设施的选煤厂，可根据原煤及产品的快灰、快浮结果或测灰仪检测结果进行调整。如果原煤中的中煤含量增多，精煤灰分超过指标，可适当减少悬浮液的循环量，或降低悬浮液的密度。

2.给煤量

给煤量不能忽大忽小、时断时续，而应均匀稳定。给料量过大，煤在分选槽内不能充分散开，甚至造成物料堆积，来不及分选就排出机外，造成精煤灰分增高；给料量小，影响分选机的处理能力。

目前我国常用的确定分选机处理能力的方法是根据单位负荷，即以每米槽宽浮煤的排出能力为主要指标。斜轮重介质分选机的处理能力见表2-3。立轮分选机可参照斜轮分选机相应的宽度及对应的处理能力。选块煤时，浮煤和沉煤产率不应超过分选机的浮煤及沉煤排出能力。一般来说，浮煤量过大对分选效果的影响更大些。

表2-3　斜轮重介质分选机的处理能力（据周曦，2003）

重介质旋流器在标准给料压力下的处理能力及悬浮液循环量也是有最佳取值范围的（表2-4）。当旋流器的给煤量不超过设计处理能力时，不会明显地影响分选效果。当旋流器超负荷运转时，分选效率明显下降。

3.悬浮液密度

用斜轮分选机分选块煤时，由于受上升介质流和介质阻力等因素的影响，实际分选密度一般比悬浮液密度高0.04～0.08g／cm3。在生产中，应尽量使悬浮液密度波动范围小。在低密度分选炼焦煤时，进入分选机中的悬浮液密度波动范围应小于0.01g／cm。在高密度分选或排矸系统中，悬浮液密度的波动范围可稍放宽一些。

表2-4　重介质旋流器的处理能力（据周曦，2003）

在生产中，精煤灰分超过指标和原煤可选性变难的情况下，可适当降低悬浮液密度和循环量，或适当调整上升流和水平流的比例。当精煤灰分较低、沉煤中含精煤较多时，如果悬浮液中煤泥含量较低，可适当加大上升流量；如果煤泥含量较高，则可适当提高悬浮液密度。

重介质旋流器分选时，分选密度一般高于悬浮液密度0.1～0.2g／cm3。这是因为在离心力作用下，旋流器内的悬浮液被浓缩而使分选密度增大。分选密度和悬浮液密度的差值取决于悬浮液中加重质的特性、煤泥含量和旋流器的结构参数。要求低密度悬浮液的加重质粒度较细，高密度悬浮液的粒度可以粗些。

欲调节重介质旋流器的分选密度，可通过改变溢流口和底流口的直径以及调节悬浮液的密度来实现。但在生产过程中，不能随时改变溢流口和底流口的直径，主要靠调节悬浮液密度来改变分选密度。

4.悬浮液循环量

分选机悬浮液循环量包括上升（下降）液流和水平液流。水平液流的主要作用是运输物料，其流速取决于入料的粒度下限，一般以0.2～0.3m／s为宜。上升或下降液流的作用是提高悬浮液的稳定性，其流速取决于悬浮液密度和煤泥含量以及加重质粒度等。重介分选机的上升液流量约占总循环量的2／3，水平液流约占1／3。

在生产中为了便于调节悬浮液循环量，可以分选槽内正常生产时的液位为标准，在槽的侧边做出标志，根据该标志便可知悬浮液循环量的变化。操作者可根据原煤入料量、悬浮液中煤泥含量和产量快速浮沉结果的变化，来调整介质泵的入料阀门，以达到调整悬浮液的循环量。正常生产条件下，应尽量减少悬浮液循环量，这不仅能降低电耗，减轻设备磨损和加重质损失，而且还可保证较高的分选精度。