一种利用顶水实现煤与石分选的新方法

一种利用顶水实现煤与石分选的新方法

传统的煤炭和采石分离方法和设备可以有效地在地面上分离。然而，由于设备体积大、工艺复杂、能耗高，很难在井中收集煤炭和石头。同时，由于分类原则的局限性，很难改变井的应用。基于此,本文提出了一种基于煤与矸石密度的差异,利用具有一定流速的顶水实现井下煤与矸石分离的方法。1配置机的研究1煤混合物的分散剂的选择方法煤和矸石的密度存在一定的差异,通常认为,煤的密度为1.35～1.60g/cm3,矸石的密度为2.20～3.30g/cm3,因此,如果将煤矸混合物置于一个垂直上升水流(以下称为顶水)的流场中,2种混合物就会产生不同的运动状态,调整顶水流速,使煤颗粒可以随顶水一起运动,而矸石颗粒则逆向顶水方向运动,由此实现2种颗粒的分选,分选原理示意如图1所示。2流体动力学反应主要分为重力和升力在牛顿流体场中运动的煤与矸石颗粒会受到多种力的共同作用,按作用方式不同可分为以下3类。①与颗粒和流体间的相互运动无关的力(即使相对速度和加速度均为0,力也不会消失),包括重力、浮力和压力梯度力。②依赖颗粒和流体间的相对运动,且与颗粒运动速度方向相反的力(纵向力),如:阻力,附加质量力,Basset力,这称为广义阻力。③依赖颗粒和流体间的相对运动,但与相对运动速度方向垂直的力(侧向力),如:Saffman力、Magnus力,这称为广义升力。因此,在水流中运动的煤矸颗粒的受力平衡方程为:颗粒惯性力=重力+浮力+Basset力+阻力+升力+压力梯度力+Magnus力+Saffman力。3saffman力和pan管理体系对颗粒所受作用力进行比较可知,Magnus力对于粒径较大和旋转较强的颗粒较为重要;而在流体中当煤与矸石颗粒的相对速度差较大时,阻力远大于Magnus力,此时Magnus力可以忽略。Saffman力在速度梯度较大、颗粒在流体内运动速度有显著变化时,作用显著;在流体中流速较稳定的区域,Saffman力则可以忽略。Basset力只有在加速度运动初期较重要,其他时候可忽略。升力的作用很小,而压力梯度力的主要作用方向与水流向垂直,对分选的影响不大。因此,可忽略Magnus力、Saffman力、Basset力、升力和压力梯度力的作用,则在顶水运动中煤与矸石颗粒的受力平衡方程变为:颗粒惯性力=重力+浮力+阻力。4粒径等效直径理论上,如果顶水流速超过煤与矸石颗粒的静水沉降速度,煤与矸石颗粒就可实现沿顶水方向运动,而顶水流速介于煤和矸石的静水沉降速度时,就可以实现2种颗粒的分选,理论上顶水流速v的计算公式为:v=0.64gds(ρs−ρ)3CDρ−−−−−−−√v=0.64gds(ρs-ρ)3CDρ式中ds——颗粒等效直径;ρs,ρ——颗粒与顶水密度;g——重力加速度;CD——阻力系数。如果入选的煤与矸石混合物料粒度的范围跨度过大,则可能由于大粒度的煤颗粒需要顶水流速太大而使顶水流速造成浪费,而大块矸石的存在,则很可能对设备造成危害,引起工作设备的不稳定。另一方面,如果大量粒度过小的矸石颗粒进入设备也可能造成设备阻塞,增加分选负荷。因此,根据煤中可以含矸石,而矸石中不能含煤的原则在煤与矸石混合物料分选以前,先对混合物料进行破碎、分级。该试验选定分选前煤矸颗粒的粒度为30～100mm。粒径采用颗粒等效直径表示,其计算采用直接测量3个正交方向的尺寸,求出其几何平均值的方法。把正交的3个尺寸按从小到大的顺序分别记为a,b,c,则颗粒等效直径ds=abc−−−√3ds=abc3。2流场模拟和分类测试2.1设置筛网及筛网由于分选设备的高度受到井下空间等条件限制,因此,该试验采用直径367mm,长1000mm的有机玻璃管作为分选管,该装置如图2所示。分选管中距离上端面300mm处设置筛网,其位置根据流场模拟的结果确定。设置筛网的目的是放置煤和矸石颗粒,防止其落入管底,其尺寸为18mm×18mm。试验前,先将煤矸颗粒放置与筛网上,试验中被顶水分选出的颗粒从弯头中排出,不能分选出的颗粒则滞留在筛网上。2.2不同顶水流量仿真CosmosFloworks是与SolidWorks无缝内嵌且精度较高的流体分析软件,在阀门、医疗、电子、汽车、国防、航天、石油天然气和食品加工等行业都有广泛的应用,因此采用CosmosFloworks软件对分选管内流场进行分析。由于筛网的网眼较大且网丝较细,对分选管内顶水的影响较小,因此在对管内顶水流场进行分析时,忽略筛网的影响。对不同顶水流量下的分选管内的流场进行分析,图3是顶水流量为100m3/h的条件下分选管内流场流线模拟示意。由图3可以看出,在分选管的下部紊流很强,而靠近上端面的部位顶水比较稳定,因此将煤矸颗粒放置在靠近上端面的部位,可以减少分选时紊流的影响。对比管内4个截面的轴向顶水流速,如图4所示,在分选管内距上端面300mm的截面处,管壁对水流的影响已基本稳定,紊流强度明显减小,因此,此处设置圆形筛网。2.3测试1颗粒分选实验将单块的煤或矸石颗粒放置于分选设备模型分选管内的筛网上,然后通入顶水,缓慢提高顶水流速至颗粒随顶水从弯头中排除,并记录顶水流速与颗粒粒径。进行100组煤颗粒与21组矸石单颗粒分选试验,颗粒分选所需的顶水流速与颗粒等效直径的平方根之间的关系如图5所示。根据试验结果,拟合得到煤或矸石单颗粒分选所需顶水流速(分别记为vM和vG)与颗粒等效直径根值的关系式分别为vM=2.011×10−2ds−−√vΜ=2.011×10-2ds和vG=2.914×10−2ds−−√vG=2.914×10-2ds,由此可计算得到30～100mm的煤与矸石分选所需顶水的流速为0.111～0.201m/s。因此,要实现全部煤颗粒的分选,必须使顶水流速大于0.201m/s,但此时分选出的颗粒中有部分小颗粒的矸石。2颗粒质量对煤质量分配的影响进行7组煤与矸石颗粒群分选试验,试验结果表明,煤与矸石颗粒群分选还受到其他一些因素的影响。①当顶水流速超过最大等效直径煤颗粒所需的顶水流速后,大部分煤颗粒可以随顶水被分选出来,试验中至少有77.1%的煤颗粒可以被分选出来,其中有1组,煤颗粒全部被分选出。②颗粒在管道内呈螺旋上升状态,相互碰撞,一部分煤颗粒在碰撞后破碎成小颗粒;随颗粒质量的增加,颗粒与管壁碰撞现象并没有明显加剧,因此,这种碰撞的变化可以不予考虑。③煤与矸石分选的本质是要在保证煤颗粒能被全部分选出的基础上,实现矸石最大数量的从煤矸混合物中分离,因此,可以用被分选出的煤颗粒质量与全部煤颗粒的质量之比衡量煤分选效果,以及分选后剩余的矸石质量与全部矸石质量之比衡量矸石分选效果。根据对试验结果的分析,随入选颗粒总质量的增加,分选效果也有所下降,二者的关系如图6所示。试验中煤与矸石混合物中的矸石质量分数为28.1%～48.6%,由试验结果可知,分选效果随含矸量增加而产生的变化无明显规律,因此,含矸量不是影响分选效果的主要因素,入选颗粒中的含矸量与矸石或煤颗粒的分选效果关系如图