干扰床分选机的研究进展及发展趋势

近年来，由于地质条件恶化及采煤机械化程度的提高，原煤中粗煤泥含量逐渐增多。目前选煤厂分选工艺多采用分级入选工艺，即原煤经分级得到各个粒级入料，不同粒级原煤采用不同的分选设备进行分选。一般来说，进入选煤厂的入选原煤粒度在 50 mm以下，经过脱泥筛 (3～1 mm) 脱泥，脱泥筛筛上物进入重介质旋流器、重介浅槽等重选设备，而脱泥筛下物则是粗煤泥的主要来源。粗煤泥通常粒度在 0.3～0.5 mm 以上，不适宜浮选处理。近年来，干扰床分选机由于具有能耗低、操作简单的优点，在选煤厂得到广泛推广应用。

一、国外研究现状

干扰床分选机的设计最初来源于水力分级机，主要用来对石英矿进行分级处理。20 世纪 60 年代，干扰床分选机最先进入煤炭洗选行业，20 世纪 80 年代初，英国开始在选煤厂大规模推广应用，经过不断完善，干扰床分选机的研究日臻成熟。目前，随着给料、给水以及排料等结构的成熟，各种新型的干扰床分选机出现在粗煤泥分选领域。主要干扰床分选机类型有：水力分级机 (Hydrosizer)、Hindered-bed separators、干扰床分选机 (Teetered Bed Sparators，即 TBS)、流化床分离器 (Fluidized bed separators)、Hindered-bed classifiers、Up-stream classification、水力浮选分选机 (Hydrofloat separator)、弗洛特克斯比重分级机 (Floatex Density Separator，即FDS)、crossflow separators、逆流式分选机 (Reflux Classifier，即 RC) 以及 ALL-FLUX。

1 、干扰床分选机

TBS 即干扰床分选机，Hindered-settling column、Linatex Hydrosizer等也属于此类。经典的TBS 通常由入料井、布水板、自动排料系统以及传感器等组成，主要适用于 3(2)～0.25 (0.15) mm 粒度的粗煤泥分选。TBS 的基本结构如图 1 所示。被选粗煤泥由分散装置进入分选腔内，在上升水流的作用下，矿浆在分选腔内充分分散并进行干扰沉降，低密度物料汇入溢流槽经溢流管排出，高密度物料通过底流排料阀门排出。

后来，研究者们在 TBS 分选悬浮液中加入了加重质并研究其对分选过程的影响。K. P. Galvin 等人在 1999 年进行了原煤、原煤 + 矿物质、原煤 + 矿物质 +加重质等在分选机的分选试验，结果表明：在较小的流化速率下，增加悬浮液密度能明显提高粗煤泥的分选效果。K. P. Galvin 等人在 2002 年将跳汰分选引入 TBS，研究了循环脉冲水流对于 TBS 的影响，试验证明：循环脉动水流对 TBS 分选效果影响有限，但一定程度上提高了细粒尾矿的分选效果。南非夸祖鲁纳塔尔大学的 L. Maharaj 等人在 2006 年制作了7 种不同孔径布水板的 TBS，并借助 fluent6.1 中的欧拉多相混合模型，模拟了液相中颗粒的相互作用，并提供了详细的流动图像。

1. 底流阀 2. 上升水流分散器 3. 分布盘 4. 干扰床5. 挡板 6. 密度探针 7. 上升水流入口 8. PID 控制器
图 1 TBS 基本结构示意
Fig. 1 Overall structural sketch of TBS

2 、水力浮选分选机

水力浮选分选机是 Erize 公司发明的干扰床分选机，结构如图 2 所示。该机适用于 +0.425 mm (35 目)的物料分选。与传统干扰床分选机不同，它具有浮选和重选双重功能。在分选过程中需要加入起泡剂，气泡选择性吸附在疏水性物料上。在分选腔内，由于干扰上升水流的作用，气泡和颗粒的速率差异明显变小，增加了气泡和颗粒的接触时间，提高了气泡与颗粒的黏附程度，从而增加了精矿产率。弗吉尼亚理工学院的 C. J. Barbee 等人使用水力浮选分选机进行了+0.425 mm 磷矿分选试验，并与标准柱形分选机进行对比试验，结果表明：相对于标准柱形分选机，水力浮选分选机具有 2 倍的处理能力，回收率也得到了提高，最大可达到 >98%。佛罗里达学院磷矿研究课题组的 ZHANG P 使用水力浮选分选机对细粒磷矿进行分选，精矿回收率达到 95% 以上，并与浮选对比，结果表明：精矿产率明显提高，并且精矿品位优于浮选精矿品位。

1. 脱水锥 2. 分配器 3. 闭路循环

3 、弗洛特克斯比重分级机

FDS 又称弗洛特克斯比重分级机，是一种先进的干扰沉降分选机，其利用流化干扰床层，使得比重和形状不同的矿物颗粒得到分离。如图 3 所示，FDS分选机主要由 3 个区域 (区域 A、 B 和 C) 组成。入料矿浆切线给入料井 (入料井深入到分选腔的上端 1/3处)，在分选腔底部均匀布置水管，水管均匀开孔，保证分选腔界面给水均匀。入料给入区域 A，由于上升水流的作用迅速扩散成流化床，颗粒在该区域进行沉降运动，轻的细颗粒上升至分选机上部区域被排出，重的粗颗粒沉降至底部锥形区域被排出。传感器布置在区域 B，控制着底流排放速率，密度切割点由上升水流控制。经试验研究，上升水流和床层压力是影响FDS 分级效果的主要因素，更适用于分级密度差异较大的物料，如铬铁矿和石英矿等。

1. 底流阀 2. 给水 3. 入料 4. 溢流槽

4 、逆流式分选机

RC 由澳大利亚 Newcastle 大学的 Galvin 课题组(2001—2011 年) 研制成功，主要用于粗煤泥分选，结构如图 4 所示。该分选机在 2008 年通过产学研合作，由澳大利亚 Ludowici MPE 有限公司生产制造，目前在国内塔山选煤厂及柳湾选煤厂等都有应用。与传统干扰床分选设备不同，RC 分选机在入料口上下方均设置有一组倾斜板。斜板增加了 RC 的沉降面积，并且每组斜板的下方形成了 2 个高密度的矿浆区域，为 RC 造了一个最佳的分选条件。相对于 TBS，RC 外形截面呈方形，较 TBS 复杂，体积庞大，冲洗、检修不方便，这是 RC 推广缓慢的一个主要原因。

图 4 逆流式分选机基本结构示意

5 横流式分选机

传统的给料方式由一个深入到分选腔 1/3 左右的给料管给入，给料呈喷射状进入到分选腔内，不利于水流的稳定性和整个分选过程。为此，Erize 公司发明了横流式分选机，其结构如图 5 所示。该机采用切线水平方向给料，降低了给料速度，有利于给料充分分散，减小对上升水流和分选过程的影响；同时在分选腔底部布置有带孔管网，提供上升水流，减少了入料分散需要的上升水流。J. N. Kohmuench 等人使用横流式分选机进行试验，并对过程工艺进行详细评价，结果表明：在较高的给料速率下，横流式分选机能保持较好的分选效果。

1. 脱水锥 2. 分选腔 3. 入料井 4. PID

6 AFX 复式流化分级机

AFX 复式流化分级机由德国选矿学者研制，该机将分级效率高、分级粒度细、分级精度高及处理能力大等优点集于一体，主要用于细粒分级，亦可用于粗煤泥分选。AFX 复式流化分级机的上部呈圆筒状，下部呈圆锥状，结构如图 6 所示。AFX 分级机由 2 段给水，控制粗粒与中粒以及中粒与细粒的分级。在物料底部的锥形分级室进行分级，粗粒通过底流口排出，中粒和细粒通过溢流进入环形分级区。环形区域水流呈近似层流状态，细粒分级效率很高。

1. 粗粒分级室 2. 流化床给水网

二、国内研究现状

1. 精煤溢流管 2. 阻尼块 3. 入料管 4. 筛网5. 脉动水流管 6. 流体分布器 7. 底锥段 8. 底流管

中国矿业大学 (北京) 刘文礼等人设计出了干扰床分选机系统，通过试验对其分选机理进行了阐述，并计算了不同粒度、颗粒的干扰沉降末速，从理论上对干扰床分选机颗粒沉降规律进行了研究。

黑龙江科技大学吕一波等人研制了流化床分选机，通过试验测得不同密度、不同粒级和不同形状参数颗粒的沉降末速，并研究了其对分选效果的影响。后来又通过对水流流量、入料管长度和入料浓度等结构参数及操作参数进行正交试验，得出了干扰床分选机的一些基本参数。

河南理工大学焦红光等人研制了阻尼脉动干扰床分选机，结构如图 7 所示，其主要特征是在分选机内设置阻尼块，并提供脉动水流，由于阻尼块产生涡流的作用使得物料分散更充分，借助床层中产生的脉动上升水流，使得分选效果大为改善。

中国矿业大学李延锋等人发明了多产品液固流化床分选分级设备，结构如图 8 所示。该设备与德国的 AFX 复合流化分级机结构类似，将若干段液固流化床自上而下串联而成，下部分选室直径最小，向上依次递增。该分选机床体高度较高，且结构较复杂。

目前 Φ3000 mm 的 XGR、CSS等不同型号的国产干扰床分选机在选煤厂得到应用，大直径(Φ3600mm 、Φ4500mm ) 干扰床分选机也在研制和推广中。

图 8 多产品液固流化床分选分级设备基本结构示意

三、结语

选煤厂中粗煤泥分选和回收工艺尤为重要，直接影响到精煤质量及选煤厂的经济效益。目前国内选煤厂粗煤泥分选工艺并不完善，干扰床分选机还有待广泛推广应用。现有的干扰床分选机对入料粒度范围、入料速度、给水速度及底流排放阀门控制等操作参数要求较为严格，在一定程度上制约了干扰床分选机的分选效果。

通过对上述干扰沉降设备结构特点进行分析可知，各类分选设备均有其适应性和局限性。基于干扰床分选机的基本结构，改进主要集中在入料位置和给料方式、均匀上升水流结构、腔体内布置倾斜板以及底流排放结构。大量研究表明，给水和给料是影响干扰床分选机分选指标的主要因素。然而就分选设备而言，应满足给料对分选上升流影响最小、给水稳定和分选效率高的要求，且分选精度高、适应性强、自动化程度高等应成为干扰床分选机最优的工艺性能。

目前的干扰床分选机应适应难选煤质。由于细粒煤质粒度变小、灰分增高，导致粗煤泥分选变难。可通过改进给料和给水装置，同时采用多段分选来提高分选精度。自动化程度有待提高。应提高自动排料系统的控制精度，减小检测元件灵敏度不高造成的排料延迟现象，降低底流对上升水流稳定性的影响。