螺旋分选机研究进展

叶贵川1， 马力强2

(1. 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

摘 要:螺旋分选机是一种传统的薄流膜分选设备，由于矿业、煤炭业的快速发展，以及当前固体废弃物处理的急迫需求，螺旋分选机以其能耗低、结构简单、效率高、运行成本低等优势受到重视。论述了螺旋分选机理论研究进展，包括螺旋分选机流场、螺旋分选过程以及螺旋分选机工艺优化及智能化调控研究进展；综述了煤用螺旋分选机分选特点及应用现状，介绍了螺旋分选机的新设计和新应用。螺旋分选机流场研究引入了一些新的测试手段，但目前还难以准确测量内缘薄流膜区域的纵向速度、径向速度分布情况；数值模拟方法为研究结构参数和操作参数对流场的影响规律提供了一种便利手段，但模拟精度还有待进一步提升。螺旋分选过程研究中，正电子发射型颗粒追踪技术用于检测颗粒在螺旋分选机中的运动规律，是螺旋分选机理论研究的一大突破；螺旋分选过程中颗粒运动行为的数值模拟为螺旋分选机理的定性分析提供了一种便捷的手段，但由于模拟过程中忽略了许多现实条件，导致模拟结果与试验结果仍有较大差距。螺旋分选机工艺优化及智能化调控研究目前还处于起步阶段。近年来，国内外相继开发了一批新型螺旋分选机，在降低分选密度方面取得了一定进展：南非MTI公司研发了一种低分选密度的螺旋分选机，产率降低4%左右时，分选密度可由1.61 g/cm3降至1.54 g/cm3；国内设计的一种超低距径比的复合槽面螺旋分选机(内缘立方抛物线、外缘椭圆型)，在粗选阶段预排矸，分选密度可降低至1.543 g/cm3，相较于采用传统参数的椭圆型槽面和立方抛物线槽面煤用螺旋分选机，在精煤灰分要求相当的情况下，分选效率分别提高了19.41%、13.11%。未来螺旋分选机研究重点主要还是利用PEPT技术、数值模拟技术等先进手段，进一步研究槽面形状、距径比(螺距直径之比)等结构参数对螺旋分选机流场分布特性、分选过程的影响，配合结构、工艺、新材料运用方面的改进，力争在提高分选精度、扩大分选密度调控范围方面有所突破。

关键词:螺旋分选机；研究进展；分选过程；流场分布

0 引 言

螺旋分选机又称螺旋选矿机、螺旋溜槽，是一种利用离心力场和重力场的高效流膜分选设备，目前广泛应用于金属矿、海滨砂矿以及煤炭分选中。相对于其他分选设备，螺旋分选机具有结构简单、分选效率高、无噪音、无动力部件、维修费用少、使用期限长等优点。螺旋分选机出现较早，直到20世纪80年代初，澳大利亚、美国、加拿大以及南非等国才相继投入科研力量，深入研究螺旋分选机理，优化螺旋分选机结构，并成功用于3～0.75 mm级粉煤的分选。我国将螺旋分选机引入煤炭分选领域，相继研制出XL系列、SML系列、ZK-LX系列、LL系列以及振动螺旋干法分选机，推动了螺旋分选机的发展。近年来，由于矿业、煤炭业的快速发展，以及当前固体废弃物处理的急迫需求，螺旋分选机以其能耗低、结构简单等优势受到青睐。本文主要综述了螺旋分选机近年来的理论研究成果、设备优化现状以及新的研究手段，力求为螺旋分选机的发展提供参考。

1 螺旋分选机理论研究进展

21世纪以来，传统的研究方法已不足以支撑螺旋分选理论的进一步完善以及螺旋分选设备的进一步优化。学者对螺旋分选机的研究开始向螺旋分选过程的数值模拟与检测发展，截料器的智能化调控近年来得以突破。螺旋分选机的研究进展可以分为3个方面：一是螺旋分选机流场的研究进展；二是螺旋分选过程的研究进展；三是螺旋分选机工艺优化及智能化调控研究进展。

1.1 螺旋分选机流场

螺旋分选机流场分布复杂，通常认为，螺旋分选机流场主要分主流(沿螺旋线向下运动)和径向环流两类。基于流体力学相关理论对螺旋分选机中纵向、径向速度进行理论计算是研究螺旋分选机流场分布特性的重要手段，但理论公式的推导对螺旋分选机中流场做了诸多假设，只能对螺旋分选机中流场分布特性进行定性分析。此后，Holland-Batt[1]、Holtham[2]通过测定矿浆自由液面与槽底的高度差来表征螺旋分选机流膜厚度。该方法操作便利，应用广泛，但测试精度有限，尤其是针对螺旋分选机内缘流膜较薄的区域。Holtham[3]在槽底通入示踪液体，利用摄像机记录的示踪液体与螺旋线的偏移角度来表征径向环流的大小，但该方法对操作要求较高，不易实现。陈廷中等[4]提出用电解质电测法测定螺旋分选机中的流场分布情况，这种方法对设备的灵敏度要求较高，精度有限，不够便利。黄秀挺[5]利用激光多普勒测速仪得到螺旋槽外缘流体速度分布，但无法有效获取螺旋槽内缘的速度分布。

随着计算流体力学的兴起，利用数值模拟方法来模拟螺旋分选机中流场分布特性是当前的研究热点。Doheim[6]、Matthews[7]、Ye等[8]借鉴明渠流的数值模拟方案，基于VOF多相流模型对螺旋槽中流体分布特征进行数值模拟，直观展示了螺旋槽中下层流体和上层流体的速度矢量图，证实了螺旋槽中径向环流的存在，细化了螺旋分选机中的流场分布特征，为进一步研究结构参数/操作参数对螺旋分选机中流场分布特性提供了较为便利的手段。

综上，基于螺旋分选机流场的相关研究经历了理论分析、试验测定和数值模拟的演变，各研究方法的主要成果、优势和不足见表1。

表1 螺旋分选机流场研究的相关研究方法

Table 1 Related research methods of the flow field in the spiral separator

方法主要成果优势不足理论分析从理论上阐明螺旋分选机中流膜厚度、螺旋槽面流态分布可以从理论上初步得到螺旋槽中流场的分布规律,为揭示螺旋分选机理提供理论基础只可用于螺旋分选机流场的定性分析,相关经验公式缺乏试验验证试验测定利用自制仪器测定了流膜厚度、纵向平均速度沿分布规律测试原理简单,易重现,是常用来测定螺旋分选机流场分布的测试手段精度有限,尤其是螺旋槽内缘流膜较薄时,很难准确测出实际的流膜厚度利用激光多普勒测速仪测定了螺旋槽外缘径向速度方向与大小精度较高,进一步完善了螺旋槽流场分布特性,尤其是外缘径向速度的大小和方向需要特定的试验测试装置,成本较高;流膜较薄时测试结果不理想利用液体示踪剂证明了径向环流的存在对径向环流进行可视化,丰富了螺旋分选机流场的研究成果需要将从槽底注射示踪液体,操作要求较高数值模拟流场分布更加形象,可对径向速度、流膜厚度、纵向速度、湍流强度等进行量化分析模拟结果与实际较为吻合,可以更形象地展示螺旋分选机中的流场分布情况;便于研究结构参数和操作参数对流场的影响规律模拟精度有待进一步提升

由表1可知，通过理论分析的方法只可定性描述螺旋分选机中流场分布情况，无论是自制的流场测定装备还是利用激光多普勒测速仪测定螺旋分选机流场分布规律，都难以准确测量内缘薄流膜区域的纵向速度、径向速度分布。如何更有效地对螺旋分选机中速度分布(纵向速度和径向速度)、流膜厚度分布特征进行检测，是未来必须解决的问题之一。数值模拟技术可较为准确地预测螺旋分选机中的流场分布特征，未来螺旋分选机流场的数值模拟需要提高计算效率，并进一步优化模拟精度，从而更准确地揭示螺旋分选机中的流场分布特征，便于通过数值模拟研究径向环流等流场特征的调控机制。

1.2 螺旋分选过程

螺旋分选的实质是颗粒松散—分层—分离的过程。针对颗粒在螺旋分选机中的分层研究主要停留在理论分析上。通常认为拜格诺剪切力是颗粒在薄流膜中实现分层的根本原因[9]。颗粒在螺旋分选过程中的径向分带规律从动力学分析、分选试验、示踪试验以及数值模拟方面都取得广泛关注。

长期以来，颗粒在螺旋分选机中的动力学分析是研究的热点和难点。传统方法通常是将颗粒在螺旋槽上的受力分解到纵向和横向建立牛顿第二定律进行动力学分析[10-15]，但这种方法忽略了螺旋槽面的三维曲面特性。卢继美[12]、叶贵川[16]基于螺旋线的形成特性，在螺旋线上的任意点创建自然坐标系，将颗粒的受力分解到切向方向和法线方向，可以更直观地分析颗粒螺旋分选的受力情况。此外，叶贵川等[17]利用微元思想将颗粒在螺旋槽上复杂的受力进行简化，建立了颗粒在螺旋槽中径向位置的数学模型，基于该模型得出结论：颗粒达平衡状态后的径向距离随螺距、流量以及内径的减小而减小，随槽深的减小而增加；较小的螺距、较小的内径和较大的槽深有利于粗煤泥的分选。

粗煤泥分选试验是研究螺旋分选过程的常用手段，通常采用闭路循环系统，利用特殊设计的截料装置对螺旋槽不同位置物料进行取样分析。基于传统煤泥分选试验，Atasoy等[18]、Li等[19]发现中间密度颗粒在外缘和内缘均有较多分布[19]，证实了部分中等密度颗粒在螺旋分选机精煤区聚集导致螺旋分选精度较低的事实。诸多学者研究了操作参数对煤用螺旋分选机分选效果的影响。表明提高流量会导致中间密度和低密度矿物向外缘运动，导致精煤灰分和产率随着流量的增加而增加[20-24]。Honaker等[24]研究了入料浓度对精煤灰分的影响，认为精煤灰分随着浓度的增加先减小后增加。20%～40%的矿浆浓度是螺旋选矿的比较适宜的浓度[25]。

近年来，正电子发射型颗粒追踪技术(positron emission particle tracking，PEPT)用于检测颗粒在螺旋分选机中的运动规律，是螺旋分选机理论研究的一大突破。待测颗粒经特殊处理后因同位素衰变产生正电子信号，通过对该信号进行实时检测并进行重构计算，可以获取待测颗粒的三维空间位置，实现颗粒运动行为的动态在线检测，其试验系统及试验结果如图1所示(v为电子中微子)[26-28]。

图1 PEPT测试系统及测试结果

Fig.1 Test system and results for the PEPT

基于PEPT技术，Boucher首次实时追踪了轻重颗粒在螺旋分选过程中的运动轨迹和运动速度，证实PEPT技术可以用来检测颗粒在薄流膜中的运动速度和运动轨迹，对螺旋分选机理的进一步完善具有重要意义[26-27]。

螺旋分选过程中颗粒运动行为的数值模拟也是研究热点。学者利用欧拉固液两相流模型、离散相模型、光滑流体粒子模型等模拟了颗粒在螺旋分选机中的分布规律，可以直观地观测到颗粒在螺旋槽中的运动轨迹，为螺旋分选机理的定性分析提供了便捷[6-7,29-34]。由于模拟过程中忽略了诸多现实条件，模拟结果与试验结果仍有较大差距。

总体而言，目前针对螺旋分选机颗粒运动行为的研究取得了一定的进步，但仍具有较大提升空间。针对颗粒在螺旋槽中的分层，未来应尝试通过试验手段揭示颗粒在螺旋槽不同径向位置处的分层情况，进而分析结构参数对颗粒分层的影响机制。颗粒在螺旋分选过程中径向分带规律的相关研究方法及其优势和不足见表2。可知针对颗粒在螺旋分选机中的分带，借助PEPT技术，研究不同密度、不同粒度颗粒的运动行为，对完善螺旋分选理论、揭示结构参数对颗粒运动行为的影响规律具有重要意义。数值模拟是研究颗粒在螺旋分选机中运动行为的一种有效手段，未来的数值模拟还应优化算法，考虑颗粒碰撞的前提下对大量颗粒进行数值模拟，提升模拟结果对设备优化设计的可参考性。

表2 颗粒在螺旋分选过程中的径向分带规律的研究方法

Table 2 Related research methods of radial distribution of particles in the spiral separation process

方法主要成果优势不足动力学分析定性揭示了螺旋分选机理,提出了预测颗粒径向位置的数学模型便于直观分析颗粒沿径向的分带规律,具有一定参考性数学模型只可对颗粒径向位置进行定性分析;缺乏颗粒群的动力学分析分选试验初步研究了结构参数和操作参数对螺旋分选效果的影响;初步研究了不同密度颗粒矿物沿径向的分布规律反映真实的分选效果,可以分析分选过程中颗粒沿径向的分带规律试验量较大,研究结构参数对颗粒径向分带影响规律时成本高示踪试验首次测定了颗粒在螺旋分选过程中的径向分带规律真实反映颗粒分选过程的分带情况,对完善螺旋分选机理的具有重要意义正电子放射性颗粒示踪技术成本高,且相关配套设备还未在国际上普及数值模拟直观反映颗粒螺旋分选过程中的运动行为,可以对颗粒的位置、速度等量化分析模拟结果具有一定参考性,借助数值模拟技术,便于研究结构参数和操作参数对颗粒螺旋分选的影响规律模拟精度有限,流-固耦合模拟时计算效率很慢,耗时长,计算过程易发散;未考虑高浓度颗粒群的模拟

1.3 螺旋分选机工艺优化及智能化调控

螺旋分选机截料器智能化调控如图2所示。Mohanty等[35]针对煤用螺旋分选机，在螺旋槽的内缘和外缘分别安装了配有传感器的感应槽，用以测定感应槽位置的矿浆浓度、导电性，经过特殊的算法调节位于感应槽之间的截料器位置，从而实现煤泥分选过程中截料器位置随矿浆波动的自动化控制(图2(a))。Nienaber等[36-37]针对选矿用螺旋分选机，基于精矿、尾矿间的颜色差异进行图像处理，通过识别灰度值图像的交界线来反映精矿、尾矿的分带区域，进而通过计算机命令实现截料器位置的智能化调控(图2(b))。此外，分选回路对螺旋分选性能也有较大影响[38-39]。Kohmuench[40]试验证明采用一段螺旋粗选，中煤螺旋精选可以在精煤灰分相似的基础上将精煤产率提高3.86%。

图2 螺旋分选机截料器智能化调控

Fig.2 Intelligent control of interceptor of spiral separator

总体而言，螺旋分选机工艺优化及智能化调控研究还处于起步阶段。螺旋分选工艺选择与入选煤泥性质之间的适配关系还有待明确，实际分选作业中，截料器感应精度和图像识别精度有待提高。

2 螺旋分选机应用及设备优化现状

2.1 煤用螺旋分选机应用现状

美国、澳大利亚等产煤国，螺旋分选机是常规粗煤泥分选设备[41]。由于其分选密度较高，目前在我国主要应用于动力煤选煤厂和个别炼焦煤选煤厂的粗煤泥分选作业，如同煤晋华宫选煤厂、神华神东大柳塔选煤厂等大型动力煤选煤厂，以及山东、山西、河南等地一些中小型选煤厂。我国煤用螺旋分选机主要是澳大利亚Roche公司的LD系列螺旋分选机和南非MULTOTEC公司的SX、SC系列螺旋分选机，以及国内开发的XL系列、ML系列、ZK-LX1100、LXA系列螺旋分选机。

相比于选矿用螺旋分选机分选圈数3～5圈，距径比0.5～0.7，由于精煤和尾煤的密度差异较小，所以煤用螺旋分选机的分选圈数多为6.0～6.5圈，距径比0.4左右，目的是创造物料良好分层环境的同时增加矿浆在螺旋分选机中的停留时间。单头干煤泥处理量在2.0～3.5 t/h，最大可达6 t/h(ZK-LX1100系列)；入料粒度0.1～2.0 mm，分选精度I值在0.1～0.2，分选密度一般大于1.6 g/cm3。

南非Outokumpu技术公司生产的CARPCO CS2000型螺旋分选机应用于潞安矿业集团漳村选煤厂。CARPCO CS2000型螺旋分选机包含稳定槽、变径分选槽以及排料槽组成，入料浓度30%～50%，矿浆通过量6～8 m3/h，单头干煤泥处理量达2.0～3.5 t/h，可以实现0.1～2.0 mm煤泥有效分选，分选密度1.5～2.0 g/cm3[42]。潞安矿业集团余吾矿选煤厂应用了威海海王公司生产的LXA1000型螺旋分选机。LXA1000型螺旋分选机在第3圈配备了预先排矸尺，横断面采用立方抛物线形状，有4圈和7圈2种，入料浓度30%～50%，矿浆通过量6～8 m3/h，单头干煤泥处理量达2～4 t/h，可实现0.1～2.0 mm煤泥有效分选，分选密度1.5～2.0 g/cm3。该设备可能偏差为0.135 g/cm3，不完善度为0.18，数量效率为97.5%[43]。赵娟等[44]介绍了螺旋分选机在宁煤集团太西选煤厂二分区的应用。针对选煤厂入选原煤煤质变差，导致煤泥系统分选效果下降的问题，采用螺旋分选机分选无烟煤粗煤泥，降低了浮选系统处理能力，提高了分选效果和经济效益。石坚[45]将螺旋分选机作为一种预处理设备，对浮选入料经过磨矿-螺旋抛尾处理，改善了浮选效果。

2.2 新型螺旋分选机设计

新型螺旋分选机设计包括结构参数优化、新型结构、新材料应用以及引入外力等。南非MTI公司研发了一种低分选密度的螺旋分选机(low-cut spiral separator)，设备有8圈，采用两段截料法，第1段在第4圈截料，第2段在第6圈截料。该设备采用较低的距径比、较长的分选圈数创造较为平稳的分层环境，延长煤泥分选时间，促进中高密度颗粒的分选。试验表明产率降低4%左右时，分选密度可由1.61 g/cm3降至1.54 g/cm3[46-47]。

王光庆等[48]设计了一种煤用隔条螺旋溜槽，在螺旋溜槽面铺设一定厚度和角度的格条引流尾煤，减弱尾煤对精煤分选区域的影响。由于格条具有一定的厚度，矿浆在流经格条时将产生水跃现象，从而促进床层的松散分层。分选试验表明：相对于无格条时，在正角度范围内，各粒级精煤灰分和精煤产率均升高；在负角度范围内，细粒级精煤灰分均升高，分选效率均降低，粗粒级精煤灰分在-45°处最低，分选效率在0°最高。李广等[49]借鉴摇床的分选机理，采用特殊工艺在螺旋溜槽面上形成不同的凹槽，产生水跃现象的同时具有一定的引流作用。该螺旋分选机能有效提高贫、细矿石的选别指标，具有节能、降耗、高效和环保等特点。叶贵川[16]研究了槽面形状以及距径比对粗煤泥螺旋分选性能的影响规律，基于动力学分析、数值模拟及分选试验，设计了超低距径比的复合槽面螺旋分选机(内缘立方抛物线、外缘椭圆型)，在粗选阶段预排矸，分选密度可降低至1.543 g/cm3，相较于采用传统参数的椭圆型槽面和立方抛物线槽面煤用螺旋分选机，在精煤灰分要求相当的情况下，分选效率分别提高了19.41%、13.11%。王超等[50]以空气介质代替水介质，在螺旋槽面下方沿螺旋线方向铺设气流通道，物料在自身重力和气流通道提供的气流输送力作用下沿筛面螺旋向下运动，在层间剪切力和离心力作用下实现物料的松散与分级。陈晓鸣等[51]将磁性耐磨涂料涂在螺旋槽内表面上，使槽面对磁性颗粒具有一定的引力，增大磁性物料在螺旋槽中移向内缘的趋势，实现对磁性物料的分选。Vysyaraju等[52]基于螺旋分选机结构特性设计了一种新的强化重力封闭螺旋分级机，平均粒度82 μm的二氧化硅颗粒分级试验表明：螺旋槽外缘(outer outlet)和内缘(inner outlet)的平均粒度分别为60.6、107.1 μm，具有一定的分级效果。

2.3 螺旋分选机新的应用领域

基于螺旋分选机结构简单、无动力部件等特点，设备处理的对象也逐渐丰富。Dehaine等[53]利用澳大利亚MDL公司的MKIIA Reichert spiral螺旋分选机对稀土矿进行预富集，回收了80%的重矿物；Liu[54-55]基于含钒石煤中物相的赋存特性，设计了距径比0.36的立方抛物型螺旋分选机，将V2O5品位为0.8%的原矿富集到1.0%。近年来螺旋分选机在固体废弃物循环利用方面也得到了很多应用，如在钛尾矿、铅锌尾矿、锡尾矿、铜硫尾矿以及黄铁矿制酸烧渣、炼铁高炉除尘灰等固废的再处理工艺中，螺旋分选机作为主要分选设备发挥了重要作用。

3 结语与展望

随着研究手段进步，螺旋分选机分选理论进一步完善，设备和工艺得到优化，应用领域扩大。未来螺旋分选机研究重点主要还是利用PEPT技术、数值模拟技术等先进手段，进一步研究槽面形状、距径比(螺距直径之比)等结构参数对螺旋分选机流场分布特性、分选过程的影响，配合结构、工艺、新材料运用方面的改进，力争在提高分选精度、扩大分选密度调控范围方面有所突破。

1)全面深入了解颗粒在螺旋分选机中的纵向分层和径向分带规律，探索多流态复合力场中影响颗粒运动行为的关键因素，揭示流膜流体特性与颗粒物性对分选效果的影响，是螺旋选矿理论与设备发展的根本。

2)针对螺旋分选机薄流膜的特性，设计精度高、操作性强的薄流膜流场检测系统，实现螺旋分选机流场分布特征的有效检测，同时优化流场数值模拟方案，提升数值模拟精度，深入分析二次环流的形成、强弱、作用以及调控手段，是完善螺旋选矿机理，优化螺旋分选机结构参数的必经之路。

3)建立颗粒群在螺旋分选过程中的运动模型，设计切实可行的试验方法研究颗粒在螺旋分选机中的分层规律，利用先进的颗粒示踪技术和数值模拟技术，揭示螺旋分选机结构参数与颗粒径向分布的适配关系。

4)基于螺旋分选机结构简单、无动力部件等特点，螺旋分选机在固废处理、稀有矿物预富集等方向具有较大的潜力。设计“各专用”螺旋分选机时，应综合动力学分析、流场特征/颗粒运动行为的检测与模拟结果，结合各物料性质，有针对性地优化螺旋分选机结构参数，实现有用矿物的高效富集。

参考文献（References）:

[1] HOLLAND-BATT A B. Spiral separation:Theory and simulation[J]. Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy,Section C,1989,98:46-60.

[2] HOLTHAM P N. The fluid flow pattern and particle motion on spiral separators[D]. Australia:University of New South Wales Department of Mineral Processing and Extractive Metallurgy,1990.

[3] HOLTHAM P N. Flow visualisation of secondary currents on spiral separators[J]. Minerals Engineering,1990,3(3/4):279-286.

[4] 陈庭中,徐镜潜,陈荩,等. 旋转塔形螺旋溜槽液流特性的研究[J]. 江西有色金属,1987(4):20-28.

CHEN Tingzhong,XU Jingqian,CHEN Chan,et al. Study on liquid flow characteristics of the spiral separator with rotating tower[J]. Jiangxi Nonferrous Metals,1987(4):20-28.

[5] 黄秀挺. 螺旋溜槽流场特征及其颗粒的分选行为研究[D].沈阳：东北大学,2015.

HUANG Xiuting. Study on flow characteristics and particles separation behavior in spiral chute[D]. Shenyang:Northeastern University,2015.

[6] DOHEIM M A,ABDEL GAWAD A F,MAHRAN G M A,et al. Numerical simulation of particulate-flow in spiral separators:Part I. Low solids concentration(0.3% & 3% solids)[J]. Applied Mathematical Modelling,2013,37(1/2):198-215.

[7] MATTHEWS B W,FLETCHER C A J,PARTRIDGE A C. Computational simulation of fluid and dilute particulate flows on spiral concentrators[J]. Applied Mathematical Modelling,1998,22:965-979.

[8] YE G,MA L,ALBERINI F,et al. Numerical studies of the effects of design parameters on flow fields in spiral concentrators[J]. International Journal of Coal Preparation and Utilization,2019:1-15.

[9] 黄枢. 拜格诺剪切理论在矿泥重选中的应用[J]. 中南矿冶学院学报,1983(2):8-14.

HUANG Shu. Application of Bagnold`s shearing theory in gravity slim concentration[J]. Journal of Central South University(Science and Technology),1983(2):8-14.

[10] 沈丽娟. 螺旋分选机结构参数对选煤的影响[J]. 煤炭学报,1996(1):73-78.

SHEN Lijuan. The effect of spiral structure parameters on coal preparation[J]. Journal of China Coal Society,1996(1):73-78.

[11] 孙铁田. 螺旋选矿设备上矿粒运动速度的计算[J]. 有色金属(冶炼部分),1976(8):44-48,22.

SUN Tietian. Calculation of the movement speed of ore particles on the spiral separator[J]. Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy),1976(8):44-48,22.

[12] 卢继美. 矿粒在螺旋选矿机中运动规律的研究[J].江西理工大学学报,1981(1):18-34.

LU Jimei. Study on the particle behavior in spiral concentrator[J]. Journal of Jiangxi University of Science and Technology,1981(1):18-34.

[13] DAS S K,GODIWALLA K M,PANDA L,et al. Mathematical modeling of separation characteristics of a coal-washing spiral[J]. International Journal of Mineral Processing,2007,84(1/4):118-132.

[14] KAPUR P C,MELOY T P. Spirals observed[J]. Internal Journal of Mineral Processing,1998,53:15-28.

[15] GLASS H J,MINEKUS N J,DALMIN W L. Mechanics of coal spirals[J]. Minerals Engineering,1999,12(3):271-280.

[16] 叶贵川. 螺旋分选机流场特征及分选密度调控研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京),2019.

YE Guichuan. Study on flow field characteristics and control mechanism of separation density in coal spiral separator[D]. Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing),2019.

[17] 叶贵川,马力强,黄根,等. 螺旋分选机动力学分析及参数优化探讨[J]. 煤炭学报,2017,42(S2):479-485.

YE Guichuan,MA Liqiang,HUANG Gen,et al. Dynamic and optimization analysis of spiral separator[J].Journal of China Coal Society，2017，42(S2):479-485.

[18] ATASOY Y,SPOTTISWOOD D J. A study of particle separation in a spiral concentrator[J]. Minerals Engineering,1995,10(8):1197-1208.

[19] LI M,WOOD C J,DAVIS J J. A study of coal washing spirals[J]. Coal Preparation,1993,12(1/4):117-131.

[20] DIXIT P,TIWARI R,MUKHERJEE A K,et al. Application of response surface methodology for modeling and optimization of spiral separator for processing of iron ore slime[J]. Powder Technology,2015,275:105-112.

[21] KARI C,KAPURE G,RAO S M. Effect of operating parameters on the performance of spira concentrator[C]//Proceedings of the International Seminar on Mineral Processing Technology and Indo-Korean Workshop on Resource Recycling(MPT-2006).2006.

[22] DALLAIRE R,LAPLANTE A,ELBROND J. Humphrey's spiral tolerance to feed variations[J]. International Journal of Mineral Processing,1978,15:173-181.

[23] SIVAMOHAN R,FORSSBERG E. Principles of spiral concentration[J]. International Journal of Mineral Processing,1985,15:173-181.

[24] HONAKER R Q,JAIN M,PAREKH B K,et al. Ultrafine coal cleaning using spiral concentrators[J]. Minerals Engineering,2007,20(14):1315-1319.

[25] FALCONER A. Gravity separation:Old technique/new methods[J]. Physical Separation in Science and Engineering,2003,12(1):31-48.

[26] 肖骁,张国旺,黄礼龙,等. 正电子颗粒跟踪技术及其在磨矿模拟中的应用[J]. 矿冶工程,2014,34(S1):258-261.

XIAO Xiao,ZHANG Guowang,HUANG Lilong,et al. Positron particle tracking technology and its application in grinding simulation[J]. Mining and Metallurgical Engineering,2014,34(S1):258-261.

[27] COLE K,BUFFLER A,CILLIERS J J,et al. A surface coating method to modify tracers for positron emission particle tracking(PEPT) measurements of froth flotation[J]. Powder Technology,2014,263:26-30.

[28] 叶贵川,马力强,霍亚洋,等. 正电子发射型颗粒追踪技术在矿物加工中的应用[J]. 煤炭工程,2018,50(11):131-135.

YE Guichuan,MA Liqiang,HUO Yayang,et al. Application of the positron emission particle tracking technique in mineral processing[J]. Coal Engineering,2018,50(11):131-135.

[29] KWON J,KIM H,LEE S,et al. Simulation of particle-laden flow in a Humphrey spiral concentrator using dust-liquid smoothed particle hydrodynamics[J]. Advanced Powder Technology,2017,28(10):2694-2705.

[30] MAHRAN G M A,DOHEIM M A,ABU-ALI M H,et al. CFD simulation of particulate flow in a spiral concentration[J]. Materials Testing,2015,57(9):811-816.

[31] LEE S,STOKES Y,BERTOZZI A L. Behavior of a particle-laden flow in a spiral channel[J]. Physics of Fluids,2014,26(4):043302.

[32] MISHRA B K,TRIPATHY A. A preliminary study of particle separation in spiral concentrators using DEM[J]. International Journal of Mineral Processing,2010,94(3/4):192-195.

[33] 刘祚时,赵南琪,刘惠中,等. 螺旋溜槽分选流场中矿粒运动轨迹研究[J]. 中国钨业,2016,31(5):66-71.

LIU Zuoshi,ZHAO Nanqi,LIU Huizhong,et al. Mineral particles trajectory of spiral concentrator separating flow field[J]. China Tungsten Industry,2016,31(5):66-71.

[34] 黄波,许秋石,徐宏祥,等. 螺旋分选机流场及颗粒运动的数值模拟研究[J]. 中国矿业大学学报,2019,48(3):655-661.

HUANG Bo,XU Qiushi,XU Hongxiang,et al. Numerical simulation of flow field and particle motion behavior in spiral separator[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2019,48(3):655-661.

[35] MOHANTY M,ZHANG B,WANG H,et al. Development and demonstration of an automation and control system for coal spirals[J]. International Journal of Coal Preparation and Utilization,2014,34(3/4):157-171.

[36] NIENABER E C,AURET L. Spiral concentrator interface monitoring through image processing:Optimization for parameter selection[J]. Ifac Papersonline,2016,49(20):102-107.

[37] NIENABER E C,MCCOY J T,AURET L. Spiral concentrator interface monitoring through image processing:A statistical learning approach[J]. Ifac Papersonline,2017,50(2):53-58.

[38] AMINI S H,NOBLE A. Application of linear circuit analysis in the evaluation of mineral processing circuit design under uncertainty[J]. Minerals Engineering,2017,102:18-29.

[39] MELOY T P. Analysis and optimization of mineral processing and coal-cleaning circuits:Circuit analysis[J]. Internal Journal of Mineral Processing,1980,10:61-80.

[40] KOHMUENCH J N. Improving efficiencies in water-based separators using mathematical analysis tools[D]. Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University Mining and Minerals Engineering,2000.

[41] 叶贵川,马力强,徐鹏,等. 螺旋分选机应用现状研究[J]. 煤炭工程,2017,49(4):132-135.

YE Guichuan,MA Liqiang,XU Peng,et al. The analysis of application status on spiral separator[J]. Coal Engineering,2017,49(4):132-135.

[42] 王常胜,吴晓娜,张荣瑞,等. CARPCO CS2000型螺旋分选机在漳村煤矿选煤厂的应用[J]. 煤炭加工与综合利用,2019(7):51-54.

WANG Changsheng,WU Xiaona,ZHANG Rongrui,et al. Application of CARPCO CS2000 spirals in Zhangcun coal mine coal preparation plant[J]. Coal Processing & Comprehensive Utilization,2019(7):51-54.

[43] 张嘉云,杜军,王亚健,等. LXA1000螺旋分选机在山西潞安余吾矿选煤厂的应用[J]. 选煤技术,2018(6):70-74.

ZHANG Jiayun,DU Jun,WANG Yajian,et al. Application of the LXA1000 spiral separator at Yuwu coal preparation plant of Lu'an Group in Shanxi Province[J]. Coal Preparation Technology,2018(6):70-74.

[44] 赵娟,袁家庆,任贵涛. 螺旋分选机在太西选煤厂二分区的应用[J]. 煤炭加工与综合利用,2014(1):48-50.

ZHAO Juan,YUAN Jiaqing,REN Guitao. Application of spiral separator in the second division of Taixi Coal Preparation Plant[J]. Coal Processing & Comprehensive Utilization,2014(1):48-50.

[45] 石坚. 细粒中煤螺旋抛尾-磨矿-浮选提质研究[J]. 能源技术与管理,2019,44(2):134-135,166.

SHI Jian. Study on spiral tail throwing - grinding - floatation and quality improvement of fine medium coal[J]. Energy Technology and Management,2019,44(2):134-135,166.

[46] PALMER M K. The development of a new low cut point spiral for fine coal processing[J]. XVIII International Coal Preparation Congress,2016:861-866.

[47] NARBUTAS B,MACKINNON W,SWANSON A. Circuits incorporating new low cut point spirals [C]//XVIII International Coal Preparation Congress. Switzerland:Springer 2016:867-872.

[48] 王光庆,樊民强. 格条对螺旋溜槽分选效果影响试验研究[J]. 中国矿业,2016,25(3):162-166.

WANG Guangqing,FAN Minqiang. Experimental study on influence of riffles on the separation effect of spiral chute[J]. China Mining Magazine,2016,25(3):162-166.

[49] 李广,肖琴,李春鸥,等. 新型高效螺旋溜槽的设计及应用[J]. 矿山机械,2016,44(5):63-66.

LI Guang,XIAO Qin,LI Chunou,et al. Design and application of a new-type high efficient spiral chute[J]. Mining & Processing Equipment,2016,44(5):63-66.

[50] 王超,苏壮飞,赵二宁,等. 一种细粒煤干法分级螺旋脱粉装置研究[J]. 矿山机械,2014,42(5):96-99.

WANG Chao,SU Zhuangfei,ZHAO Erning,et al. Research on a spiral shedding device for dry grading of fine coal[J]. Mining & Processing Equipment,2014,42(5):96-99.

[51] 陈晓鸣,严鹏,陈力行,等. 磁性螺旋溜槽回收细粒钛铁矿试验[J]. 金属矿山,2014,43(3):132-135.

CHEN Xiaoming,YAN Peng,CHEN Lixing,et al. Experiments on Fine llmenite Recovery with Magnetic Spiral Chute[J]. Metal Mine,2014,43(3):132-135.

[52] VYSYARAJU R,PUKKELLA A K,SUBRAMANIAN S. Experimental investigation of novel enhanced gravity closed spiral classifier[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals,2019,72:2239-2248.

[53] DEHAINE Q,FILIPPOV L O,JOUSSEMET R. Rare earths(La,Ce,Nd) and rare metals(Sn,Nb,W) as by-products of kaolin production-Part 2:Gravity processing of micaceous residues[J]. Minerals Engineering,2017,100:200-210.

[54] LIU X,ZHANG Y,LIU T,et al. Pre-concentration of vanadium from stone coal by gravity using fine mineral spiral[J]. Minerals,2016,6(3):82.

[55] LIU X,ZHANG Y,LIU T,et al. Beneficiation of a sedimentary phosphate ore by a combination of spiral gravity and direct-reverse flotation[J]. Minerals,2016,6(2):38.

Research progress of spiral separator

YE Guichuan 1,MA Liqiang2

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan Univerisity of Technology,Taiyuan 030024,China；2.School of Chemical and Environment Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)

Abstract:Spiral separator is a kind of traditional thin flow membrane separation equipment. Due to the rapid development of mining and coal industry,as well as the urgent demand of solid waste treatment at present,spiral separator is paid attention to for its advantages of low energy consumption,simple structure,high efficiency and low operating cost. In this paper,the theoretical research progress of spiral separator was discussed,including the flow field,spiral separation process,process optimization and intelligent control of spiral separator,and the separation characteristics and application status of coal spiral separator were summarized,and the new design and application of spiral separator were introduced. For the research of flow field on the spiral separator,some new testing methods have been introduced. However,it is difficult to measure the distribution of the longitudinal velocity and radial velocity in the thin film area,especially in the inner edge at present. The numerical simulation provides a convenient method for studying the influence of structural parameters and operation parameters on the flow field,but the simulation accuracy needs to be further improved.In the research of the spiral separation process,the positron emission particle tracking technology is a breakthrough in the theoretical research of spiral separator,which is used to detect the movement of particles in the spiral separator. The numerical simulation of particle movement in the spiral separation process provides a convenient means for the qualitative analysis of the spiral separation mechanism. However,due to the neglect of many practical conditions in the simulation process,there is still a big gap between the simulation results and the test results. At present,the research on process optimization and intelligent control of spiral separator is still in its infancy. In recent years,a number of new spiral separators have been developed at home and abroad. Some progress has been made in reducing the separation density:MTI company in South Africa has developed a spiral separator with low separation density. When the production rate is reduced by about 4%,the separation density can be reduced from 1.61 g/cm3 to 1.54 g/cm3. Moreover,a kind of composite trough spiral separator with an ultra-low pitch to diameter ratio(inner edge cubic parabola,outer edge ellipsoid) has been designed in China. The separation density can be reduced to 1.543 g/cm3when the gangue is pre-discharged in the roughing stage. Compared with the spiral separator with the traditional parameters of an ellipse and cubic parabola,the separation efficiency of the composite trough spiral separator has been increased by 19.41% and 13.11% respectively when the ash content of clean coal is equivalent. In the future,the research focus of spiral separator is mainly to use advanced means,such as PEPT technology and numerical simulation technology,to further study the influence of structural parameters(groove shape,pitch diameter ratio,and other structural parameters) on the flow field distribution characteristics and separation process of spiral separator. Meanwhile,it is necessary to cooperate with the improvement in structure,technology,and application of new materials to improve the separation accuracy and to make a breakthrough in the scope of density control.

Key words:spiral separator;research progress;separation process;flow field distribution

中图分类号:TD94

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2020)01-0001-08

收稿日期:2019-11-21;

责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19112101

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基金项目：北京市自然科学基金资助项目(2019105020023)；山西省应用基础研究计划面上青年基金资助项目(201901D211034)

作者简介:叶贵川(1993—)，男，重庆铜梁人，讲师，主要从事煤泥分选、固废综合利用及计算流体力学相关研究。E-mail:guichuanye@126.com。

通讯作者：马力强，教授，主要从事选煤理论、工艺和设备研究。E-mail:mlqiang@cumtb.edu.cn

引用格式:叶贵川,马力强.螺旋分选机研究进展[J].洁净煤技术，2020,26(1):1-8.

YE Guichuan,MA Liqiang.Research progress of spiral separator[J].Clean Coal Technology，2020,26(1):1-8.