CN102189041B - 离心分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分离浆体中不同密度的微细颗粒的离心设备。现已投入广泛商业应用的Knelson或Falcon离心分离机用于脱除煤中灰份或硫分时，最小的有效分离粒度为37μm，本发明公开的离心分离装置，包括分离腔、进料口、至少一个带溜槽的重料出口和至少一个轻料出口，进料口与分离腔之间的进料通道处设置辐射状挡板或涡轮等物料加速装置，配合分离腔的不同形态构成物料差速旋转推进装置，该装置使得进入分离腔的浆体物料随分离腔旋转，保持旋转的速度与分离腔的旋转速度有适当的差别，并推动浆体物料最终经各物料出口排除腔外。该装置充分利用析离效应，可以在不增加离心加速度的条件下用于对更微细的浆体颗粒按其密度分层并实现有效分离。

Description

离心分离装置

技术领域

本发明涉及一种用于分离浆体中不同密度的微细颗粒的离心设备。 

背景技术

现已投入广泛商业应用的具有分离浆体中不同密度的微细颗粒的离心设备中有一种具有碗状转鼓的离心机，在加拿大专利CA1111809A1首次公开，并在此后一系列专利或专利申请中，包括US4608040，US4846781，US5338284，US5462513，US5586965，US5601523，US6149572，US6796934，US2004013260，US20050026766，US20060135338，不断得到改进和完善，被称为Knelson离心分离机或Falcon离心分离机。这类分离设备的主要结构包括一个垂直的可以高速旋转的碗状转鼓和位于转鼓外周壁的一条或多条环状溜槽，一根给料管通向转鼓底部，转鼓底部设有可使物料加速旋转的叶轮，其中有的技术方案在溜槽内设置了可防止溜槽内的物料滞留沉积的液体喷射装置，有的技术方案设置了可以让重物料连续不断的排出的节流喷嘴。其工作原理是：待处理的浆体物料由位于机器中央的垂直给料管进入转鼓，在高达50-300G加强重力场作用下，矿物在向外上方运动的同时按照不同的密度沿转鼓内壁分层。在物料到达溜槽时，其中最重的部分富集在溜槽底部或通过一系列节流喷嘴不断地流出转鼓，进入重物料收集输出通道，其它较轻的成分从转鼓的上缘飞出，进入轻物料收集输出通道。该类设备的颗粒分级遵从析离分层规律，即密度和粒度各不相同的颗粒的分层规律从下向上是按照较重的小颗粒、较重的大颗粒、较轻的小颗粒及较轻的大颗粒来分布的。由于薄层浆体物料在分层过程中相对于转鼓内壁或溜槽具有较高的运动速度，因此具有使得已分层的颗粒产生混杂的趋势，这种趋势在物料粒度较小时更加明显，因此，该设备用于脱除煤中灰份或硫分时，当粒度小于一定的限度时，分离效果迅速下降甚至完全失效。在已见诸报告的实践中，最小的有效分离粒度约为37μm，低于此粒度便不能进行有效分离。 

发明内容

本发明介绍了一种充分利用析离效应的离心分离装置，可以在不增加离心 加速度的条件下用于对更微细的浆体颗粒按其密度分层并实现有效分离。 

参见附图1。该装置包括分离腔1、进料口2、至少一个带溜槽3的重料出口4和至少一个轻料出口5，其特征是分离腔1为由外侧壁11和内侧壁围12成的回转体空腔，在动力驱动下能绕其中轴线131旋转，所述的回转体空腔包括头端14和尾端15，进料口通过位于分离腔内侧壁和外侧壁之间的通道与分离腔连通，轻料出口开口于分离腔尾端的内外侧壁的交界处或与之毗邻的内侧壁，重料出口通过环状溜槽开口于分离腔靠近尾端的外侧壁，进料口设置物料加速装置6，配合分离腔的不同形态及相应的物料出口位置构成物料差速旋转推进装置，物料差速旋转推进装置使得进入分离腔的浆体物料随分离腔旋转，保持旋转的速度与分离腔的旋转速度有适当大小的差别，并推动浆体物料最终经各物料出口排除腔外，进料口和出料口的设置应保证进料速度能够大于或等于轻、重料出口排出速度的总和，以使得分离腔在工作时保持充满物料的状态。 

所述的物料差速旋转推进装置可以具体设置为：分离腔设置为头端细尾端粗的类中空截锥状，物料加速装置设置为辐射状挡板61，挡板的延伸范围不超过分离腔的内侧壁，使得离开进料口的物料的旋转速度略慢于分离腔，轻料出口与中轴线的距离A大于或等于中轴线与进料口外缘的距离B。所述的挡板为中心平面通过驱动轴轴线两边分别与分离腔内外侧壁结合的一组平板。 

参见附图2和附图6。所述的物料差速旋转推进装置还可以具体设置为：分离腔设置成头端粗尾端细的类中空截锥状。物料加速装置设置为涡轮62，涡轮的输出口621朝向分离腔的旋转方向，以使得离开进料口的物料的旋转速度略快于分离腔的旋转速度。根据所设置的涡轮产生的加压作用的强弱，轻料出口与中轴线的距离小于、等于或大于中轴线与进料口外缘的距离。当涡轮的加压作用强时，轻料出口与中轴线的距离可以小于中轴线与进料口外缘的距离。 

参见附图3和附图7。上述头端细尾端粗的类中空截锥状分离腔的离心分离装置，物料加速装置设置为也可以采用涡轮，涡轮的输出口621朝向与分离腔的旋转方向相反的方向，以使得离开进料口的物料的旋转速度略慢于分离腔的旋转速度。根据所设置的涡轮产生的加压作用的强弱，轻料出口与中轴线的距离小于、等于或大于进料口外缘的距离。 

参见附图4。上述头端粗尾端细的类中空截锥状分离腔的离心分离装置，物料加速装置设置为也可以采用辐射状挡板，但轻料出口内侧缘与中轴线的距离需明显大于进料口外缘的距离，以使得系统的离心作用产生足够大的推动力，推动浆体克服与分离腔壁的摩擦力向物料出口方向运动。 

参见附图5。考虑到重力对对该设备运转时平衡的影响，一般将其驱动轴设置为垂直方向，物料分离过程中可以由上向下运动，也可以由下向上运动。因此，分离腔头端及进料口可以设置在分离腔的上方或下方。 

本文中，重物料和重料，轻物料和轻料，中间物料和中料具有相同的含义。 

下面结合实施例对本发明作进一步说明。 

附图说明

图1.离心分离装置的基本结构示例纵向中心剖面示意图 

图2、3、4.采用了不同的物料差速旋转推进装置的纵向中心剖面示意图 

图5.物料由下向上运动的离心分离装置纵向中心剖面示意图 

图6.输出口方向与分离腔的旋转方向相同的涡轮的立体图，去除部分涡轮外壳即分离腔外侧壁 

图7.输出口方向与分离腔的旋转方向相反的涡轮的立体图，去除部分涡轮外壳即分离腔外侧壁 

图8.离心分离装置应用实例纵向中心剖面示意图，装置的外罩主体省略未画 

图9、10、11.磁悬浮控制节流装置的全关、半开及全开状态剖面示意图 

图12.显示分离腔的外侧壁上设置震动条的纵向中心剖面示意图 

图13.显示图12中C-C′处分离腔的外侧壁上设置震动条的横向剖面示意图 

图14.显示在环状溜槽和重料出口之间设置环状重料缓冲腔的纵向中心剖面示意图 

图15.显示在溜槽内设置薄片状减速环的纵向中心剖面示意图 

图16.图15所示的在溜槽内设置薄片状减速环的局部放大图。 

图17.显示设置中料出口的纵向中心剖面示意图 

图18.显示在轻料出口处设置环状轻料缓冲腔的纵向中心剖面示意图 

具体实施方式

实施例1

参见附图8-11，图中箭头表示物料的运动方向。具备最基本结构的应用实例。离心分离装置包括分离腔1、进料口2、一组带溜槽3的重料出口4和至少一组轻料出口5，分离腔为上细下粗的回旋体空腔，由外侧壁11和内侧壁12围成，包括头端14和尾端15，一个带有旋转驱动装置制132的垂直轴13通过连接件133与分离腔的内侧壁12固定连接。为了增强分离腔旋转时的稳定性，可以在进料口和固定的外罩之间设置一付稳定支撑轴承134。进料口2通过位于分离腔头端的内侧壁和外侧壁之间的进料通道141与分离腔连通，轻料出口内部开口于分离腔尾端的内侧壁，呈中心对称分布，重料出口通过环状溜槽开口于分离腔靠近尾端的外侧壁，也呈中心对称分布。进料通道141处设置有与分离腔内、外壁均固定连接的多片辐射状挡板61，挡板的延伸范围不超过分离腔的内侧壁，轻料出口与中轴线的距离A大于进料口外缘与中轴线的距离B。多片辐射状挡板配合分离腔的上细下粗形态和轻料出口与中轴线的距离大于进料口外缘的距离构成物料差速旋转推进装置，该物料差速旋转推进装置使得进入分离腔的浆体物料随分离腔旋转，保持旋转的速度较分离腔的旋转速度略慢，并推动浆体物料最终经各物料出口排除腔外。进料口设置自动调节装置，使得进料速度等于轻、重料出口排出速度的总和，从而使得分离腔在工作时保持充满物料的状态。进料口设置自动调节装置20可以采用多余物料自动溢出的方式，也可以采用反馈节流装置。反馈式节流装置可以采用射线源201和射线强度感受器202测出的物料的液面高度作为物料输入速度的基础数据，原理类似于水泥生产线的在线配料计量装置，用分析控制装置203分析采集的实时数据，根据其结果驱动进料管路上的可调式节流阀204控制进料速度。 

该装置工作时，分离腔在旋转驱动装置驱动下绕垂直轴高速旋状，含有不同密度的细小固体颗粒的浆体物料经由进料口进入分离腔，通过挡板时随挡板旋转迅速加速，在脱离挡板继续向外下运动时，根据动能守恒定律，物料旋转的半径增大，线速度不变，物料旋转的角速度减慢，遂产生了与分离腔内外壁相对的运动。通过调节该离心分离装置的相关参数，使浆体物料与分离腔壁保 持低速的相对运动。浆体物料与分离腔壁相对运动和分离腔高速旋转所产生的强大离心力共同作用，使得浆体颗粒在沉淀过程中不同密度的颗粒之间产生析离效应。高于浆体内液体密度的固体颗粒总体离心沉淀，在分离腔外侧壁附近，当固体颗粒达到一定浓度，固体颗粒的离心运动与浆体相对于分离腔壁相对运动对浆体的扰动产生的对离心运动的阻止作用形成总体的平衡，这种状态下，相对密度较低的颗粒会在高密度颗粒的挤压下向分离腔内侧运动，最终形成颗粒的按从外到内，密度从高到低的顺序分层。浆体物料发生以上分层的过程是与其在分离腔内从上往下整体运动的同时进行的。在已分层的物料到达环状溜槽后，携带高密度颗粒的浆体陷入溜槽中并经重料出口排出分离腔，携带低密度颗粒的轻料浆体越过溜槽继续下行，最终经轻料出口排出分离腔，分别进入各自的固定环形接受通道8，完成整个分离和收集输出过程。 

需要特别说明的是，轻、重物料出口一定要设置得足够小，排料足够慢，或进料口足够大，进料足够快，以使得该装置工作时分离腔内维持充满浆体物料的状态，并使得物料在分离腔内有足够长的时间完成按密度分层。分离腔上细下粗的差异程度将决定物料浆体与分离腔壁相对运动的速动，差异越大，相对运动速动越快，反之则越慢。另外，物料通过的速度，即单位时间内通过的物料的量，也影响物料浆体与分离腔壁相对运动的速度，通过速度越快，相对运动的速度越大。 

轻料出口与中轴线的距离大于等于进料口外缘的距离的原因是为了维持离心作用对物料通过分离腔的推动作用。如果轻料出口与中轴线的距离小于进料口外缘的距离，则需依靠重力克服离心力推动物料下行，有可能出现物料通过非常慢甚至通过受阻的情形。 

为使得已分离的轻、重物料排出均匀，本实施例设置多个轻、重物料出口各自沿分离腔呈中心对称排列。 

如果按最简单的运行参数运行，上述轻、重物料出口可以采用固定口径。 

本实施例中，为控制轻、重物料的排出速度及排出比例，上述轻、重物料出口均设置了节流装置。 

为实现制轻、重物料的排出速度及排出比例的在线实时控制，上述轻、重物料出口均设置的节流调节可以用如专利US 6149572所采用的外部水压控制的节流装置，更好地选择是通过磁悬浮控制节流装置71实现。 

参见附图9-11。所述的磁悬浮控制节流装置71，包括连接在旋转的截流阀711上的动磁体712和设置在固定外罩上的位置可沿分离腔旋转轴延伸方向调节位置的环状磁轨713。其功能是在该设备的运转过程中，通过调节环状磁轨的位置，在线实时调节节流阀的开关及流量控制状态。 

磁悬浮控制节流装置的具体结构可以设置为：在固定的外罩上设置由丝杠714驱动的沿分离腔旋转轴延伸方向调节位置的环状磁轨713，在与节流阀阀芯连接的旋臂7111上设置一块动磁体712，并使其磁极与环状磁轨相对的磁极磁性相反，动磁体在离心分离装置的旋转中产生的离心力使得节流阀倾向于闭合，动磁体与磁轨间的斥力推动节流阀的倾向于开启，通过调节磁轨的位置可以实现对高速旋转中的节流阀无接触控制。 

相对于现有的Knelson离心分离机或Falcon离心分离机，本发明可以发生离析效应的层面较厚且时间较充分，并基于控制浆体和分离腔壁的相对运动的速度抑制相对运动对正在分层或已完成分层的浆体的扰动程度，从而在相同的离心加速度条件下，可以降低分选粒度下限，并有效提高分离精度。 

实施例2

参见附图12、13。在实施例1的基础上，为了促进浆体物料颗粒的分层，可以在分离腔的外侧壁上设置数个的向腔内突出纵向延伸的震动条72。所述的震动条可以从入料口的挡板处开始，沿分离腔外侧壁一直延伸到环状溜槽附近。其凸向腔内的横截面的轮廓线应为平滑的流线，类似于飞机机翼横截面的上半部的轮廓线，其目的是既要对相对于分离腔旋转的浆体物料施加类似于往复运动造成的震动作用，从而加强析离效应，又不至于在震动条附近形成湍流，破坏已形成的物料分层。所述的数个震动条，是指两条或两条以上的震动条。 

实施例3

参见附图14。在实施例1的基础上，为了使进入环状溜槽的重料颗粒更均匀的排出，在环状溜槽3和重料出口4之间设置一圈环状重料缓冲腔41，缓冲腔与溜槽之间通过一条狭缝31连通。 

实施例1尽管在环状溜槽上设置了多数的重料出口，由于重料在出口附近和远离出口位置的部位重料堆积程度不同，仍然可能造成一定程度上的高、低密度颗粒的混杂，影响重料成分的分离精度。 

为此，在环状溜槽的底部设置一条狭缝31作为重料出口，在细缝的外侧 设置一条环状的缓冲腔41，重料出口4开口在缓冲腔内。 

工作时，重料浆体均匀通过细缝后进入缓冲腔，由于旋转半径增大，重料浆体会相对于缓冲腔作旋转运动，最终通过各重料出口排出腔外。 

实施例4

参见附图15、16。在实施例3的基础上，为使进入溜槽的重料颗粒减缓旋转速度并在析离效应下更精确地按密度分离，在溜槽内设置薄片状减速环411，减速环通过连接横梁412固定在溜槽槽壁上。 

进入环状溜槽的浆体，由于旋转半径突然增大，有相对于环状溜槽加速运动的趋势，这不利于析离效应的进一步作用，解决这个问题的方案是在环状溜槽内设置多数的薄片状减速环，减速将环状溜槽分隔成多个槽状空间，增大了浆体运动中受到的摩擦力，从而起到了减速和增强析离效应的作用。减速环与环状溜槽的底部保留让浆体通过并进入排料细缝的空间，因此是悬空的，需要通过间隔分布的横梁固定在溜槽槽壁上。 

为使溜槽内的析离效应更加显著，可以将薄片状减速片设置成波纹状。 

波纹状的减速片，在浆体旋转运动时会造成浆体横向的震动，在频率适当时，即波纹的尺寸与浆体相对分离腔旋转速度匹配适当时，其结果会加强析离效应。 

实施例5

参见附图17。在实施例1的基础上，为使排出的高密度物料更精确的分级，可以在重料出口和轻料出口之间设置一组或一组以上的带环状溜槽的中间密度的物料出口73。 

所谓更精确的分级，是指按浆体内的颗粒密度将浆体分两个以上的等级，如本实施例采用分成重料、中料和轻料三种浆体的方案。 

要实现以上精确分级，只需在重料出口和轻料出口之间设置一组或一组以上的带环状溜槽的物料出口。已分层的物料在旋转中通过重料出口的环状溜槽时密度最高的颗粒沉入溜槽底部并经重料出口排出，其余密度较轻的颗粒将越过该溜槽，进入位于其下方的中间物料出口所在的环状溜槽，并重复以上分离过程。如果设置了多个中间物料出口，同样的过程多次重复，直到最终含有剩余的密度最低的颗粒的浆体经轻料出口排除分离腔外。 

实施例6

参见附图18。在实施例1的基础上，为使排出的轻料更加纯净，可以选择将轻料出口设置在分离腔内侧壁上，排出的轻料经导出管道导向分离腔的外围空间。该装置可以使得排出的含有低密度颗粒的轻物料经过一个克服离心力逆向运动的过程，可以使得未经充分分离的高密度颗粒进一步分离。 

在以上技术方案的基础上，为使排出的轻料更加纯净，还可以在轻料出口处设置环状轻料缓冲腔51。轻料缓冲腔为轻料出口前的环状膨大空腔，进入缓冲腔的浆体旋转和流出速度降低，重颗粒可以在离心力作用下进一步分离。 

为了使物料在轻料腔缓冲腔内的物料颗粒分布的较均匀，物料流运动轨迹更合理，防止物料经最短的途径直接进入轻料出口，可以在轻料腔缓冲腔内设置环状导流板52。 

以上实施例仅采用了整体发明中所列举的四种物料差速旋转推进装置中的一种，即分离腔设置为头端细尾端粗的类中空截锥状，物料加速装置设置为辐射状挡板。以上改进除下文特殊注明的例外情况以外，均同样适合于采用其他三种物料差速旋转推进装置的技术方案。根据实施例公开技术方案，本专业人员很容易组合出相应的其他技术方案，因此在本文中不再详述，但这些技术方案也应包括在本专利的保护范围之内。 

例外：实施例4所述的设置在环状溜槽内的薄片状减速环不适合分离腔设置为头端细尾端粗的类中空截锥状的两种离心分离装置技术方案。因为这种离心分离装置的物料旋转速度较分离腔的旋转速度略快，进入环状溜槽的物料有旋转减速的趋势，薄片状减速环会使物料旋转速度进一步减慢，甚至停滞，可能会造成物料颗粒的沉淀积聚，影响其排出，造成分离过程的中断，因此不宜采用。 

Claims (15)

1.一种用于对浆体颗粒按其密度分离的离心分离装置，包括分离腔、进料口、至少一个带溜槽的重料出口和至少一个轻料出口，其特征是分离腔为由外侧壁和内侧壁围成的回转体空腔，能够在动力驱动下能绕其中轴线旋转，所述的回转体空腔包括头端和尾端，进料口位于分离腔头端，轻料出口位于分离腔尾端的内外侧壁的交界处或与之毗邻的内侧壁，重料出口通过环状溜槽开口于分离腔靠近尾端的外侧壁，进料口设置的物料加速装置，配合分离腔的不同形态及相应的物料出口位置构成物料差速旋转推进装置，物料差速旋转推进装置使得进入分离腔的浆体物料随分离腔旋转，保持旋转的速度与分离腔的旋转速度有适当的差别，并推动浆体物料最终经各物料出口排出腔外，工作中进料口和出料口的设置保证进料速度能够大于或等于轻、重料出口排出速度的总和，以使得分离腔在工作时保持充满物料的状态。 

2.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是所述的物料差速旋转推进装置设置为：分离腔为呈头端细尾端粗的类中空截锥状，进料口为辐射状挡板，挡板的延伸范围不超过分离腔的内侧壁，轻料出口内侧缘与中轴线的距离大于进料口外缘与中轴线的距离。 

3.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是所述的物料差速旋转推进装置设置为：分离腔为头端粗尾端细的类中空截锥状，进料口为涡轮，涡轮的输出口朝向分离腔的旋转方向。 

4.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是所述的物料差速旋转推进装置设置为：分离腔为头端细尾端粗的类中空截锥状，进料口为涡轮，涡轮的输出端口朝向与分离腔的旋转方向相反的方向。 

5.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是所述的物料差速旋转推进装置设置为：分离腔为头端粗尾端细的类中空截锥状，进料口为辐射状挡板，轻料出口内侧缘与中轴线的距离明显大于进料口外缘与中轴线的距离。 

6.如权利要求1所述的离心分离装置，其特征是包括多个轻物料出口和重物料出口，各自沿分离腔呈中心对称排列。 

7.如权利要求6所述的离心分离装置，其特征是所述的轻物料出口和重物料出口均设置节流装置。 

8.如权利要求7所述的离心分离装置，其特征是所述的节流装置通过磁悬浮控制装置实现在线控制。 

9.如权利要求1-8中任一项权利要求所述的离心分离装置，其特征是在分离腔的外侧壁上设置多数的向腔内突出纵向延伸的震动条。 

10.如权利要求9所述的离心分离装置，其特征是在环状溜槽和重料出口之间设置一圈环状重料缓冲腔，缓冲腔与溜槽之间通过狭缝连通。 

11.如权利要求10所述的离心分离装置，其特征是在溜槽内设置薄片状减速环，减速环通过连接横梁固定在溜槽侧壁上。 

12.如权利要求11所述的离心分离装置，其特征是所述的薄片状减速环为波纹状。 

13.如权利要求12所述的离心分离装置，其特征是在重料出口和轻料出口之间设置一组以上的中料出口。 

14.如权利要求13所述的离心分离装置，其特征是将轻料出口设置在分离腔内侧壁上。 

15.如权利要求12所述的离心分离装置，其特征是在轻料出口处设置环状轻料缓冲腔。 

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