史英祥

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-S系列浮選機(jī)是針對煤泥浮選粒度范圍寬、充氣量需求大等特點(diǎn)，經(jīng)過中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司幾代科研人員不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，逐漸發(fā)展起來的系列化煤泥浮選專用設(shè)備，在國內(nèi)選煤廠應(yīng)用最為廣泛[1-5]。目前，單槽容積為90 m3的XJM-S90型浮選機(jī)是該系列處理能力最大的浮選機(jī)[6-7]。該浮選機(jī)采用了相似放大與計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，確立了槽體尺寸、葉輪直徑、葉輪厚度、葉輪轉(zhuǎn)速、浸沒深度、攪拌軸功率及充氣速率等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，其性能通過了國家選煤機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)[8]，并于2016年成功應(yīng)用在朔州中煤平朔能源有限公司千萬噸級長焰煤選煤廠(以下簡稱朔中選煤廠)。

1 XJM-S90型浮選機(jī)的研制

1.1 XJM-S90型浮選機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

礦物浮選是一個(gè)在固-液-氣三相紊流場中發(fā)生的極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程[9]，進(jìn)而決定了浮選機(jī)的設(shè)計(jì)方法大多以經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)。XJM-S90型浮選機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，秉承了該系列浮選機(jī)的相似放大設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[10-11]，其幾何與動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(1)

式中：H為槽體深度，m；D為葉輪直徑，m；V為槽體容積，m3；NQa為氣流數(shù)，無因次；Qa為充氣量，m3/s；N為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；Np為功率數(shù)，無因次；P為攪拌功率，kW；ρ為礦漿的密度，kg/m3；式中常數(shù)為XJM-S型浮選機(jī)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

浮選機(jī)矩形槽體、方形橫截面設(shè)計(jì)，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，XJM-S90型浮選機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

單槽容積/m3

90.6

槽體深度/m

2.55

槽體寬度/m

5.96

葉輪轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

121

葉輪直徑/m

1.50

攪拌功率/kW

112

充氣量/(m3·s-1)

0.51

1.2 XJM-S90型浮選機(jī)的流場模擬

利用CFD技術(shù)對XJM-S90型浮選機(jī)進(jìn)行了液相模擬，實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法，擁有19 477 870個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和18 787 689個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。流場模擬采用PISO算法耦合壓力-速度模型，流場計(jì)算采用多重參考系法(MRF)，湍流區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型計(jì)算。數(shù)值模擬的主要初始條件為：①清水介質(zhì)。進(jìn)口礦漿流量為2 200 m3/h，進(jìn)口截面速度為0.317 m/s，出口為自由出流；②浮選機(jī)葉輪為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。XJM-S90型浮選機(jī)三維模型透視圖如圖1所示。

圖1 XJM-S90型浮選機(jī)三維模型透視圖

當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)速度為121 r/min時(shí)，與入口方向分別成0°和90°的截面流線與截面速度等值線分布情況如圖2—圖5所示。由圖2—圖5可以看出，流場下部為縱向渦流運(yùn)動(dòng)，上部流動(dòng)平穩(wěn)，符合浮選過程要求，分選區(qū)域流場成“W”狀態(tài)；穩(wěn)流板假底下部的礦漿速度基本在0.2 m/s以上，不存在死區(qū)；穩(wěn)流板區(qū)域與其上部區(qū)域的礦漿流速迅速降低，由最高的定子周邊的5 m/s左右降至最低的槽體周邊區(qū)域(精礦刮出區(qū)域)0.2 m/s左右，流場梯度大。

圖2 0°截面流線圖

圖3 0°截面速度等值線分布圖

圖4 90°截面流線圖

圖5 90°截面速度等值線分布圖

當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為121 r/min時(shí)，葉輪定子區(qū)域流場壓力、流線與速度矢量圖如圖6—圖9所示。

圖6 葉輪區(qū)域全壓圖

圖7 定子及蓋板全壓圖

圖8 葉輪-定子區(qū)域流線圖

圖9 葉輪-定子區(qū)域速度矢量圖

由圖6—圖9可以看出，葉輪負(fù)壓主要集中在葉輪的輪轂及葉輪下吸口處，迎液面的總壓值高于背液面的總壓值，上下層葉片的總壓最高值均處于靠近迎液面的葉輪邊沿處；定子的湍流耗散率非常高，最高值為6 938.96 m2/s3，處于定子里側(cè)礦漿入口處，定子外側(cè)礦漿出口處湍流耗散率的最高值為194.76 m2/s3，說明礦漿通過定子時(shí)湍流耗散率急劇降低，同時(shí)湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度也由10.25 m2/s2、2.61分別降低至4.18 m2/s2、1.67，表明礦漿在定子區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞，從而使礦漿的速度、動(dòng)能大幅降低。

流場模擬計(jì)算出葉輪的排液量為8 284.36 m3/h，為入料礦漿流量的3.77倍，其中下層葉片排液量為5 809.93 m3/h，上層葉片排液量為2 474.43 m3/h，可見XJM-S90型浮選機(jī)葉輪的吸漿與排漿能力非常強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦漿量較高的處理能力；仿真模擬計(jì)算出的XJM-S90浮選機(jī)實(shí)際消耗功率為133.36 kW，這與經(jīng)驗(yàn)公式得出的結(jié)果相差較大。

1.3 XJM-S90型浮選機(jī)技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)

根據(jù)清水試驗(yàn)與流場模擬特征分析，優(yōu)化后XJM-S90型浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要技術(shù)參數(shù)[8]如下：

單位處理能力/ (t·m-3·h-1)(入料濃度為80～100 g/L)0.5～0.8單位礦漿處理量/(m3·m-3·h-1)(入料濃度<100 g/L)5～8單槽容積/m390.6葉輪直徑/mm1 500葉輪轉(zhuǎn)速/(r·min-1)121刮板轉(zhuǎn)速/( r·min-1)25攪拌電機(jī)功率/kW160清水?dāng)嚢栎斎牍β?kW92.49充氣速率/(m3·m-2·min-1)0.814充氣均勻系數(shù)/%83.97整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲/dB(A)75.9四室外形尺寸/mm×mm×mm26 096×6 278×5 388

1—入料箱；2—雙刮板刮泡機(jī)構(gòu)；3—操作臺(tái)及護(hù)欄；4—驅(qū)動(dòng)裝置；5—攪拌機(jī)構(gòu)；6—葉輪；7—定子；8—吸漿錐；9—假底穩(wěn)流板；10—埋沒式中礦箱

XJM-S90型浮選機(jī)符合大型XJM-S系列浮選機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)格，具有以下特點(diǎn)：

(1)寬范圍大區(qū)域刮泡，采用雙刮泡機(jī)構(gòu)，更有利于浮選槽中間部位的高濃度表層泡沫及時(shí)刮出，提高浮選槽的利用率。

(2)藥、氣同道的加藥方式，可有效利用充氣吸入的高速氣流霧化浮選藥劑，改善了藥劑在礦漿中的分散效果，從而提高了藥劑的利用效率。

(3)礦漿下循環(huán)通道吸漿錐設(shè)計(jì)，降低了葉輪下方區(qū)域礦漿流速與動(dòng)能損失，減少了通道壁及底板磨損。這也是XJM-S系列浮選機(jī)的一項(xiàng)專利(ZL201420572025.4)。

2 XJM-S90型浮選機(jī)的應(yīng)用

2015年8月至2016年4月，XJM-S90型浮選機(jī)在朔中選煤廠進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。朔中選煤廠是一座入選能力為11.0 Mt/a的動(dòng)力煤(長焰煤)選煤廠，入浮煤泥量約110 t/h，入浮礦漿量約2 262.44 m3/h。長焰煤屬于低階煙煤，煤泥進(jìn)行工業(yè)浮選生產(chǎn)的幾率很少，根據(jù)前期針對長焰煤煤泥的浮選特性的大量試驗(yàn)研究表明，在使用適當(dāng)?shù)母∵x藥劑時(shí)，朔中選煤廠煤泥灰分可降低高達(dá)12個(gè)百分點(diǎn)以上，精煤產(chǎn)率>50%[12-15]。為開拓長焰煤煤泥提質(zhì)增效的新途徑，朔中選煤廠于2015年5月完成了浮選車間建設(shè)，經(jīng)過3個(gè)月的工藝調(diào)試、浮選藥劑工業(yè)試驗(yàn)后，成功進(jìn)入XJM-S90浮選機(jī)的工業(yè)應(yīng)用階段，2015年9月14日至10月4日干煤泥平均藥劑消耗量為1.31 kg/t，生產(chǎn)結(jié)果見表1。

表1 2015年9月14日至10月4日浮選機(jī)生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistics of the cell's operating performance data recorded in the period of September 14-October 4 , 2015 %

由表1可以看出，XJM-S90浮選機(jī)的工業(yè)應(yīng)用是成功的，具有以下特點(diǎn)：

(1)浮選精度高、選擇性好。針對難浮選的長焰煤，當(dāng)入料灰分為26.70%時(shí)，取得了精煤灰分為14.16%、尾煤灰分為47.04%、精煤產(chǎn)率為61.64%的浮選效果，灰分平均降低了12.54個(gè)百分點(diǎn)，與試驗(yàn)研究階段結(jié)果相當(dāng)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

(2)處理能力大。XJM-S90浮選機(jī)礦漿通過能力為2 400 m3/h，單位容積礦漿通過量為6.67 m3/(m3·h)，可滿足朔中選煤廠浮選入料量為2 242.23 m3/h、單位容積礦漿處理能力為6.23 m3/(m3·h)的生產(chǎn)需要。

(3)能耗低。工業(yè)應(yīng)用階段完成了浮選機(jī)能耗測試，XJM-S90型浮選機(jī)每室攪拌電機(jī)額定功率為160 kW，每室實(shí)際消耗功率為130.3 kW，功耗指數(shù)(單位容積浮選槽的實(shí)際消耗功率)為1.44 kW/m3。

(4)適應(yīng)性強(qiáng)。朔中選煤廠入料濃度在20～70 g/L之間波動(dòng)，XJM-S90浮選機(jī)在低濃度波動(dòng)條件下取得了良好的浮選效果，指標(biāo)穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)語

選煤廠大型化發(fā)展已成明顯趨勢，XJM-S90型浮選機(jī)的研制及其成功應(yīng)用是XJM-S系列浮選機(jī)又一次成功的大型化技術(shù)創(chuàng)新。清水試驗(yàn)表明，該浮選機(jī)充氣速率為0.814 m3/(m2·min)，充氣均勻系數(shù)為83.97%，均超過JB/T 3686.2—1999《煤用浮選機(jī)試驗(yàn)方法》要求指標(biāo)。工業(yè)性試驗(yàn)表明，XJM-S90型浮選機(jī)單位容積礦漿處理能力為6.23 m3/(m3·h)，功耗指數(shù)(單位容積浮選槽的實(shí)際消耗功率)為1.44 kW/m3，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)，具有分選精度高，浮選選擇性好，浮選速度快，處理量大，能耗低等特點(diǎn)，為我國大型選煤廠的設(shè)計(jì)與浮選技術(shù)改造提供了設(shè)備支持。