XJM-KS系列浮選機(jī)礦化器的研究與應(yīng)用

魏昌杰,宋云霞

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-KS系列浮選機(jī)礦化器的研究與應(yīng)用

魏昌杰1,2,宋云霞1,2

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

為解決與XJM-S系列浮選機(jī)配套的礦漿預(yù)處理器在設(shè)備大型化和老廠改造過程中出現(xiàn)的問題，研制出具有礦漿預(yù)處理功能的礦化器。對(duì)礦化器的流體力學(xué)特性進(jìn)行研究，分析了影響其工作效果的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并提出礦化器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法。研究表明：影響礦化器工作效果的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為礦化器橫截面面積比m，當(dāng)m取值范圍在4～6時(shí)，煤泥浮選效果良好；就應(yīng)用效果來說，采用礦化器的XJM-KS系列浮選機(jī)優(yōu)于采用礦漿預(yù)處理器的XJM-S系列浮選機(jī)。

礦漿預(yù)處理；礦化器；真空度；流體力學(xué)；相似放大準(zhǔn)則

礦漿預(yù)處理設(shè)備是提高浮選機(jī)處理能力，強(qiáng)化煤泥分選機(jī)制的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備與浮選機(jī)聯(lián)合使用是國(guó)內(nèi)選煤廠煤泥浮選工藝中廣泛應(yīng)用的方式。目前的礦漿預(yù)處理設(shè)備主要包括礦漿預(yù)處理器、礦漿準(zhǔn)備器、跌落箱、表面改質(zhì)機(jī)等[1]，生產(chǎn)實(shí)踐表明，礦漿預(yù)處理器與浮選機(jī)聯(lián)合使用，具有操作簡(jiǎn)單，處理能力大，礦化效果好等優(yōu)點(diǎn)，深受各大選煤廠歡迎。隨著選煤設(shè)備大型化要求的提高，浮選設(shè)備也不斷向大型化發(fā)展[2]。XJM-S系列浮選機(jī)是我國(guó)選煤廠使用的主要浮選機(jī)，引領(lǐng)著我國(guó)浮選機(jī)的發(fā)展方向。從2002年到2012年，XJM-S系列浮選機(jī)的單槽容積從16 m3擴(kuò)大到60 m3，設(shè)備體積急劇增大，與之配套的礦漿預(yù)處理器體積也相應(yīng)增大，而這無疑增加了廠房占地面積，導(dǎo)致選煤廠土建投資明顯增大[3]。此外，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，粉煤量急劇增加，煤泥的可浮性變差，部分選煤廠原有的浮選能力已不能滿足生產(chǎn)要求，需要生產(chǎn)能力更大的浮選設(shè)備，而受原有廠房面積的限制，擴(kuò)大浮選能力的技術(shù)改造十分困難。

針對(duì)這些問題，中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司研制出一種體積小、預(yù)處理效果好的礦漿預(yù)處理裝置——礦化器[4]。位于入料端的礦化器與浮選機(jī)機(jī)體集為一體，共同組成XJM-KS系列浮選機(jī)，大大減小了浮選系統(tǒng)的占地面積。該裝置主要利用管式微泡礦化器來完成浮選藥劑的分散和被選物料的預(yù)選，礦化后的氣泡直接由浮選機(jī)精選，有利于簡(jiǎn)化浮選工藝和強(qiáng)化分選機(jī)制。此外，該礦化器還具有管道擴(kuò)徑穩(wěn)壓、噴射器射流吸氣與微泡選擇性析出、湍流彌散空氣、微泡礦化預(yù)選等多種功能，對(duì)煤泥高效浮選具有重要意義。從工作原理、流體力學(xué)特性、應(yīng)用效果方面對(duì)礦化器進(jìn)行分析，力求完善其基礎(chǔ)理論。

1 礦化器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

根據(jù)射流原理[5-7]和噴射器[8-10]的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出具有礦漿預(yù)處理功能的礦化器。該礦化器是一種體積小、無運(yùn)動(dòng)部件、礦化效果好、占地面積小且能簡(jiǎn)化浮選工藝的裝置，具有藥劑霧化和氣、液、固三相混合及強(qiáng)化分選機(jī)制的功能[11-12]。礦化器主要由壓力室、噴嘴、吸入室、吸入管、喉管、擴(kuò)散管組成(圖1)，噴嘴由1個(gè)中心噴嘴和6個(gè)均布噴嘴組成(圖2)。

圖1 礦化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 噴嘴布置圖

1.2 工作原理

工作過程中，礦漿以一定的壓力給入礦化器壓力室，再通過噴嘴以一定的速度噴出。由于射流與空氣之間的粘滯作用，噴嘴附近的空氣被帶走，并在此形成低壓區(qū)域；藥劑和空氣被吸入吸入管，并在其中霧化，然后隨高速礦漿一同進(jìn)入喉管，喉管內(nèi)的霧化藥劑與礦漿通過液體質(zhì)點(diǎn)間的相互撞擊來傳遞能量。藥劑和礦漿混合過程中產(chǎn)生大量旋渦，強(qiáng)湍流使霧化藥劑與礦漿充分混合，并實(shí)現(xiàn)被選物料的預(yù)選，礦化后的氣泡直接進(jìn)入浮選機(jī)精選，該方式有利于提高浮選效果。

礦化器目前主要安裝在XJM-KS系列浮選機(jī)上，主要參數(shù)(礦漿通過量、入料壓力、噴嘴數(shù)量)如表1所示。由表1可知：四種規(guī)格礦化器的入料壓力相同，噴嘴數(shù)量相同；隨著浮選機(jī)尺寸的增大，礦化器礦漿通過量也隨之增大。

表1 XJM-KS系列浮選機(jī)礦化器主要參數(shù)

2 礦化器流體力學(xué)特性

對(duì)礦化器的流體力學(xué)特性進(jìn)行分析，研究其流體力學(xué)參數(shù)和工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)。礦化器結(jié)構(gòu)示意圖及其基本參數(shù)如圖3所示。

1—壓力室；2—噴嘴；3—吸入管；4—喉管；5—擴(kuò)散管

圖3中Q1為礦漿流量，m3/h；Q2為藥劑和空氣流量，m3/h；Q為空氣、藥劑、礦漿的總流量，即Q=Q1+Q2，m3/h；H1為入料礦漿壓力，m3/h；H2為礦化器出口壓力，m3/h；A0為礦化器噴嘴出口橫截面面積，m2；A1為喉管橫截面面積，m2；φ1為噴嘴流速系數(shù)；φ2為喉管流速系數(shù)；φ3為擴(kuò)散管流速系數(shù)；φ4為喉管入口段流速系數(shù)。

在流體力學(xué)特性分析過程中，礦化器的基本方程均采用無量綱參數(shù)表述，無量綱參數(shù)包括流量比(q=Q2/Q1)、揚(yáng)程比(h=H2/H1)、橫截面面積比(m=A1/A0)。

2.1 礦化器的相對(duì)真空度

以圖3礦漿入口橫截面A-A和噴嘴出口橫截面B-B為研究對(duì)象，對(duì)礦化器內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析。礦漿經(jīng)給料泵加壓后，以較大的速度從B-B噴嘴橫截面噴出，此時(shí)混合室內(nèi)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，空氣經(jīng)吸氣管進(jìn)入混合室。吸入的空氣在喉管及擴(kuò)散管內(nèi)被高速射流卷裹切割后形成微泡，完成礦漿充氣、氣水?dāng)嚢琛馀莸V化整個(gè)過程。

分析礦漿由A-A橫截面至B-B橫截面的運(yùn)動(dòng)，建立流體運(yùn)動(dòng)的伯努利方程和連續(xù)性方程[13]：

(1)

A1v1=A2v2，

(2)

(3)

(4)

式中：Z1、Z2分別為位置標(biāo)高，m；P1、P2分別為靜水壓強(qiáng)，Pa；γ為礦漿重度，N/m3；g為重力加速度，m/s2；v1、v2為礦漿速度，m/s；α1、α2為動(dòng)能修正系數(shù)；hw為水頭損失，m；A1、A2分別為礦漿入口和噴嘴出口橫截面面積，m2；d1、d2分別為礦漿入口和噴嘴出口橫截面直徑，m。

將式(2)、(3)、(4)代入(1)，得：

(5)

式中：ΔP為相對(duì)真空度，MPa。

由式(5)可知：在礦化器噴嘴型號(hào)相同的情況下，當(dāng)入料壓力一定時(shí)，水頭損失hw是一個(gè)定值；當(dāng)d1、d2一定時(shí)，礦化器內(nèi)形成的相對(duì)真空度與礦漿流量的二次方成正比。

由式(5)可計(jì)算出XJM-KS系列浮選機(jī)工作時(shí)的相對(duì)真空度，當(dāng)入料壓力為0.06 MPa，入料礦漿密度為1.03 kg/cm3時(shí)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知：礦化器的相對(duì)真空度平均值為-0.093 5 MPa，說明礦化器工作時(shí)的相對(duì)真空度為-0.093 5 MPa。

表2 XJM-KS系列浮選機(jī)的相對(duì)真空度Table 2 Relative vacuum degree of XJM-KS series flotation machine

2.2 礦化器橫截面面積比的確定

XJM-KS系列浮選機(jī)已投入工業(yè)應(yīng)用，目前已應(yīng)用的四種規(guī)格礦化器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 XJM-KS系列浮選機(jī)礦化器結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表3可知：m的最大值為6.04，最小值為3.45。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)m取值在4～6時(shí)，煤泥浮選效果良好。

3 設(shè)備布置

設(shè)備布置時(shí)預(yù)留空間必須滿足操作和檢修要求，不同設(shè)備的預(yù)留空間不同，XJM-S系列浮選機(jī)和XJM-KS系列浮選機(jī)的設(shè)備布置如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：XJM-S系列浮選機(jī)的礦漿預(yù)處理器所占廠房面積約為浮選系統(tǒng)的1/3～1/5，占地面積大，且要求廠房高度更高；采用礦化器的XJM-KS系列浮選機(jī)布置緊湊，空間利用合理，占地面積更小，整體投資少。

XJM-KS16浮選機(jī)與XJM-S16浮選機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表4所示。由表4可知：除入料泵揚(yáng)程略有增加外，XJM-KS16浮選機(jī)的占地面積和廠房高度均小于XJM-S16浮選機(jī)。

圖4 XJM-S系列浮選機(jī)布置圖

圖5 XJM-KS系列浮選機(jī)布置圖

設(shè)備名稱礦漿處理量/(m3·h-1)入料壓力/Pa入料泵揚(yáng)程/m占地面積/(mm×mm×mm)廠房高度/mXJM-KS165000.06～0.10H+814175×3450×3433H1XJM-S165000.05H+518175×3450×3433H1+2.40

注：H為幾何高度，H1為浮選機(jī)布置層的層高

4 應(yīng)用效果

采用礦化器的XJM-KS系列浮選機(jī)分別在介休長(zhǎng)豐選煤廠和洪洞恒富煤化有限公司選煤廠投入使用，采用礦化器的XJM-KS系列浮選機(jī)與采用礦漿預(yù)處理器的XJM-S系列浮選機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表5所示。

由表5可知：在入料灰分和入料量相同的情況下，XJM-KS系列浮選機(jī)的尾煤灰分和精煤產(chǎn)率均高于XJM-S系列浮選機(jī)，說明XJM-KS系列浮選機(jī)的浮選效果更好，也說明礦化器的研究和使用很成功。

表5 不同型號(hào)浮選機(jī)的產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

(1)目前，礦漿預(yù)處理設(shè)備限制了浮選機(jī)的大型化發(fā)展和老廠改造，為解決這一問題，研究出具有簡(jiǎn)化浮選工藝和強(qiáng)化分選機(jī)制的礦化器，該裝置與浮選機(jī)集為一體，可節(jié)省1/3～1/5的廠房面積。

(2)礦化器的真空度分析結(jié)果表明，在礦化器噴嘴型號(hào)相同的情況下，當(dāng)入料壓力一定時(shí)，水頭損失hω是一個(gè)定值；當(dāng)d1、d2一定時(shí)，礦化器的相對(duì)真空度與礦漿流量平方成正比，其工作時(shí)的相對(duì)真空度為-0.093 5 MPa。分析礦化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，當(dāng)m取值在4～6時(shí)，煤泥浮選效果良好。

(3)就應(yīng)用效果來看，采用礦化器的XJM-KS浮選機(jī)優(yōu)于XJM-S系列浮選機(jī)，說明礦化器的研究和應(yīng)用是成功的。

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Study and application of mineralizing device used on XJM-KS series flotation machine

WEI Chang-jie1,2, SONG Yun-xia1,2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co Ltd, Tangshan，Hebei 063000, China; 2. Coal Preparation Engineering & Technology Research Center in Hebei Province, Tangshan，Hebei 063012, China)

To solve the problems caused by pulp preprocessor used together with XJM-S series flotation machine in the process of enlarging equipment and modifying old plant, mineralizing device with the function of pulp preprocessor is developed, and then its amplification criterion is given by analysis of fluid mechanics characteristic and main structure parameters affecting operation. The study shows that cross-sectional area ratiomis the main structure parameters affecting operation of mineralizing device; flotation effect of coal slime is better when value ofmranges between 4 and 6. The application shows that XIM-KS series flotation machine with mineralizing device is preferred to the XJM-S series flotation machine with pulp preprocessor.

pulp preprocessor; mineralizing device; vacuum degree; fluid mechanics; similar amplification criterion

1001-3751(2015)01-0027-05

TD943+.2

A

2015-01-13

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.008

魏昌杰(1984—)，男，陜西省旬陽(yáng)縣人，助理研究員，碩士，從事選煤廠設(shè)計(jì)、浮選設(shè)備的研究與開發(fā)工作。

E-mail：w1c2j34@163.com Tel：0315-7759637