中國噴射式浮選機在美國麥克盧爾河選煤廠升級改造工程中的應用

王志剛，富蘭克林·愛迪生，簡萊特

(1.美國丹尼斯公司，西弗吉尼亞 藍田 24701；2.美國康圖拉能源公司，田納西 布里斯托 37621；3.美國狄更生-拉塞爾康圖拉有限責任公司，弗吉尼亞 麥克盧爾 24269)

1 概 述

美國康圖拉能源公司(Contura Energy)所屬麥克盧爾河(McClure River)選煤廠位于弗吉尼亞州圣保羅附近，地理位置見圖1所示。該廠于1978年建成投產，設計生產能力為950 t(干煤)/h，其原料煤主要來自于Upper/Lower Banner和Jawbone 2個煤層的優質高等揮發分煙煤和中等揮發分煙煤。(譯者注：本文的t/h均為美制短噸每小時，下同。公制1 t約為美制1.1 短噸。)

圖1 麥克盧爾河選煤廠地理位置

麥克盧爾河選煤廠生產的是優質煉焦精煤，其工藝流程為：用于處理塊煤和末煤(152.4 ～ 22 mm和22～1 mm粒級)的重介質淺槽分選機和重介質旋流器；用于處理粗煤泥(1～0.15 mm粒級)的螺旋分選機；用于處理細煤泥(0.15～0 mm粒級)的機械攪拌式浮選機。隨著設備老化和原料煤質量的變化，該廠面臨一些突出問題。

麥克盧爾河選煤廠最明顯的問題是浮選尾煤的可燃體嚴重損失，從其灰分僅為50%～60%可以計算出，精煤的可燃體回收率只在65%～75%之間，遠低于預定目標。這是由以下相關聯的原因造成的。

(1)浮選機能力不足。麥克盧爾河選煤廠原有的是2臺丹佛(Denver)型機械攪拌式浮選機，每臺4室，單室容積14 m3，浮選機總容積V=112 m3。其充氣攪拌裝置見圖2。

圖2 丹佛型浮選機充氣攪拌裝置結構示意

丹佛型機械攪拌式浮選機為直流式浮選機，每室中設置一個旋轉葉輪，因為該浮選機借助壓縮空氣實現充氣，所以葉輪的轉數可以低一些，只承擔攪拌煤漿和將氣流分散為氣泡的功能。在定子蓋上設置一個錐形循環桶，可將浮選室中部的煤漿引入葉輪，實現循環。

浮選時間S的計算式如下

S=V/Q·60min

(1)

式中，V為浮選機容積，m3；Q為入浮煤漿流量，m3/h。

入浮煤漿主要是原煤分級旋流器的溢流，濃度低，流量大，據統計估算，流量Q約為2 000 m3/h。

按(1)式計算，該廠的浮選時間大致在3.4 min，不同性質煤泥的浮選時間也不盡相同，但在一般情況下，美國的煤泥在常規的機械攪拌式浮選機中，浮選時間在5 min左右才能獲得滿意的效果[1](譯者注：鑒于煤泥可浮性差，在中國選煤工程設計中，浮選時間一般為6～10 min)。由于浮選機容積小，煤漿停留時間短促，低灰煤粒不能及時粘附在氣泡上，致使可燃體損失在尾煤中。

還可以從另一方面分析浮選設備能力的不足。當入選原料煤量為950 t/h時，按粒度組成計算，大約有137～153 t/h的粒度為0.15～0 mm粒級細泥進入浮選機。根據實驗室分步釋放浮選試驗，當浮選精煤目標灰分為10%時，產率可達70%，按此計算可分選出96～107 t/h的浮選精煤。對于0.15～0 mm粒級煤泥，傳統浮選機的每平方米液面攜帶精煤產量約為1.07～1.51 t/h[2]，原有2臺丹佛型浮選機的浮選液面面積總計約為57.8 m2，只能分選出62～87 t/h的精煤，兩者之間存有較大的差距。

(2)低灰分粗粒煤進入浮選機。螺旋分選機分選出的粗精煤泥的脫水回收系統，包括高頻煤泥篩、EBW型離心脫水機及分級濃縮旋流器三類工藝設備。由于脫水回收設備工藝效果差，聚集了大量循環煤泥，使得分級濃縮旋流器入料濃度高達21.9%，惡化了水力分級效果，致使其溢流中攜帶了40%的灰分為3.70%的大于0.5 mm的粗粒，混入了浮選作業。

(3)用于浮選精煤脫水回收的盤式真空過濾機陳舊低效，尤其是其濾液濃度超高。濾液返回浮選作業，造成大量細泥反復循環，嚴重影響浮選指標。

這些原因還導致選煤廠實際生產能力降低至800 t/h左右，所以該廠的技術改造迫在眉睫。為此康圖拉能源公司邀請丹尼斯公司對麥克盧爾河選煤廠的煤泥水處理系統進行了考核，對其進行一期、二期升級改造工程設計，并負責竣工后的調試工作。

2 升級改造工程

麥克盧爾河選煤廠升級改造工程工藝流程見圖3。

1—分級脫泥篩(4臺)；2—分級旋流器入料筒；3—分配箱；4—分級旋流器(2組，每組4臺，3用1備)；5—螺旋分選機入料筒；6—分配箱；7—螺旋分選機組(3組，每組8臺)；8—精煤離心機離心液筒(新增)；9—精煤弧形篩入料筒；10—分配箱；11—精煤泥弧形篩(二段串聯，3組，新增)；12—沉降過濾式離心脫水機(新增3臺)；13—精煤帶式輸送機；14—浮選入料筒(原有改造)；15—入料分配箱(新增)；16—浮選機入料槽(2個)；17—丹佛型浮選機(2臺)；18—盤式真空過濾機(2臺，更新)；19—噴射式浮選機(1臺，新增)；20—盤式真空過濾機(1臺，新增)圖3 麥克盧爾河選煤廠升級改造工程工藝流程

圖3中，152.4～0 mm粒級原煤進入4臺分級脫泥篩脫泥分級，篩上物中為152.4～22 mm的塊煤去淺槽重介分選機分選，22～1 mm粒級的末煤去重介旋流器分選，含有1～0 mm粒級的煤泥篩下水泵入分級旋流器，含有1～0.15 mm的粗煤泥由旋流器底流泵送到分配箱，分配到螺旋分選機進行分選，螺旋分選機的精煤(粗精煤泥)由串聯式布置的二段弧形篩進行脫水脫泥。其篩上物由沉降過濾式離心脫水機回收，脫水產物卸至精煤膠帶輸送機，去干燥機進一步熱烘干脫水；其離心液送至矸石濃縮機。沉降過濾式離心機的濾液自流至精煤弧形篩入料筒。2臺原煤分級旋流器的溢流和弧形篩篩下水在添加捕收劑后，由泵打入分配箱，然后分別自流進入新增噴射式浮選機和原來的丹佛型浮選機分選。另外有4臺原煤分級旋流器的溢流，添加浮選劑后，自流進入原有的丹佛型浮選機分選。浮選尾礦排至矸石濃縮機，浮選精煤由盤式真空過濾機脫水回收，其濾餅卸至精煤膠帶輸送機。處理丹佛浮選機精煤的2臺盤式真空過濾機濾液返回丹佛浮選機；處理噴射式浮選機精煤的新設置的盤式真空過濾機的濾液返回分級旋流器的入料筒。

3 浮選指標

3.1 一期改造工程的浮選指標

2020年3月9日順利完成了一期升級改造工程調試任務，該工程實質上是解決粗精煤泥(螺旋分選機精礦)的脫水回收問題，其具體措施如下。

(1)用兩段串聯的弧形篩和沉降過濾式離心脫水機取代原有高頻脫水篩和EBW型離心脫水機，以強化粗精煤泥的脫泥脫水回收。

(2)為簡化流程，去除了第二段螺旋分選機和濾液濃縮旋流器。

新設置的弧形篩篩縫間隙為0.35 mm，能良好地控制好浮選入料粒度上限，據投產后采樣測試，浮選入料中錯配的大于0.5 mm粒級的低灰分煤粒約減少了6個百分點。沉降過濾式離心脫水機工藝性能良好，脫水產物中大于0.045 mm粒級的煤粒約能回收98%(占其入料)，小于0.045 mm的細泥約能回收50%(占其入料)，從而解決了系統中煤泥集聚的現象。

一期升級改造工程于2020年3月9日順利調試成功。入浮煤漿主要來自于6臺原煤分級旋流器的溢流，仍由現有的2臺丹佛(Denver)型機械攪拌式浮選機處理，在浮選時間基本相同(即煤漿處理量基本相同)的條件下，浮選精煤產率、精煤可燃體回收率、尾礦灰分都有大幅度提高(見表1)。

表1 一期改造升級工程前后浮選工藝指標(丹佛型浮選機)

按中國GB/T 34164—2017《選煤廠浮選工藝效果評定方法》[9]中的浮選工藝效果的指標—浮選完善指標ηif來進行評定：

ηif=E1-E2

(2)

式中：E1為精煤可燃體回收率，%；E2為精煤非可燃體混雜率，%。

式中：γc為精煤產率，%；Ac為精煤灰分，%；Af為入料灰分，%。

一期升級改造工程后的精煤產率提高了9.33個百分點，甚是可觀。精煤可燃體回收率提高了11.93個百分點，雖然浮選精煤灰分有所提高，但總體上講浮選精確性—浮選完善指標上升了7.44個百分點，效果是顯著的。

3.2 二期升級改造的浮選指標

二期升級改造工程實際上是解決浮選能力不足、指標不善的問題。具體的措施如下。

(1)新安裝1臺由中國制造的1組4室FJCA16-4型噴射式浮選機(單室容積為16 m3)。

中國的噴射式浮選機早在1967年就用于工業生產[3]，美國選用的是第三代FJCA型浮選機[4-5]，該型浮選機近年已在桑德斯選煤廠[6]和克萊塔選煤廠使用[7]，麥克盧爾河選煤廠是美國使用中國噴射式浮選機的第三座選煤廠。

(2)新設3臺帶有9個圓盤的盤式真空過濾機(其中1臺為增設，另2臺為更新原有陳舊的過濾機)。

2020年5月18日，噴射式浮選機以及與其配套的盤式真空過濾機順利投產。由于年久失修，2臺盤式過濾機濾液濃度過高，其中小于0.045 mm細泥含量高達44%～50%，濾液返回浮選作業后，嚴重影響了分選指標。研究表明，浮選入料中加入低灰超細煤顆粒(小于0.045 mm)后，粗煤顆粒 (大于0.074 mm)的浮選回收率也會降低[8]。為徹底解決過濾機的濾液問題，該廠先后于同年7月、11月進行了設備更新。表2列出了2020年12月1日至2021年1月5日共41個生產班的丹佛型浮選機和FJCA16-4型噴射式浮選機的分選指標的平均值(2種浮選機的浮選時間基本相同)。這段時間的全廠平均入選原料煤量為1 068.3 t/h，超過設計能力的12.45%。

表2 二期改造升級工程后丹佛型浮選機和噴射式浮選機分選指標對比

由表2可看出：

(1)丹佛型浮選機精煤灰分為11.99%，尾煤灰分為76.75%，精煤產率為68.35%，這樣指標是不錯的，而噴射式浮選機的指標更上一層樓，其精煤灰分比前者低1.54個百分點，而尾煤灰分卻高了5.48個百分點，達82.23%，精煤產率為72.71%，比前者高了4.36個百分點。

(2)丹佛型浮選機的精煤可燃體回收率為88.93%，這表明其原煤的可燃體損失率為：100.00%-88.93%=11.07%，噴射式浮選機的精煤可燃體回收率為92.96%，比前者高了4.03個百分點，其尾煤的可燃體損失率僅為7.04%。

(3)因為噴射式浮選機精煤灰分低，尾煤灰分高，所以分選精度高，浮選完善指標高達67.64%，比前者高了3.98個百分點。

圖4、圖5、圖6分別為該廠41個生產班的2種類型浮選機的精煤灰分、尾煤灰分及浮選完善指標成對對比。

圖4 精煤灰分比較

圖5 尾煤灰分比較

圖6 浮選完善指標比較

從以上圖4～圖6可直觀清晰地看出：

(1)噴射式浮選機大多數生產班的指標要好于丹佛型浮選機。

噴射式浮選機的浮選精煤灰分有39個生產班低于后者，即優勝率為95.12%；噴射式浮選機的浮選尾煤灰分有35個生產班高于后者，即優勝率為85.37%；噴射式浮選機的浮選完善指標有34個生產班高于后者，即優勝率為82.93%。

(2)噴射式浮選機的指標波動幅度小，操作平穩，浮選產物質量較為穩定。

從浮選精煤灰分來看，噴射式浮選機的波動范圍為9.34%～12.37%，幅度為3.03個百分點，而丹佛型浮選機的波動范圍為10.28%～14.82%，幅度為4.54個百分點。從尾煤灰分來看，噴射式浮選機的波動范圍為74.77%～89.42%，幅度為14.65個百分點，而丹佛型浮選機的波動范圍為65.33%～84.29%，幅度為18.96個百分點。從浮選完善指標來看，噴射式浮選機的波動范圍為58.23%～73.47%，幅度為15.24個百分點，而丹佛型浮選機的波動范圍為53.37%～70.32%，幅度為16.95個百分點。

3.3 對噴射式浮選機性能的簡要評論

噴射式浮選機分選效果好，分選精度高，選擇性好的原因有以下三點[9]。

(1)循環煤漿從噴嘴噴出瞬間壓力劇降，所析出的微泡有選擇性地粘附在疏水性良好、灰分低的煤粒上。美國的煤泥煤質普遍良好，單體解離程度高，富集了大量疏水性強的煤粒。噴射式浮選機適用于美國的大流量、低濃度、小于0.15 mm粒級的分級旋流器溢流的分選。

(2)噴射式浮選機機槽中布置了4個充氣攪拌裝置，充氣攪拌均勻，渦流程度小，有利于氣泡礦化。設置了假底，循環煤漿流態好，有助于礦化泡沫平穩上浮。

(3)只有4根直徑較細的吸氣管伸出浮選機液面，泡沫層能向兩側刮泡堰順暢地游動，加大了刮泡量。

通過對該浮選機的調試，認為該設備還有以下特點：

(1)過流部件采用了耐磨材料，沒有運動部件(除刮泡器外)，減少了浮選機的維護工作量。

(2)采用噴射原理，自吸空氣，不使用壓縮空氣，設備功率消耗低(功率消耗主要來自于循環泵)。

(3)便于調試和生產操作，麥克盧爾河選煤廠的噴射式浮選機的調試，只憑設備安裝使用說明書，即可獲得滿意效果，不需中方人員前來。之前的美國的桑德斯和克萊塔選煤廠也是如此。

4 經濟效益

最能表征升級改造工程效益的是全廠綜合浮選指標的改善，升級改造工程前后的指標見表3。

表3 升級改造工程前后的全廠綜合浮選指標

從表3可看出：

(1)一期升級改造工程解決了低灰粗顆粒進入浮選作業的問題，并顯著減緩細泥在生產系統中的積聚現象，在浮選精煤灰分增高1.25個百分點的情況下，尾煤灰分提高7.26個百分點，精煤產率增加了9.31個百分點，浮選完善指標上升了7.56個百分點。

(2)二期升級改造工程解決了浮選機生產能力不足的問題，并通過盤式過濾機設備更新，顯著減少了濾液中大量細泥循環的現象，在浮選精煤灰分增高1.10個百分點的情況下，尾煤灰分再提高了25.06個百分點，精煤產率再增加了18.38個百分點，浮選完善指標再上升了14.46個百分點，其上升幅度相當之大。

(3)從升級改造工程之前與二期升級改造之后的對比可看出：① 在浮選精煤灰分由9.07%增至11.42%，增幅為2.35個百分點的情況下，浮選尾煤灰分由46.13%升至78.45%，增幅為32.32個百分點；② 浮選選擇性的指標—浮選完善指標隨之升高，由42.63%升至64.65%，增幅為22.02個百分點；③ 尾煤的可燃體損失率由44.77%降至9.54%，降幅為35.23個百分點；④ 浮選精煤產率由42.30%升至69.99%，增幅高至27.69個百分點。按浮選作業入料量為145 t/h計算，浮選精煤增產39 t/h。以精煤每噸售價為100 美元，每年生產6 000 h計算，選煤廠每小時增收3 900美元，每年增收2 340萬美元。據估算，麥克盧爾河選煤廠升級改造投資不到5個月就可得到全部回收。

5 結 語

丹尼斯公司所承擔的麥克盧爾河選煤廠的升級改造工程設計和調試任務，取得了可喜可賀的成果。

增設了二段串聯的弧形篩和沉降過濾式離心脫水機，強化了粗精煤泥的脫水回收，杜絕了低灰分粗顆粒混入浮選作業，控制住浮選入料上限。

用3臺盤式真空過濾機取代原有陳舊老設備，解決了濾液濃度高、細泥含量大、返回浮選機惡化分選效果的困局。成功地采用了1臺中國的FJCA16-4型噴射式浮選機，解決了原有2臺丹佛型浮選機超負荷的難題，并且噴射式浮選機的分選指標全面好于丹佛型浮選機，對于提升全廠經濟效益，起到舉足輕重的作用。

該廠的升級改造工程顯著地提高了精煤產率，取得了可觀的經濟效益，投資回報期很短，令人興奮鼓舞。