XJM-KS系列浮選機礦化器的研究與應用

魏昌杰,宋云霞

(1.中煤科工集團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研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-KS系列浮選機礦化器的研究與應用

魏昌杰1,2,宋云霞1,2

(1.中煤科工集團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研究中心，河北 唐山 063012)

為解決與XJM-S系列浮選機配套的礦漿預處理器在設備大型化和老廠改造過程中出現的問題，研制出具有礦漿預處理功能的礦化器。對礦化器的流體力學特性進行研究，分析了影響其工作效果的主要結構參數，并提出礦化器結構參數的確定方法。研究表明：影響礦化器工作效果的主要結構參數為礦化器橫截面面積比m，當m取值范圍在4～6時，煤泥浮選效果良好；就應用效果來說，采用礦化器的XJM-KS系列浮選機優于采用礦漿預處理器的XJM-S系列浮選機。

礦漿預處理；礦化器；真空度；流體力學；相似放大準則

礦漿預處理設備是提高浮選機處理能力，強化煤泥分選機制的關鍵設備，該設備與浮選機聯合使用是國內選煤廠煤泥浮選工藝中廣泛應用的方式。目前的礦漿預處理設備主要包括礦漿預處理器、礦漿準備器、跌落箱、表面改質機等[1]，生產實踐表明，礦漿預處理器與浮選機聯合使用，具有操作簡單，處理能力大，礦化效果好等優點，深受各大選煤廠歡迎。隨著選煤設備大型化要求的提高，浮選設備也不斷向大型化發展[2]。XJM-S系列浮選機是我國選煤廠使用的主要浮選機，引領著我國浮選機的發展方向。從2002年到2012年，XJM-S系列浮選機的單槽容積從16 m3擴大到60 m3，設備體積急劇增大，與之配套的礦漿預處理器體積也相應增大，而這無疑增加了廠房占地面積，導致選煤廠土建投資明顯增大[3]。此外，隨著采煤機械化程度的提高，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要求，需要生產能力更大的浮選設備，而受原有廠房面積的限制，擴大浮選能力的技術改造十分困難。

針對這些問題，中煤科工集團唐山研究院有限公司研制出一種體積小、預處理效果好的礦漿預處理裝置——礦化器[4]。位于入料端的礦化器與浮選機機體集為一體，共同組成XJM-KS系列浮選機，大大減小了浮選系統的占地面積。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選，礦化后的氣泡直接由浮選機精選，有利于簡化浮選工藝和強化分選機制。此外，該礦化器還具有管道擴徑穩壓、噴射器射流吸氣與微泡選擇性析出、湍流彌散空氣、微泡礦化預選等多種功能，對煤泥高效浮選具有重要意義。從工作原理、流體力學特性、應用效果方面對礦化器進行分析，力求完善其基礎理論。

1 礦化器結構及工作原理

1.1 結構

根據射流原理[5-7]和噴射器[8-10]的結構特點，設計出具有礦漿預處理功能的礦化器。該礦化器是一種體積小、無運動部件、礦化效果好、占地面積小且能簡化浮選工藝的裝置，具有藥劑霧化和氣、液、固三相混合及強化分選機制的功能[11-12]。礦化器主要由壓力室、噴嘴、吸入室、吸入管、喉管、擴散管組成(圖1)，噴嘴由1個中心噴嘴和6個均布噴嘴組成(圖2)。

圖1 礦化器結構簡圖

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入喉管，喉管內的霧化藥劑與礦漿通過液體質點間的相互撞擊來傳遞能量。藥劑和礦漿混合過程中產生大量旋渦，強湍流使霧化藥劑與礦漿充分混合，并實現被選物料的預選，礦化后的氣泡直接進入浮選機精選，該方式有利于提高浮選效果。

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

表1 XJM-KS系列浮選機礦化器主要參數

2 礦化器流體力學特性

對礦化器的流體力學特性進行分析，研究其流體力學參數和工藝參數、結構參數。礦化器結構示意圖及其基本參數如圖3所示。

1—壓力室；2—噴嘴；3—吸入管；4—喉管；5—擴散管

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；φ2為喉管流速系數；φ3為擴散管流速系數；φ4為喉管入口段流速系數。

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

2.1 礦化器的相對真空度

以圖3礦漿入口橫截面A-A和噴嘴出口橫截面B-B為研究對象，對礦化器內的流體運動特征進行分析。礦漿經給料泵加壓后，以較大的速度從B-B噴嘴橫截面噴出，此時混合室內產生一定的負壓，空氣經吸氣管進入混合室。吸入的空氣在喉管及擴散管內被高速射流卷裹切割后形成微泡，完成礦漿充氣、氣水攪拌、氣泡礦化整個過程。

分析礦漿由A-A橫截面至B-B橫截面的運動，建立流體運動的伯努利方程和連續性方程[13]：

(1)

A1v1=A2v2，

(2)

(3)

(4)

式中：Z1、Z2分別為位置標高，m；P1、P2分別為靜水壓強，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為動能修正系數；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為相對真空度，MPa。

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

由式(5)可計算出XJM-KS系列浮選機工作時的相對真空度，當入料壓力為0.06 MPa，入料礦漿密度為1.03 kg/cm3時，計算結果如表2所示。

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

表2 XJM-KS系列浮選機的相對真空度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系列浮選機已投入工業應用，目前已應用的四種規格礦化器結構參數如表3所示。

表3 XJM-KS系列浮選機礦化器結構參數

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

3 設備布置

設備布置時預留空間必須滿足操作和檢修要求，不同設備的預留空間不同，XJM-S系列浮選機和XJM-KS系列浮選機的設備布置如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：XJM-S系列浮選機的礦漿預處理器所占廠房面積約為浮選系統的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浮選機與XJM-S16浮選機技術參數對比結果如表4所示。由表4可知：除入料泵揚程略有增加外，XJM-KS16浮選機的占地面積和廠房高度均小于XJM-S16浮選機。

圖4 XJM-S系列浮選機布置圖

圖5 XJM-KS系列浮選機布置圖

設備名稱礦漿處理量/(m3·h-1)入料壓力/Pa入料泵揚程/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為浮選機布置層的層高

4 應用效果

采用礦化器的XJM-KS系列浮選機分別在介休長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系列浮選機與采用礦漿預處理器的XJM-S系列浮選機的產品指標對比結果如表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系列浮選機的尾煤灰分和精煤產率均高于XJM-S系列浮選機，說明XJM-KS系列浮選機的浮選效果更好，也說明礦化器的研究和使用很成功。

表5 不同型號浮選機的產品指標對比結果

5 結論

(1)目前，礦漿預處理設備限制了浮選機的大型化發展和老廠改造，為解決這一問題，研究出具有簡化浮選工藝和強化分選機制的礦化器，該裝置與浮選機集為一體，可節省1/3～1/5的廠房面積。

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

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

[1] 李 振，劉炯天，閆小康，等. 浮選過程中攪拌調漿特性研究[J]. 中國礦業大學學報，2011(1).

[2] 程宏志, 張孝鈞，石 煥，等. XJM-(K) S系列浮選機研究現狀與展望[J].選煤技術，2008(4).

[3] 程宏志, 張孝鈞, 石 煥，等. 我國選煤用機械攪拌式浮選機的新進展[J]. 選煤技術，2006(5).

[4] 程宏志，張孝鈞，石 煥，等. XJM - KS20大型浮選機的研究[J]. 選煤技術，2006(S1).

[5] 袁丹青. 多噴嘴射流泵流場的數值模擬及試驗研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[6] 向清江，袁壽其，何培杰，等. 液氣射流泵內部流場的數值計算[J]. 江蘇大學學報(自然科學版),2008(3).

[7] 袁丹青，王冠軍，烏 駿，等. 多噴嘴射流泵數值模擬及試驗研究[J]. 農業工程學報,2008，9(10).

[8] 朱金波，吳大為，周 偉. 噴射式浮選機充氣攪拌裝置內流體阻力分析[J].安徽理工大學學報(自然科學版),2011(2).

[9] 王海艷，朱金波，江明東，等. FJCA20型煤用噴射式浮選機流場分布規律的初步研究[J]. 煤炭加工與綜合利用，2011(5).

[10] 江明東，王微微，閆銳敏，等. 噴射式浮選機浸沒式充氣攪拌裝置結構參數的試驗[J]. 潔凈煤技術， 2011(1) .

[11] 龍新平，朱勁木. 射流泵內部流動的數值模擬[J]. 武漢大學學報(工學版)，2002(6).

[12] 龍新平，蔡標華，呂俊賢，等. 射流泵汽蝕參數分析[J]. 武漢大學學報(工學版)， 2004(5).

[13] 張鳴遠，景思睿，李國君. 高等工程流體力學[M]. 西安：西安交通大學出版社，2006:73-81.

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，陜西省旬陽縣人，助理研究員，碩士，從事選煤廠設計、浮選設備的研究與開發工作。

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