XJM-S90型浮選機的研制與應用

史英祥

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

XJM-S系列浮選機是針對煤泥浮選粒度范圍寬、充氣量需求大等特點，經過中煤科工集團唐山研究院有限公司幾代科研人員不斷地改進和創新，逐漸發展起來的系列化煤泥浮選專用設備，在國內選煤廠應用最為廣泛[1-5]。目前，單槽容積為90 m3的XJM-S90型浮選機是該系列處理能力最大的浮選機[6-7]。該浮選機采用了相似放大與計算流體力學數值模擬相結合的設計方法，確立了槽體尺寸、葉輪直徑、葉輪厚度、葉輪轉速、浸沒深度、攪拌軸功率及充氣速率等關鍵技術參數，其性能通過了國家選煤機械質量監督檢驗中心的檢驗[8]，并于2016年成功應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型浮選機的研制

1.1 XJM-S90型浮選機的關鍵結構參數設計

礦物浮選是一個在固-液-氣三相紊流場中發生的極其復雜的物理化學過程[9]，進而決定了浮選機的設計方法大多以經驗公式為基礎。XJM-S90型浮選機關鍵結構參數的設計，秉承了該系列浮選機的相似放大設計經驗[10-11]，其幾何與動力參數的設計經驗公式如下：

(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，無因次；Qa為充氣量，m3/s；N為葉輪轉速，r/min；Np為功率數，無因次；P為攪拌功率，kW；ρ為礦漿的密度，kg/m3；式中常數為XJM-S型浮選機的經驗系數。

浮選機矩形槽體、方形橫截面設計，經過經驗公式計算，XJM-S90型浮選機的關鍵技術參數設計如下：

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型浮選機的流場模擬

利用CFD技術對XJM-S90型浮選機進行了液相模擬，實體模型的網格劃分采用了結構化網格方法，擁有19 477 870個網格節點和18 787 689個結構網格。流場模擬采用PISO算法耦合壓力-速度模型，流場計算采用多重參考系法(MRF)，湍流區域采用標準κ-ε模型計算。數值模擬的主要初始條件為：①清水介質。進口礦漿流量為2 200 m3/h，進口截面速度為0.317 m/s，出口為自由出流；②浮選機葉輪為順時針旋轉。XJM-S90型浮選機三維模型透視圖如圖1所示。

圖1 XJM-S90型浮選機三維模型透視圖

當葉輪旋轉速度為121 r/min時，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動，上部流動平穩，符合浮選過程要求，分選區域流場成“W”狀態；穩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；穩流板區域與其上部區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域(精礦刮出區域)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

當葉輪轉速為121 r/min時，葉輪定子區域流場壓力、流線與速度矢量圖如圖6—圖9所示。

圖6 葉輪區域全壓圖

圖7 定子及蓋板全壓圖

圖8 葉輪-定子區域流線圖

圖9 葉輪-定子區域速度矢量圖

由圖6—圖9可以看出，葉輪負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，處于定子里側礦漿入口處，定子外側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湍流耗散率急劇降低，同時湍動能和湍流強度也由10.25 m2/s2、2.61分別降低至4.18 m2/s2、1.67，表明礦漿在定子區域發生強烈的碰撞，從而使礦漿的速度、動能大幅降低。

流場模擬計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型浮選機葉輪的吸漿與排漿能力非常強，能夠實現礦漿量較高的處理能力；仿真模擬計算出的XJM-S90浮選機實際消耗功率為133.36 kW，這與經驗公式得出的結果相差較大。

1.3 XJM-S90型浮選機技術參數與特點

根據清水試驗與流場模擬特征分析，優化后XJM-S90型浮選機的結構如圖10所示，主要技術參數[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葉輪轉速/(r·min-1)121刮板轉速/( r·min-1)25攪拌電機功率/kW160清水攪拌輸入功率/kW92.49充氣速率/(m3·m-2·min-1)0.814充氣均勻系數/%83.97整機運轉噪聲/dB(A)75.9四室外形尺寸/mm×mm×mm26 096×6 278×5 388

1—入料箱；2—雙刮板刮泡機構；3—操作臺及護欄；4—驅動裝置；5—攪拌機構；6—葉輪；7—定子；8—吸漿錐；9—假底穩流板；10—埋沒式中礦箱

XJM-S90型浮選機符合大型XJM-S系列浮選機的設計風格，具有以下特點：

(1)寬范圍大區域刮泡，采用雙刮泡機構，更有利于浮選槽中間部位的高濃度表層泡沫及時刮出，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)礦漿下循環通道吸漿錐設計，降低了葉輪下方區域礦漿流速與動能損失，減少了通道壁及底板磨損。這也是XJM-S系列浮選機的一項專利(ZL201420572025.4)。

2 XJM-S90型浮選機的應用

2015年8月至2016年4月，XJM-S90型浮選機在朔中選煤廠進行了工業試驗。朔中選煤廠是一座入選能力為11.0 Mt/a的動力煤(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，煤泥進行工業浮選生產的幾率很少，根據前期針對長焰煤煤泥的浮選特性的大量試驗研究表明，在使用適當的浮選藥劑時，朔中選煤廠煤泥灰分可降低高達12個百分點以上，精煤產率>50%[12-15]。為開拓長焰煤煤泥提質增效的新途徑，朔中選煤廠于2015年5月完成了浮選車間建設，經過3個月的工藝調試、浮選藥劑工業試驗后，成功進入XJM-S90浮選機的工業應用階段，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，生產結果見表1。

表1 2015年9月14日至10月4日浮選機生產指標統計結果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浮選機的工業應用是成功的，具有以下特點：

(1)浮選精度高、選擇性好。針對難浮選的長焰煤，當入料灰分為26.70%時，取得了精煤灰分為14.16%、尾煤灰分為47.04%、精煤產率為61.64%的浮選效果，灰分平均降低了12.54個百分點，與試驗研究階段結果相當，達到了預期目標。

(2)處理能力大。XJM-S90浮選機礦漿通過能力為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)的生產需要。

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

(4)適應性強。朔中選煤廠入料濃度在20～70 g/L之間波動，XJM-S90浮選機在低濃度波動條件下取得了良好的浮選效果，指標穩定可靠。

3 結語

選煤廠大型化發展已成明顯趨勢，XJM-S90型浮選機的研制及其成功應用是XJM-S系列浮選機又一次成功的大型化技術創新。清水試驗表明，該浮選機充氣速率為0.814 m3/(m2·min)，充氣均勻系數為83.97%，均超過JB/T 3686.2—1999《煤用浮選機試驗方法》要求指標。工業性試驗表明，XJM-S90型浮選機單位容積礦漿處理能力為6.23 m3/(m3·h)，功耗指數(單位容積浮選槽的實際消耗功率)為1.44 kW/m3，生產運行平穩，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，為我國大型選煤廠的設計與浮選技術改造提供了設備支持。