中國噴射式浮選機研發的簡要回顧

吳大為，張賢賢，吳朝蕩，丁光耀，任利勤，張玉磊

(1.華北科技學院，河北 三河 063020；2.北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

中國的噴射式浮選機研發至今已50余年，文章對此作簡要回顧，謹獻給早年為開拓噴射式浮選機付出努力，現已逝世的，以王永山同志(原南山選煤廠黨委書記)為代表的選煤工作者。

1 對于旋流式浮選機的模仿

早期的黑龍江省鶴崗礦務局南山選煤廠是偽滿時期日本住友株式會社于1937年設計的爛尾工程，新中國成立后，雖經改擴建，但工藝仍落后，設備陳舊，并受當時蘇聯的“氣煤不設浮選”設計的影響，該廠的煤泥只用煤泥篩回收，致使煤泥水排至場外煤泥沉淀池，完全靠人工挖取。由于沉淀池面積過小，人工挖取效率低，導致大量煤泥流失，污染松花江水系。1965年南山選煤廠為改變落后面貌，決定增設浮選機，對于選用什么樣的浮選機提出兩項原則：一是先進，指標好；二是結構簡單，能夠自制。

當時出版發行的《煤炭譯叢》期刊中有一篇譯文，介紹了美國的旋流式浮選機，其充氣攪拌裝置為一個大錐角的旋流器(圖1)，工作時循環煤漿經泵加壓后，切線給入旋流器的圓筒部分，在旋流器壁的限制下，物料呈螺旋形旋轉運動，在底流口沿360°圓周甩向浮選機底部；壓縮空氣則從溢流管(進氣管)進入，被旋轉的煤漿切割成氣泡，從而實現充氣攪拌。

1—圓筒體；2—底流口；3—入料管；4—進氣管(溢流管)

該譯文中只有一張沒有標注任何尺寸的旋流攪拌器的照片，于是該廠組織十余人的攻關小組首先對其結構參數進行了優選，在此基礎上，制造了一臺總容積為6 m3的樣機，進行了半工業性試驗，試驗中將樣機分隔為6個室，每兩室配置一臺循環泵。

1966年10月該廠自制的兩臺容積為12 m3的旋流式浮選機(8室)順利投入生產，開創了我國煤用非機械攪拌、直流式浮選機的先河。

2 噴射旋流式浮選機

由于南山選煤廠的旋流式浮選機與跳汰機共用一個風源，跳汰機開停嚴重影響浮選機充氣量的大小，為了節省動力消耗，不單獨設置風源，借鑒了當時蘇聯的一種噴射式浮選機的工作原理[1]，為這兩臺旋流式浮選機加裝了噴射器，同時去除了旋流攪拌器的底流口。1967年4月，我國兩臺噴射式浮選機正式用于生產。其工作原理是：循環煤漿經泵加壓后，首先經過噴射器的噴嘴，將煤漿以近20 m/s的速度噴出進入旋流器的同時，在噴射室產生抽吸作用，形成了負壓，于是空氣從吸氣管吸入，裹卷到煤漿射流中，含氣煤漿進入旋流攪拌器，從其底口甩出后，對浮選機底部的煤漿實現充氣攪拌。

在20世紀50年代末至60年代初，蘇聯、澳大利亞等國相繼開始噴射式浮選的研發工作。噴射式浮選機的工藝特色是煤漿從噴嘴噴出的瞬間，壓力劇降，溶于煤漿中的氣體以微泡形式析出，并有選擇性地黏附在疏水性強的煤粒表面，提高了浮選速度和浮選的選擇性。多年來，噴射式浮選機在我國選煤生產中得到了廣泛應用，并在應用實踐中不斷改進和完善。

南山選煤廠邀請開灤煤炭科學研究所的顧少雄、彭維潤兩位同志來廠指導工作，共同為噴射旋流式浮選機進行結構優化，其中最為創新的亮點是在噴嘴中加裝了螺旋葉片，使加壓煤漿呈螺旋擴大狀噴出，加大了氣液兩相的接觸面積，增大了噴射室中的負壓，使得充氣量倍增。在優化工作的基礎上，完成了單室容積為4 m3的設計方案，研制了一臺4室一組的第一代噴射旋流式浮選機并投入生產并于1975年通過了原煤炭工業部的技術鑒定，并將其定型為XPM-4型噴射旋流式浮選機。該浮選機充氣攪拌裝置如圖2所示。在1976年澳大利亞悉尼召開的第7屆國際選煤大會上，中國代表介紹了相關成果，隨后該成果于1978年獲全國科學大會獎[2]。

1—噴嘴；2—吸氣管；3—噴射室；4—旋流器

3 XPM/FJC系列噴射式浮選機(長喉管式)

在20世紀70年代和80年代，由于我國煤礦采煤工作面大都采用坑木支護方式，導致原料煤中混雜的樹皮、木片等隨跳汰機精煤溢流進入浮選系統，頻繁堵塞浮選機的噴嘴，生產中遇堵塞時只得將整機的煤漿放凈后才能處理。為解決噴嘴頻繁堵塞的問題，借鑒其他工業領域所采用的噴射器的結構參數，取消了旋流攪拌器，將噴射室垂直定位于浮選機液位之上，當噴嘴堵塞時，只要打開噴射室上方的蓋板即可取出堵塞物，而不需放空浮選機內的煤漿。噴射室下方安裝一個垂直的喉管，喉管出口再安裝一個傘形分散器，將含氣煤漿射流按6個通道改向斜射到浮選機底部。改進后的充氣攪拌結構如圖3所示。在改進的基礎上，南山選煤廠自制了一組4室、單室容積為8 m3的第二代噴射式浮選機并用于生產，該設備于1982年通過原煤炭工業部的技術鑒定，并定型為XPM-8型噴射式浮選機[3]。之后，原煤炭科學研究總院唐山分院研發了深受選煤廠歡迎，具有結構合理、耐磨性強、效率高、動力消耗少等特點的噴射式浮選機煤漿循環渣漿泵。

1—吸氣管；2—噴射室；3—噴嘴；4—喉管；5—傘形分散器

1990年南山選煤廠又著手自行研制第三代設有假底的單室容積為16 m3的噴射式浮選機，于1993年將之應用于選煤生產，1994年通過了原東北煤炭工業總公司主持的技術鑒定，定型為XPM-16型噴射式浮選機[4]。將其在1998年澳大利亞布里斯班召開的第13屆國際選煤大會上，中國代表介紹了相關成果。

進入21世紀，北京國華科技集團有限公司憑借科技型企業的技術優勢，把噴射式浮選機的研發提升到新的高度，為了與國際接軌，將噴射式浮選機定型字母由漢語的“XPM”改為英文的“FJC”(由于其喉管較長，俗稱為長喉管浮選機)。自2002年開始，短短二三年內，完成了FJC型浮選機和配套循環泵的系列化，單室容積為4、6、8、12、16 m3的浮選機均在生產中推廣使用。在2004年北京召開的第17屆國際選煤大會上，中國代表介紹了相關成果。單室容積最大，總容積最大的FJC20-6型噴射式浮選機在淮北礦業集團臨渙選煤廠成功使用，并于2005年通過中國煤炭工業協會主持的技術鑒定。在此之后，單室容積為28、32、36、44 m3的FJC型噴射式浮選機也先后在多座選煤廠中使用。

FJC型噴射式浮選機絕大多數用于采用三產品重介質旋流器的煉焦煤選煤廠，其浮選入料來源于精煤泥弧形篩篩下水，弧形篩篩縫為0.4 mm，甚至更細一些。從理論上講，不存在煤粒堵塞噴嘴的現象，但為避免檢修時人為疏忽遺留雜物等堵塞噴嘴的偶發事件，在浮選機底部假底和槽底之間增設了金屬網篦，其孔徑小于浮選機噴嘴的直徑，基本上杜絕了雜物堵塞噴嘴的現象。

4 FJCA系列噴射式浮選機(短喉管式)

4.1 結構的改進

進入21世紀以來，重介質旋流器在煉焦煤選煤廠得到大力推廣，絕大多數浮選機的入料是精煤磁選機的尾礦，其中混雜有數量不等的磁鐵礦粉，這就加劇了浮選機過流部件的磨損。雖然FJC系列浮選機的噴嘴采用了高鉻鑄鐵材質，但體積相對龐大的喉管和傘形分散器從制造成本上考慮采用的是球墨鑄鐵，抗磨性差，致使有的選煤廠使用三四個月，喉管和傘形分散器已嚴重磨損，導致分選指標惡化。為解決磨損問題，研發了“浸沒式充氣攪拌裝置”(獲國家發明專利)，在XPM/FJC型噴射式浮選機的基礎上，對設備結構方面作了重大改進，開發了FJCA型浮選機結構示意如圖4所示。

1—分配室；2—噴射室；3—噴嘴；4—短喉管；5—吸氣管；6—壓力表；7—刮泡器；8—假底；9—槽體

由圖4可知FJCA型浮選機主要改進為：

(1)取消傘形分散器。從技術角度來看，設置傘形分散器是“多余”的，因為在噴嘴內鑄有導向葉片，加壓煤漿從噴嘴噴出呈螺旋擴大狀，它本身就可起到水力攪拌作用。另外，傘形分散器與煤漿射流的撞擊，會消耗部分攪拌能量。

(2)順時針和逆時針旋轉的噴嘴交錯布置。鑄有導向葉片的噴嘴，按葉片的旋轉方向分為順時針旋轉和逆時針旋轉兩種，在浮選室將它們交錯布置(圖5)。這種布置不但避免了浮選室底部相鄰的短喉管出口甩出的兩股旋轉煤漿迎面相碰產生渦流，而且能促使這兩股煤漿順流匯合，趨向兩側刮泡堰，增加了浮選機泡沫層的流動性，有助于泡沫的刮出。

圖5 短喉管旋轉甩出的煤漿流動示意圖

(3)噴射室浸沒到浮選室中部。將噴射室浸沒于浮選機中部，使得浮選機液面除了四根吸氣管外，沒有任何阻擋物，提高了泡沫層的流動性，而且使得喉管長度減少了約3/4，在這圓柱狀的短喉管內，粘貼硅鋁陶瓷片，徹底解決了噴射式浮選機噴嘴易磨損的難題。

4.2 工作原理

FJCA系列噴射式浮選機為直流式，對于單室容積在20 m3以下的浮選機，每兩室配置一臺循環泵；對于單室容積為20 m3以上的浮選機，每室配置一臺循環泵(圖6)。

1—浮選室；2—循環泵；3—放料閥；4—入料控制閥

FJCA系列噴射式浮選機的充氣攪拌裝置由噴射室、噴嘴、短喉管和吸氣管組成。由循環泵加壓后的煤漿經中心分配室進入噴射室，再經內腔鑄有導向葉片的噴嘴呈螺旋擴大狀噴出，此時壓力劇降，在噴射室中產生抽吸作用，空氣就從進氣管吸入，并裹卷在煤漿中；旋轉的煤漿從短喉管出口沿圓周甩出，撞擊到假底后又折線反射，形成“W”型煤漿運動形式，這種形式可降低充氣攪拌裝置的浸沒深度，穩定液面，增強氣泡礦化和泡沫的二次富集作用，防止粗粒煤的沉淀。每個浮選室中均勻布置4個充氣攪拌裝置，可增強浮選機的充氣均勻系數和充氣容積系數。

“帶有浸沒式充氣攪拌裝置”的噴射式浮選機的結構優化試驗是在容積為6 m3的試驗槽中完成的。為慎重起見，先后對FJC12、FJC16、FJC20型浮選機做了改裝試驗，在此基礎上制造了兩臺4室、單室容積為20 m3的噴射式浮選機，用于淮南礦業集團望峰崗選煤廠的煤泥粗選作業，成功地替換了德國KHD洪堡特普浮樂(噴射式)浮選機[5]。2010年該機通過了煤炭工業協會主持的技術鑒定，將中國第三代噴射式浮選機定型為FJCA20-4型浮選機，并形成單室容積為4、6、8、12、16 m3的系列產品。在2010年于美國列克星敦召開的第16屆世界選煤大會上，我國代表介紹了相關成果。

4.3 放大原則

工業設備的大型化是生產技術發展的必然趨勢。在機械攪拌式浮選機大型化的研發方面，研究者們早已根據流體流動形態提出了諸多相似準則，這些準則的基礎參數通常包含葉輪直徑和轉速不同形式的比值。而噴射式浮選機沒有葉輪，屬非機械攪拌式浮選機范疇，它的放大需開創新思路。

4.3.1 流體狀態相似準則

噴射式浮選機是依靠循環煤漿來實現水力攪拌和充氣的，循環煤漿的流量和強度(壓力)決定了浮選機的流體流動狀態，它直接影響充氣攪拌均勻程度，而浮選工藝指標又和充氣攪拌程度緊密相關。

充氣攪拌裝置是噴射式浮選機的核心部件，研究者在淮南望峰崗選煤廠和臨渙選煤廠分別用FJCA20-4型浮選機和FJCA16-4型浮選機進行了工業性成對對比試驗來優化噴射器的工作壓力和噴嘴出口直徑[6-9]。將五六次對比試驗結果——浮選完善指標，用數理統計學的t檢驗法來判定。判定表明工作壓力為0.15 MPa時效果更好。

在0.15 MPa的工作壓力條件下，對采用不同噴嘴直徑的兩臺浮選機進行了對比試驗，優化出了適宜的直徑。根據獲得的每個浮選室最佳循環量(Q)，可計算出了單位容積循環量(Q0)：

(1)

式中：V為浮選室單室容積，m3。

單位容積循環量的含義是每立方米浮選機容積每小時最佳循環量為多少。將其作為FJCA系列噴射式浮選機的流動狀態相似準數，即浮選機放大的最為基礎的數據。

之后，研究者們在潘一選煤廠對不同斷面形狀的FJCA-20型浮選機進行了14次成對對比工業性試驗。數據統計表明，有99%的把握判定，矩形斷面形狀的工藝指標要好于倒梯形斷面的工藝指標[8-9]。

4.3.2 幾何條件相似

幾何條件相似是指浮選機中各主要部件的幾何形狀和尺寸相似，隨著浮選機容積的放大，循環量就依據單位容積循環量相同的原則按比例增大，此時要改變的是噴嘴出口直徑(d)，其計算式為：

(2)

式中：d為噴嘴出口直徑，m；Q1為單個噴嘴流量，Q1=Q0/4，m3/h；μ為流量系數，取μ=0.94；g為重力加速度，m/s2；H為噴嘴工作壓力，取H=0.15 MPa。

確定d值后，整個噴射室的結構尺寸就可取得了。同時，在容積為6 m3的試驗平臺上完成了噴射式浮選機喉管的三個結構參數，即短喉管的內徑(D)、長度(L)、及短喉管出口至假底距離(h)的優化。將以上三個參數與噴嘴出口直徑d的比值作為幾何放大的比例系數。

4.3.3 邊界條件相似

邊界條件相似是指浮選機入料和出料的煤漿流動狀況相似，具體要求是煤漿沿浮選室底部全寬均勻地以<0.15 m/s的水平流速慢速流動。

FJCA型噴射式浮選機放大原則獲國家發明專利，在此基礎上研發的FJCA24、FJCA28、FJCA36、FJCA46型浮選機先后投入使用。在2016年俄羅斯圣彼得堡召開的第18屆世界選煤大會上，我國代表介紹了相關成果。

4.4 FJCA36型噴射式浮選機充氣攪拌性能試驗

FJCA36型噴射式浮選機是按照放大原則開發的，單室容積為36 m3，室深為2.35 m，液面尺寸4.00 m×4.00 m的大型設備。2014年對已投入生產使用的潘一東選煤廠的FJCA36-4型浮選機進行了清水試驗，測量水平共5層，有320個測點[7]，測點設置如圖4所示，測試結果見表1。

表1 FJCA36型浮選機充氣攪拌性能指標

4.5 應用效果

以潘集選煤廠的FJCA36-4型噴射式浮選機的工藝指標為案例作一介紹。淮南礦業集團潘集選煤廠為一座入選能力為12.0 Mt/a的礦區型特大選煤廠，采用的是大型無壓給料三產品重介質旋流器+煤泥重介質旋流器+煤泥浮選的聯合分選工藝，該廠于2018年3月全面投產。

鑒于淮南煤田的煤泥高灰細泥含量多、可浮性差，該廠采用了脫泥池預先脫泥、煤泥粗選+精選、精選泡沫由加壓過濾機脫水回收的聯合工藝。煤泥粗選+精選作業皆采用FJCA36-4型噴射式浮選機。

2018年12月，對潘集選煤廠入選2號原煤時的浮選生產系統進行了采樣分析。浮選煤泥粒度組成見表2。實驗室分步釋放浮選試驗結果見表3[7]。

表2 浮選煤泥粒度組成

表3 實驗室分步釋放浮選試驗結果

由表2可知：入選煤泥的主導粒級是<0.030 mm的細泥，其灰分為52.84%，產率高達45.61%，說明細泥中富集了高灰分的礦物質，是影響浮選精煤質量的最主要因素。

由表3可知：經過1次粗選、4次精選后，精煤灰分才會降到11%以下，這是高灰細泥黏附在氣泡上的緣故，因此可判定此煤泥是難浮的。

潘集選煤廠浮選生產系統工藝指標見表4。

表4 潘集選煤廠浮選生產系統工藝指標

由表4數據可以判定潘集選煤廠FJCA36-4型噴射式浮選機將從可浮性極差、細泥量多、灰分高的煤泥中分選出灰分低于10%的精煤和灰分高于60%的尾煤，分選完善指標為56.57%，工藝效果良好。尤其是浮選精煤數量指數為123.03%，該指標是實際精煤產率與實驗室分步釋放試驗的相同精煤灰分時的精煤產率百分比值。而實驗室試驗用浮選機(容積為1.5 L，葉輪直徑為60 mm，轉速為1 800 r/min)的充氣攪拌流態遠差于FJCA36型浮選機，因此其精煤數量指標大于100%，就不足為奇了。

另外，自2017年開始，FJCA型噴射式浮選機在美國西弗吉尼亞州的桑德斯(Sannders)選煤廠、克萊塔(Caretta)選煤廠及弗吉尼亞州的麥克盧爾河(McclureRiver)選煤廠成功使用。讓美國選煤界關注到了中國的噴射式浮選機出色的浮選性能[10-12]。

5 結語

具有自主知識產權的噴射式浮選機的研發已有半個多世紀的歷程，它是幾代選煤工作者不忘初心、團隊合作、克服困難、努力工作、勇于創新的真實寫照。

進入21世紀以來，北京國華科技集團將噴射式浮選機的研發工作提升到新階段。因該系列設備分選效果好，既適用于難浮煤，又適用于易浮煤，且結構簡單、耐磨性好、維修方便，有良好的性價比，至今已有FJC型、FJCA型噴射式浮選機約700臺用于生產，其中FJCA型有400余臺。

然而，還應充分認識到FJCA系列噴射式浮選機還有諸多課題待需開展，例如浮選機單位容積循環量的優化，是針對粗選作業整機而言，浮選機各分室的煤漿性質大不相同，今后應該考慮到分室優化。實施煤泥精選是我國選煤發展的必然趨勢，用于精選作業的浮選機其入料性質與粗選入料有極大的差別，更有必要對結構參數進行優化，研發出適用于煤泥精選的噴射式浮選機。