XJM-KS系列浮选机矿化器的研究与应用

魏昌杰,宋云霞

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-KS系列浮选机矿化器的研究与应用

魏昌杰1,2,宋云霞1,2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

为解决与XJM-S系列浮选机配套的矿浆预处理器在设备大型化和老厂改造过程中出现的问题，研制出具有矿浆预处理功能的矿化器。对矿化器的流体力学特性进行研究，分析了影响其工作效果的主要结构参数，并提出矿化器结构参数的确定方法。研究表明：影响矿化器工作效果的主要结构参数为矿化器横截面面积比m，当m取值范围在4～6时，煤泥浮选效果良好；就应用效果来说，采用矿化器的XJM-KS系列浮选机优于采用矿浆预处理器的XJM-S系列浮选机。

矿浆预处理；矿化器；真空度；流体力学；相似放大准则

矿浆预处理设备是提高浮选机处理能力，强化煤泥分选机制的关键设备，该设备与浮选机联合使用是国内选煤厂煤泥浮选工艺中广泛应用的方式。目前的矿浆预处理设备主要包括矿浆预处理器、矿浆准备器、跌落箱、表面改质机等[1]，生产实践表明，矿浆预处理器与浮选机联合使用，具有操作简单，处理能力大，矿化效果好等优点，深受各大选煤厂欢迎。随着选煤设备大型化要求的提高，浮选设备也不断向大型化发展[2]。XJM-S系列浮选机是我国选煤厂使用的主要浮选机，引领着我国浮选机的发展方向。从2002年到2012年，XJM-S系列浮选机的单槽容积从16 m3扩大到60 m3，设备体积急剧增大，与之配套的矿浆预处理器体积也相应增大，而这无疑增加了厂房占地面积，导致选煤厂土建投资明显增大[3]。此外，随着采煤机械化程度的提高，粉煤量急剧增加，煤泥的可浮性变差，部分选煤厂原有的浮选能力已不能满足生产要求，需要生产能力更大的浮选设备，而受原有厂房面积的限制，扩大浮选能力的技术改造十分困难。

针对这些问题，中煤科工集团唐山研究院有限公司研制出一种体积小、预处理效果好的矿浆预处理装置——矿化器[4]。位于入料端的矿化器与浮选机机体集为一体，共同组成XJM-KS系列浮选机，大大减小了浮选系统的占地面积。该装置主要利用管式微泡矿化器来完成浮选药剂的分散和被选物料的预选，矿化后的气泡直接由浮选机精选，有利于简化浮选工艺和强化分选机制。此外，该矿化器还具有管道扩径稳压、喷射器射流吸气与微泡选择性析出、湍流弥散空气、微泡矿化预选等多种功能，对煤泥高效浮选具有重要意义。从工作原理、流体力学特性、应用效果方面对矿化器进行分析，力求完善其基础理论。

1 矿化器结构及工作原理

1.1 结构

根据射流原理[5-7]和喷射器[8-10]的结构特点，设计出具有矿浆预处理功能的矿化器。该矿化器是一种体积小、无运动部件、矿化效果好、占地面积小且能简化浮选工艺的装置，具有药剂雾化和气、液、固三相混合及强化分选机制的功能[11-12]。矿化器主要由压力室、喷嘴、吸入室、吸入管、喉管、扩散管组成(图1)，喷嘴由1个中心喷嘴和6个均布喷嘴组成(图2)。

图1 矿化器结构简图

图2 喷嘴布置图

1.2 工作原理

工作过程中，矿浆以一定的压力给入矿化器压力室，再通过喷嘴以一定的速度喷出。由于射流与空气之间的粘滞作用，喷嘴附近的空气被带走，并在此形成低压区域；药剂和空气被吸入吸入管，并在其中雾化，然后随高速矿浆一同进入喉管，喉管内的雾化药剂与矿浆通过液体质点间的相互撞击来传递能量。药剂和矿浆混合过程中产生大量旋涡，强湍流使雾化药剂与矿浆充分混合，并实现被选物料的预选，矿化后的气泡直接进入浮选机精选，该方式有利于提高浮选效果。

矿化器目前主要安装在XJM-KS系列浮选机上，主要参数(矿浆通过量、入料压力、喷嘴数量)如表1所示。由表1可知：四种规格矿化器的入料压力相同，喷嘴数量相同；随着浮选机尺寸的增大，矿化器矿浆通过量也随之增大。

表1 XJM-KS系列浮选机矿化器主要参数

2 矿化器流体力学特性

对矿化器的流体力学特性进行分析，研究其流体力学参数和工艺参数、结构参数。矿化器结构示意图及其基本参数如图3所示。

1—压力室；2—喷嘴；3—吸入管；4—喉管；5—扩散管

图3中Q1为矿浆流量，m3/h；Q2为药剂和空气流量，m3/h；Q为空气、药剂、矿浆的总流量，即Q=Q1+Q2，m3/h；H1为入料矿浆压力，m3/h；H2为矿化器出口压力，m3/h；A0为矿化器喷嘴出口横截面面积，m2；A1为喉管横截面面积，m2；φ1为喷嘴流速系数；φ2为喉管流速系数；φ3为扩散管流速系数；φ4为喉管入口段流速系数。

在流体力学特性分析过程中，矿化器的基本方程均采用无量纲参数表述，无量纲参数包括流量比(q=Q2/Q1)、扬程比(h=H2/H1)、横截面面积比(m=A1/A0)。

2.1 矿化器的相对真空度

以图3矿浆入口横截面A-A和喷嘴出口横截面B-B为研究对象，对矿化器内的流体运动特征进行分析。矿浆经给料泵加压后，以较大的速度从B-B喷嘴横截面喷出，此时混合室内产生一定的负压，空气经吸气管进入混合室。吸入的空气在喉管及扩散管内被高速射流卷裹切割后形成微泡，完成矿浆充气、气水搅拌、气泡矿化整个过程。

分析矿浆由A-A横截面至B-B横截面的运动，建立流体运动的伯努利方程和连续性方程[13]：

(1)

A1v1=A2v2，

(2)

(3)

(4)

式中：Z1、Z2分别为位置标高，m；P1、P2分别为静水压强，Pa；γ为矿浆重度，N/m3；g为重力加速度，m/s2；v1、v2为矿浆速度，m/s；α1、α2为动能修正系数；hw为水头损失，m；A1、A2分别为矿浆入口和喷嘴出口横截面面积，m2；d1、d2分别为矿浆入口和喷嘴出口横截面直径，m。

将式(2)、(3)、(4)代入(1)，得：

(5)

式中：ΔP为相对真空度，MPa。

由式(5)可知：在矿化器喷嘴型号相同的情况下，当入料压力一定时，水头损失hw是一个定值；当d1、d2一定时，矿化器内形成的相对真空度与矿浆流量的二次方成正比。

由式(5)可计算出XJM-KS系列浮选机工作时的相对真空度，当入料压力为0.06 MPa，入料矿浆密度为1.03 kg/cm3时，计算结果如表2所示。

由表2可知：矿化器的相对真空度平均值为-0.093 5 MPa，说明矿化器工作时的相对真空度为-0.093 5 MPa。

表2 XJM-KS系列浮选机的相对真空度Table 2 Relative vacuum degree of XJM-KS series flotation machine

2.2 矿化器横截面面积比的确定

XJM-KS系列浮选机已投入工业应用，目前已应用的四种规格矿化器结构参数如表3所示。

表3 XJM-KS系列浮选机矿化器结构参数

由表3可知：m的最大值为6.04，最小值为3.45。生产实践表明，当m取值在4～6时，煤泥浮选效果良好。

3 设备布置

设备布置时预留空间必须满足操作和检修要求，不同设备的预留空间不同，XJM-S系列浮选机和XJM-KS系列浮选机的设备布置如图4、图5所示。由图4、图5可知：XJM-S系列浮选机的矿浆预处理器所占厂房面积约为浮选系统的1/3～1/5，占地面积大，且要求厂房高度更高；采用矿化器的XJM-KS系列浮选机布置紧凑，空间利用合理，占地面积更小，整体投资少。

XJM-KS16浮选机与XJM-S16浮选机技术参数对比结果如表4所示。由表4可知：除入料泵扬程略有增加外，XJM-KS16浮选机的占地面积和厂房高度均小于XJM-S16浮选机。

图4 XJM-S系列浮选机布置图

图5 XJM-KS系列浮选机布置图

设备名称矿浆处理量/(m3·h-1)入料压力/Pa入料泵扬程/m占地面积/(mm×mm×mm)厂房高度/mXJM-KS165000.06～0.10H+814175×3450×3433H1XJM-S165000.05H+518175×3450×3433H1+2.40

注：H为几何高度，H1为浮选机布置层的层高

4 应用效果

采用矿化器的XJM-KS系列浮选机分别在介休长丰选煤厂和洪洞恒富煤化有限公司选煤厂投入使用，采用矿化器的XJM-KS系列浮选机与采用矿浆预处理器的XJM-S系列浮选机的产品指标对比结果如表5所示。

由表5可知：在入料灰分和入料量相同的情况下，XJM-KS系列浮选机的尾煤灰分和精煤产率均高于XJM-S系列浮选机，说明XJM-KS系列浮选机的浮选效果更好，也说明矿化器的研究和使用很成功。

表5 不同型号浮选机的产品指标对比结果

5 结论

(1)目前，矿浆预处理设备限制了浮选机的大型化发展和老厂改造，为解决这一问题，研究出具有简化浮选工艺和强化分选机制的矿化器，该装置与浮选机集为一体，可节省1/3～1/5的厂房面积。

(2)矿化器的真空度分析结果表明，在矿化器喷嘴型号相同的情况下，当入料压力一定时，水头损失hω是一个定值；当d1、d2一定时，矿化器的相对真空度与矿浆流量平方成正比，其工作时的相对真空度为-0.093 5 MPa。分析矿化器的结构参数可知，当m取值在4～6时，煤泥浮选效果良好。

(3)就应用效果来看，采用矿化器的XJM-KS浮选机优于XJM-S系列浮选机，说明矿化器的研究和应用是成功的。

[1] 李 振，刘炯天，闫小康，等. 浮选过程中搅拌调浆特性研究[J]. 中国矿业大学学报，2011(1).

[2] 程宏志, 张孝钧，石 焕，等. XJM-(K) S系列浮选机研究现状与展望[J].选煤技术，2008(4).

[3] 程宏志, 张孝钧, 石 焕，等. 我国选煤用机械搅拌式浮选机的新进展[J]. 选煤技术，2006(5).

[4] 程宏志，张孝钧，石 焕，等. XJM - KS20大型浮选机的研究[J]. 选煤技术，2006(S1).

[5] 袁丹青. 多喷嘴射流泵流场的数值模拟及试验研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[6] 向清江，袁寿其，何培杰，等. 液气射流泵内部流场的数值计算[J]. 江苏大学学报(自然科学版),2008(3).

[7] 袁丹青，王冠军，乌 骏，等. 多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究[J]. 农业工程学报,2008，9(10).

[8] 朱金波，吴大为，周 伟. 喷射式浮选机充气搅拌装置内流体阻力分析[J].安徽理工大学学报(自然科学版),2011(2).

[9] 王海艳，朱金波，江明东，等. FJCA20型煤用喷射式浮选机流场分布规律的初步研究[J]. 煤炭加工与综合利用，2011(5).

[10] 江明东，王微微，闫锐敏，等. 喷射式浮选机浸没式充气搅拌装置结构参数的试验[J]. 洁净煤技术， 2011(1) .

[11] 龙新平，朱劲木. 射流泵内部流动的数值模拟[J]. 武汉大学学报(工学版)，2002(6).

[12] 龙新平，蔡标华，吕俊贤，等. 射流泵汽蚀参数分析[J]. 武汉大学学报(工学版)， 2004(5).

[13] 张鸣远，景思睿，李国君. 高等工程流体力学[M]. 西安：西安交通大学出版社，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，陕西省旬阳县人，助理研究员，硕士，从事选煤厂设计、浮选设备的研究与开发工作。

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