XJM-S90型浮选机的研制与应用

史英祥

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012；3.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-S系列浮选机是针对煤泥浮选粒度范围宽、充气量需求大等特点，经过中煤科工集团唐山研究院有限公司几代科研人员不断地改进和创新，逐渐发展起来的系列化煤泥浮选专用设备，在国内选煤厂应用最为广泛[1-5]。目前，单槽容积为90 m3的XJM-S90型浮选机是该系列处理能力最大的浮选机[6-7]。该浮选机采用了相似放大与计算流体力学数值模拟相结合的设计方法，确立了槽体尺寸、叶轮直径、叶轮厚度、叶轮转速、浸没深度、搅拌轴功率及充气速率等关键技术参数，其性能通过了国家选煤机械质量监督检验中心的检验[8]，并于2016年成功应用在朔州中煤平朔能源有限公司千万吨级长焰煤选煤厂(以下简称朔中选煤厂)。

1 XJM-S90型浮选机的研制

1.1 XJM-S90型浮选机的关键结构参数设计

矿物浮选是一个在固-液-气三相紊流场中发生的极其复杂的物理化学过程[9]，进而决定了浮选机的设计方法大多以经验公式为基础。XJM-S90型浮选机关键结构参数的设计，秉承了该系列浮选机的相似放大设计经验[10-11]，其几何与动力参数的设计经验公式如下：

(1)

式中：H为槽体深度，m；D为叶轮直径，m；V为槽体容积，m3；NQa为气流数，无因次；Qa为充气量，m3/s；N为叶轮转速，r/min；Np为功率数，无因次；P为搅拌功率，kW；ρ为矿浆的密度，kg/m3；式中常数为XJM-S型浮选机的经验系数。

浮选机矩形槽体、方形横截面设计，经过经验公式计算，XJM-S90型浮选机的关键技术参数设计如下：

单槽容积/m3

90.6

槽体深度/m

2.55

槽体宽度/m

5.96

叶轮转速/(r·min-1)

121

叶轮直径/m

1.50

搅拌功率/kW

112

充气量/(m3·s-1)

0.51

1.2 XJM-S90型浮选机的流场模拟

利用CFD技术对XJM-S90型浮选机进行了液相模拟，实体模型的网格划分采用了结构化网格方法，拥有19 477 870个网格节点和18 787 689个结构网格。流场模拟采用PISO算法耦合压力-速度模型，流场计算采用多重参考系法(MRF)，湍流区域采用标准κ-ε模型计算。数值模拟的主要初始条件为：①清水介质。进口矿浆流量为2 200 m3/h，进口截面速度为0.317 m/s，出口为自由出流；②浮选机叶轮为顺时针旋转。XJM-S90型浮选机三维模型透视图如图1所示。

图1 XJM-S90型浮选机三维模型透视图

当叶轮旋转速度为121 r/min时，与入口方向分别成0°和90°的截面流线与截面速度等值线分布情况如图2—图5所示。由图2—图5可以看出，流场下部为纵向涡流运动，上部流动平稳，符合浮选过程要求，分选区域流场成“W”状态；稳流板假底下部的矿浆速度基本在0.2 m/s以上，不存在死区；稳流板区域与其上部区域的矿浆流速迅速降低，由最高的定子周边的5 m/s左右降至最低的槽体周边区域(精矿刮出区域)0.2 m/s左右，流场梯度大。

图2 0°截面流线图

图3 0°截面速度等值线分布图

图4 90°截面流线图

图5 90°截面速度等值线分布图

当叶轮转速为121 r/min时，叶轮定子区域流场压力、流线与速度矢量图如图6—图9所示。

图6 叶轮区域全压图

图7 定子及盖板全压图

图8 叶轮-定子区域流线图

图9 叶轮-定子区域速度矢量图

由图6—图9可以看出，叶轮负压主要集中在叶轮的轮毂及叶轮下吸口处，迎液面的总压值高于背液面的总压值，上下层叶片的总压最高值均处于靠近迎液面的叶轮边沿处；定子的湍流耗散率非常高，最高值为6 938.96 m2/s3，处于定子里侧矿浆入口处，定子外侧矿浆出口处湍流耗散率的最高值为194.76 m2/s3，说明矿浆通过定子时湍流耗散率急剧降低，同时湍动能和湍流强度也由10.25 m2/s2、2.61分别降低至4.18 m2/s2、1.67，表明矿浆在定子区域发生强烈的碰撞，从而使矿浆的速度、动能大幅降低。

流场模拟计算出叶轮的排液量为8 284.36 m3/h，为入料矿浆流量的3.77倍，其中下层叶片排液量为5 809.93 m3/h，上层叶片排液量为2 474.43 m3/h，可见XJM-S90型浮选机叶轮的吸浆与排浆能力非常强，能够实现矿浆量较高的处理能力；仿真模拟计算出的XJM-S90浮选机实际消耗功率为133.36 kW，这与经验公式得出的结果相差较大。

1.3 XJM-S90型浮选机技术参数与特点

根据清水试验与流场模拟特征分析，优化后XJM-S90型浮选机的结构如图10所示，主要技术参数[8]如下：

单位处理能力/ (t·m-3·h-1)(入料浓度为80～100 g/L)0.5～0.8单位矿浆处理量/(m3·m-3·h-1)(入料浓度<100 g/L)5～8单槽容积/m390.6叶轮直径/mm1 500叶轮转速/(r·min-1)121刮板转速/( r·min-1)25搅拌电机功率/kW160清水搅拌输入功率/kW92.49充气速率/(m3·m-2·min-1)0.814充气均匀系数/%83.97整机运转噪声/dB(A)75.9四室外形尺寸/mm×mm×mm26 096×6 278×5 388

1—入料箱；2—双刮板刮泡机构；3—操作台及护栏；4—驱动装置；5—搅拌机构；6—叶轮；7—定子；8—吸浆锥；9—假底稳流板；10—埋没式中矿箱

XJM-S90型浮选机符合大型XJM-S系列浮选机的设计风格，具有以下特点：

(1)宽范围大区域刮泡，采用双刮泡机构，更有利于浮选槽中间部位的高浓度表层泡沫及时刮出，提高浮选槽的利用率。

(2)药、气同道的加药方式，可有效利用充气吸入的高速气流雾化浮选药剂，改善了药剂在矿浆中的分散效果，从而提高了药剂的利用效率。

(3)矿浆下循环通道吸浆锥设计，降低了叶轮下方区域矿浆流速与动能损失，减少了通道壁及底板磨损。这也是XJM-S系列浮选机的一项专利(ZL201420572025.4)。

2 XJM-S90型浮选机的应用

2015年8月至2016年4月，XJM-S90型浮选机在朔中选煤厂进行了工业试验。朔中选煤厂是一座入选能力为11.0 Mt/a的动力煤(长焰煤)选煤厂，入浮煤泥量约110 t/h，入浮矿浆量约2 262.44 m3/h。长焰煤属于低阶烟煤，煤泥进行工业浮选生产的几率很少，根据前期针对长焰煤煤泥的浮选特性的大量试验研究表明，在使用适当的浮选药剂时，朔中选煤厂煤泥灰分可降低高达12个百分点以上，精煤产率>50%[12-15]。为开拓长焰煤煤泥提质增效的新途径，朔中选煤厂于2015年5月完成了浮选车间建设，经过3个月的工艺调试、浮选药剂工业试验后，成功进入XJM-S90浮选机的工业应用阶段，2015年9月14日至10月4日干煤泥平均药剂消耗量为1.31 kg/t，生产结果见表1。

表1 2015年9月14日至10月4日浮选机生产指标统计结果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浮选机的工业应用是成功的，具有以下特点：

(1)浮选精度高、选择性好。针对难浮选的长焰煤，当入料灰分为26.70%时，取得了精煤灰分为14.16%、尾煤灰分为47.04%、精煤产率为61.64%的浮选效果，灰分平均降低了12.54个百分点，与试验研究阶段结果相当，达到了预期目标。

(2)处理能力大。XJM-S90浮选机矿浆通过能力为2 400 m3/h，单位容积矿浆通过量为6.67 m3/(m3·h)，可满足朔中选煤厂浮选入料量为2 242.23 m3/h、单位容积矿浆处理能力为6.23 m3/(m3·h)的生产需要。

(3)能耗低。工业应用阶段完成了浮选机能耗测试，XJM-S90型浮选机每室搅拌电机额定功率为160 kW，每室实际消耗功率为130.3 kW，功耗指数(单位容积浮选槽的实际消耗功率)为1.44 kW/m3。

(4)适应性强。朔中选煤厂入料浓度在20～70 g/L之间波动，XJM-S90浮选机在低浓度波动条件下取得了良好的浮选效果，指标稳定可靠。

3 结语

选煤厂大型化发展已成明显趋势，XJM-S90型浮选机的研制及其成功应用是XJM-S系列浮选机又一次成功的大型化技术创新。清水试验表明，该浮选机充气速率为0.814 m3/(m2·min)，充气均匀系数为83.97%，均超过JB/T 3686.2—1999《煤用浮选机试验方法》要求指标。工业性试验表明，XJM-S90型浮选机单位容积矿浆处理能力为6.23 m3/(m3·h)，功耗指数(单位容积浮选槽的实际消耗功率)为1.44 kW/m3，生产运行平稳，具有分选精度高，浮选选择性好，浮选速度快，处理量大，能耗低等特点，为我国大型选煤厂的设计与浮选技术改造提供了设备支持。