巴彦淖尔选煤厂喷射式浮选机改装的三项内容

闫占江，叶树强，王宏民，耿 浩，赵佳伟

(1.国能集团巴彦淖尔能源有限公司选煤厂，内蒙古 巴彦淖尔 015000；2.北京国华科技集团有限公司，北京 101300)

1 概 况

国家能源集团巴彦淖尔选煤厂是一座年处理能力300万t的大型炼焦煤选煤厂，该厂距离中蒙国境线甘其毛部口岸170 km，蒙古国生产的炼焦原煤由汽车运至口岸储煤场后，再由我国汽车转运到巴彦淖尔选煤厂及当地其他选煤厂入选。

该厂的主选设备为无压给料三产品重介质旋流器，入浮煤泥由一组四室单室容积为36 m3的FJC36-4型喷射式浮选机进行分选。鉴于FJC36-4型浮选机的充气搅拌装置易磨损，且分选指标不尽人意，该厂于2020年10月进行了技术改装。

2 充气搅拌装置简介

2.1 FJC系列浮选机的充气搅拌装置

喷射式浮选机的核心部件是充气搅拌装置。机械设备的迭代周期划分的主要标志之一，就是其核心部件的结构及参数有没有重大改动。

按照具有自主知识产权的中国喷射式浮选机的研发历程[1]，FJC系列浮选机属第二代浮选机(见图1)，它的充气搅拌装置由喷射室、喷嘴、喉管、伞形分散器及吸气管组成，喷嘴内铸有4个叶片。循环煤浆经叶片导流，呈螺旋扩大状从喷嘴喷出，增大了气液接触面积，提高了吸气量。该充气搅拌装置为垂直布置，喷射室位于煤浆之上，而喉管和伞形分散器浸没在煤浆中，由于喉管较长，因此俗称为长喉管喷射式浮选机[2]。

1—槽体；2—吸气管；3—喷射室；4—喷嘴； 5—喉管；6—伞形分散器；7—分配室；8—中心入料管

煤浆经循环泵加压后，由中心入料管和分配室分配到4个喷射室中，由喷嘴以高达17 m/s以上速度旋转喷出，通过喉管、伞形分散器斜射到浮选机底部。

总体上讲，FJC型喷射式浮选机具有处理量大、选择性好、浮选剂用量和电耗较省、结构简单、便于操作和维护等优点。但对于重介质炼焦煤选煤厂，浮选入料中或多或少含有磁铁矿粉，加剧了喷射式浮选机充气搅拌装置的磨损。

2.2 FJCA系列浮选机的充气搅拌装置

针对FJC系列的长喉管和伞形分散器易磨损的问题，为提高喷射式浮选机的整体工艺性能，国华科技集团在原有基础上，成功进行了浸没式充气搅拌装置试验研究(发明专利号ZL200820077210.0)，推出了FJCA系列喷射式浮选机[3](见图2)。该机除了吸气管上端伸出浮选机液面外，其余部件都浸没在煤浆中，短喉管较原有的喉管长度缩短3/4，所以FJCA系列浮选机又俗称为短喉管喷射式浮选机，在短喉管内壁粘贴硅铝陶瓷内衬，能长期承受旋转射流的摩擦，还取消了易磨损的伞形分散器。

1—槽体；2—吸气管；3—喷射室；4—喷嘴；5—短喉管；6—分配室；7—中心入料管；8—刮泡器；9—循环煤浆管；10—假底

3 喷射式浮选机改装的三项内容

3.1 增加循环量

众所周知，疏水性煤粒与气泡碰撞、接触、黏附这三个形成矿化泡沫的过程，都不是百分之百的一次性行为，而是存在着概率的，而且黏附在气泡上的煤粒也有脱落的可能性。所以必须通过煤浆循环来实现低灰分煤粒的高效回收[4]。

对于喷射式浮选机最为核心的部件就是喷嘴，通过单个喷嘴的循环煤浆量为：

式中，μ为流量系数，取μ=0.94；d为喷嘴出口直径，m；g为重力加速度，m/s2；H为工作压力，MPa。

单室循环量：

Q=4Q1

(2)

由上式可知，决定循环量大小的因素包括工作压力和喷嘴出口直径。

为了获得喷射式浮选机的最佳循环量，曾在望峰岗选煤厂和临涣选煤厂进行过系列的数理统计学成对对比试验。

所谓的成对对比试验就是在相同的生产时间，相同的条件下(操作人员、入料量、煤泥性质、入浮浓度和加药量等)，两台同样规格的喷射式浮选机先后对不同工作压力和不同喷嘴出口直径进行5次以上的成对对比试验，其工艺指标用数理统计方法来求得显著性。

由此获得了单室最佳循环量Q，此值与浮选机单室容积的比值称为单位容积循环量Q0，即：

式中，V为浮选机单室容积，m3。

值得提出的是，望峰岗选煤厂和临涣选煤厂所取得的单位容积循环量的数值是非常接近的。

单位容积循环量是决定浮选设备工艺指标的重要因素。FJCA系列喷射式浮选机相似放大准则的核心就是单位容积循环量[5]，即该系列浮选机虽然单室容积不同，但它们的单位容积循环量是相同的。

众所周知，喷射式浮选机为非机械搅拌式浮选机，其动力源来自于与其配套的循环泵。当初开发FJC36型长喉管喷射式浮选机时，单位容积循环量的试验尚未开展，致使其循环泵选型偏小，影响了该规格浮选机的分选效果。所以在本项技改工作中，改换为功率较大的循环泵，增加了单位容积循环量，使其达到最佳值。

3.2 改装为浸没式充气搅拌装置

将长喉管喷射式浮选机改装为短喉管喷射式浮选机(即改装为浸没式充气搅拌装置)的工作量较小，只要将中心入料管缩短到规定尺寸后，组装原有的分配室和喷射室，再安装上短喉管即可。

喷射式浮选机充气搅拌装置改装后，其流态有极大改善。对于喷射式浮选机和机械搅拌式浮选机，可以将它们的浮选室粗略的分成底部搅拌区、中部泡沫升浮区、上部泡沫区，在搅拌区要有适度的搅拌力，使颗粒悬浮、气泡与浮选剂分散，更要促使颗粒与气泡实现有选择性的黏附。在升浮区力求流态平稳，使矿化的气泡徐徐平稳上升，尽量避免已黏附在气泡上的低灰分煤粒(尤其是粗粒)脱落。在泡沫区希望流态更为平稳，以利于矿化泡沫的二次富集。

对于短喉管喷射式浮选机，每个浮选室的4个喷嘴内部铸有导向叶片，叶片有顺时针旋转和逆时针旋转两种，它们交错排列，含气循环煤浆由短喉管沿360°圆周旋转喷出，以20°～25°夹角撞击假底后，又以10°～15°夹角向周边反射，由于旋转方向相反，因此相邻的旋转流不会相互碰撞，而汇合成趋向刮泡堰的液流(见图3)。因此不但在升浮区和泡沫区的流态要平稳得多，而且还增加了泡沫层向刮泡堰的游动性。

图3 短喉管浮选机循环充气煤浆流动示意

安徽理工大学曾在20 L的试验装置中，采用示综粒子图像(PIV)测试技术[6]，验证了短喉管浮选机比长喉管浮选机的结构参数更为合理，前者流态特点更有利于煤泥分选。

从喷嘴喷出的旋转射流，在短喉管中的摩擦阻力较小，又去除了伞形分散器，因此充气搅拌装置有较大的搅拌力，为此在每个短喉管下方铺设了辉绿岩铸石板，以保证假底不会因旋转射流长期冲击而磨穿。

3.3 缩短刮泡器直径

刮泡条件是“丰产”的浮选精煤能否实现“丰收”的关键。刮泡条件可分为二类。一类是泡沫层的流动性，其为第一要务。另一类是刮泡器的结构参数和工作参数，它起到推波助澜的作用。

3.4 泡沫层的流动性

促进泡沫层向刮泡堰的流动，除了合适的药剂制度外，对于带有浸没式充气搅拌装置的短喉管喷射式浮选机，除有4根内径为50 mm的吸气管伸出液面外，没有任何机械部件阻挡，致使泡沫层流动通畅。另外，该系列浮选机的流态，也促进泡沫层向刮泡堰方向流动。

3.5 刮泡器

由于FJC36型浮选机为倒梯形的纵断面，室宽为4 410 mm，故采用了转速为17 r/min，直径为1 400 mm的刮泡器，这就产生了两个问题：

(1)虽然刮泡间距大了，但刮泡深度高达285 mm，如果泡沫层厚度小于此值，特别是浮选机第3、4室，就有刮水的可能，导致泡沫浓度降低，灰分增高。

(2)刮泡器的线速度高达1.25 m/s，以如此速度扰动泡沫层，必然会影响它的二次富集作用。笔者体会到喷射式浮选机改装后，泡沫层的流动性得到改善，所以将刮泡器的直径缩短至1 000 mm，在其转速不变的情况下，线速度相应降为0.89 m/s，刮泡深度相应减至70 mm。实践表明，只要保持良好的泡沫流动性，采用较小直径的刮泡器即可提高浮选精煤产率。改装前后的刮泡器结构参数和工作参数见表1。

表1 刮泡器的结构参数和工作参数

4 入浮煤泥性质

巴彦淖尔选煤厂属于中心类型选煤厂，专门分选来自蒙古国的炼焦原煤，入浮煤泥性质可从粒度组成和煤泥可浮性两个方面进行判别。

4.1 粒度组成

入浮煤泥粒度组成见表2。

表2 入浮煤泥粒度组成

由表2可知：

(1)浮选入料中大于0.125 mm粒级产率为0.44%，表明巴彦淖尔选煤厂浮选入料粒度控制较好。

(2)入料中，随粒径变细，灰分呈现增高的趋势，在变细到0.03 mm之前增灰不大，小于0.030 mm粒级细泥灰分有大幅度提高，这表明在细泥中富集了一部分易泥化的粘土类矿物质或暗淡型煤岩组分(暗煤、丝炭)。

(3)浮选入料的粒度极细。国内选煤厂小于0.045 mm粒级产率一般在50%上下，而该厂小于0.045 mm粒级产率高达78.27%，尤其是小于0.030 mm粒级产率达65.47%，这样细的粒度组成在国内是罕见的，它是影响浮选效果的关键因素，应该选用工艺特性良好的浮选机，采用低浓度入料煤浆浮选，来提高分选效果。

4.2 可浮性

实验室分步释放浮选试验结果见表3。以此绘制的精煤灰分与产率的关系曲线见图4。

表3 分步释放浮选试验结果

图4 精煤灰分与产率关系曲线

从表3中可看出，通过粗选可分离出产率为13.70%、灰分为73.61%的尾煤，但分选出的粗选精煤灰分高达17.21%。经过一次精选，精煤灰分可降至11.00%的水平，同时分离出的精选尾煤其灰分为53.60%，产率为12.42%，这部分物料可能是单体解离程度差的细泥，虽然它对浮选剂吸附力强，在粗选时混杂在泡沫中，但在精选时还是较容易排除的。

从图6可以查得，当精煤灰分为11.33%时，浮选精煤理论产率为74.41%，则可计算出浮选精煤可燃体回收率为：

=87.90%

按照GB/T 30047-2013《煤粉(泥)可浮性评定方法》，当可燃体回收率在80.1%～90.0%时属中等可浮煤泥。

5 生产测定指标

将FJC36-4型喷射式浮选机改装为浸没式充气搅拌装置后进行了生产测定试验[7-8]。

5.1 工艺效果

试验测得，浮选入料灰分为Ay=25.39%，精煤(泡沫)灰分为Aj=11.33%，尾煤灰分Aw=69.79%。可以得出：

尾煤产率：γw=100-75.95=24.05%。

浮选完善指标：ηwf=E1-E2=90.26-33.89=56.37%。

浮选精煤可燃体回收率高达90.26%，其表征煤泥中的可燃体有90%以上被精煤所回收。浮选精煤非可燃体混杂率为33.90%，其表征煤泥中的非可燃体杂质仅有三成混杂在精煤中，其浮选完善指标为56.36%。我国的煤泥可浮性差的居多数，除极个别选煤厂的浮选完善指标大于60%以外，能在50%以上就算不错的。该厂浮选机改装后，能达到这样水平，可以说是良好的。特别要指出的在入浮煤泥极细的条件下，取得这样的成绩是十分可贵的。

5.2 各粒级分选指标

浮选精煤、尾煤的粒度组成及各粒级的分选指标见表4。

表4 浮选精煤、尾煤及各粒级的分选指标

由表4可知：

(1)入料中大于0.25 mm粒级灰分低、粒度粗、分选指标差，是入浮煤泥的粒度控制对象，由于该厂入料粒度控制到位，其产率可以忽略不计。

(2)尾煤中0.075～0.045 mm和0.045～0.03 mm粒级的灰分分别为60.92%和64.41%，这两个粒级精煤可燃体回收分别为91.96%和92.78%，这表明在获得良好的可燃体回收的同时，也得到了高效的分选，浮选完善指标分别为55.17%和54.93%。

(3)小于0.03 mm粒级精煤灰分为13.23%，尾煤灰分为72.16%，其浮选完善指标高达56.18%，说明改装后浮选机对高灰细泥具有很高的选择性。

6 效 益

(1)喷射式浮选机改装后，浮选尾煤灰分提高了13.28个百分点，精煤灰分降低了1.78个百分点，浮选精煤产率增加了6.71个百分点。该厂销售精煤灰分为10.50%，浮选精煤经沉降过滤式离心脱水机脱泥脱水后汇合于重介精煤中作为销售精煤，基本上消除了重介精煤为浮选精煤“背灰”现象。

(2)蒙古原煤中小于0.5 mm粒级煤泥产率约为25%，进入浮选生产系统的煤泥占总煤泥量的40%，浮选机改装后，浮选完善指标提高了11.03个百分点，浮选精煤产率增加了6.71个百分点，2021年因新冠疫情影响，全厂仅入选蒙古原煤61.9万t。全厂精煤增产0.4万t，按精煤价格1 800元/t计，2021年精煤销售收入增加了747.63万元。若按年设计入选300万t计算，全年精煤销售收入可增加3 600余万元。

(3)浮选机改装前，因煤浆对喉管和伞形分散器的剧烈磨损，每年至少更换两次。改装为浸没式充气搅拌装置后，在保证各部件质量的前提下，可安全免维护5 a，这样可大大节省维修成本和工作量。

(4)与喷射式浮选机配套的四台循环泵更换后，其电动机功率由原先的55 kW更换为75 kW，由此2021年电费增加了5.26万元。

7 结 语

巴彦淖尔选煤厂喷射式浮选机改装是成功的，在入浮极细的蒙古国煤泥的生产条件下，改装后浮选精煤灰分下降了1.78个百分点，尾煤灰分增加了13.28个百分点，浮选完善指标上升了11.03个百分点，精煤产率提高了6.17个百分点，取得了良好的经济效益。

该喷射式浮选机改装成功，不仅是增加了充气搅拌装置的使用寿命，减少了维修工作量，更主要的是从以下三方面，改善了浮选机的工艺性能：

(1)用最佳单位容积循环量来重新配置喷射式浮选机的循环泵；

(2)消除浮选机内部的涡流，使得在气泡升浮区和泡沫区有较为稳定的流态；

(3)促进泡沫层的流动性，减小刮泡器的直径，从而改变刮泡深度和线速度。

内蒙古乌海地区的双欣选煤厂、榕鑫选煤厂也对FJC36-4型浮选机进行了改装，在保证浮选精煤指标的前提下，尾煤灰分提高了10～15个百分点，均取得了良好效果。