中國噴射式浮選機(jī)在美國麥克盧爾河選煤廠升級(jí)改造工程中的應(yīng)用

王志剛，富蘭克林·愛迪生，簡(jiǎn)萊特

(1.美國丹尼斯公司，西弗吉尼亞 藍(lán)田 24701；2.美國康圖拉能源公司，田納西 布里斯托 37621；3.美國狄更生-拉塞爾康圖拉有限責(zé)任公司，弗吉尼亞 麥克盧爾 24269)

1 概 述

美國康圖拉能源公司(Contura Energy)所屬麥克盧爾河(McClure River)選煤廠位于弗吉尼亞州圣保羅附近，地理位置見圖1所示。該廠于1978年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為950 t(干煤)/h，其原料煤主要來自于Upper/Lower Banner和Jawbone 2個(gè)煤層的優(yōu)質(zhì)高等揮發(fā)分煙煤和中等揮發(fā)分煙煤。(譯者注：本文的t/h均為美制短噸每小時(shí)，下同。公制1 t約為美制1.1 短噸。)

圖1 麥克盧爾河選煤廠地理位置

麥克盧爾河選煤廠生產(chǎn)的是優(yōu)質(zhì)煉焦精煤，其工藝流程為：用于處理塊煤和末煤(152.4 ～ 22 mm和22～1 mm粒級(jí))的重介質(zhì)淺槽分選機(jī)和重介質(zhì)旋流器；用于處理粗煤泥(1～0.15 mm粒級(jí))的螺旋分選機(jī)；用于處理細(xì)煤泥(0.15～0 mm粒級(jí))的機(jī)械攪拌式浮選機(jī)。隨著設(shè)備老化和原料煤質(zhì)量的變化，該廠面臨一些突出問題。

麥克盧爾河選煤廠最明顯的問題是浮選尾煤的可燃體嚴(yán)重?fù)p失，從其灰分僅為50%～60%可以計(jì)算出，精煤的可燃體回收率只在65%～75%之間，遠(yuǎn)低于預(yù)定目標(biāo)。這是由以下相關(guān)聯(lián)的原因造成的。

(1)浮選機(jī)能力不足。麥克盧爾河選煤廠原有的是2臺(tái)丹佛(Denver)型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，每臺(tái)4室，單室容積14 m3，浮選機(jī)總?cè)莘eV=112 m3。其充氣攪拌裝置見圖2。

圖2 丹佛型浮選機(jī)充氣攪拌裝置結(jié)構(gòu)示意

丹佛型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)為直流式浮選機(jī)，每室中設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪，因?yàn)樵摳∵x機(jī)借助壓縮空氣實(shí)現(xiàn)充氣，所以葉輪的轉(zhuǎn)數(shù)可以低一些，只承擔(dān)攪拌煤漿和將氣流分散為氣泡的功能。在定子蓋上設(shè)置一個(gè)錐形循環(huán)桶，可將浮選室中部的煤漿引入葉輪，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

浮選時(shí)間S的計(jì)算式如下

S=V/Q·60min

(1)

式中，V為浮選機(jī)容積，m3；Q為入浮煤漿流量，m3/h。

入浮煤漿主要是原煤分級(jí)旋流器的溢流，濃度低，流量大，據(jù)統(tǒng)計(jì)估算，流量Q約為2 000 m3/h。

按(1)式計(jì)算，該廠的浮選時(shí)間大致在3.4 min，不同性質(zhì)煤泥的浮選時(shí)間也不盡相同，但在一般情況下，美國的煤泥在常規(guī)的機(jī)械攪拌式浮選機(jī)中，浮選時(shí)間在5 min左右才能獲得滿意的效果[1](譯者注：鑒于煤泥可浮性差，在中國選煤工程設(shè)計(jì)中，浮選時(shí)間一般為6～10 min)。由于浮選機(jī)容積小，煤漿停留時(shí)間短促，低灰煤粒不能及時(shí)粘附在氣泡上，致使可燃體損失在尾煤中。

還可以從另一方面分析浮選設(shè)備能力的不足。當(dāng)入選原料煤量為950 t/h時(shí)，按粒度組成計(jì)算，大約有137～153 t/h的粒度為0.15～0 mm粒級(jí)細(xì)泥進(jìn)入浮選機(jī)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室分步釋放浮選試驗(yàn)，當(dāng)浮選精煤目標(biāo)灰分為10%時(shí)，產(chǎn)率可達(dá)70%，按此計(jì)算可分選出96～107 t/h的浮選精煤。對(duì)于0.15～0 mm粒級(jí)煤泥，傳統(tǒng)浮選機(jī)的每平方米液面攜帶精煤產(chǎn)量約為1.07～1.51 t/h[2]，原有2臺(tái)丹佛型浮選機(jī)的浮選液面面積總計(jì)約為57.8 m2，只能分選出62～87 t/h的精煤，兩者之間存有較大的差距。

(2)低灰分粗粒煤進(jìn)入浮選機(jī)。螺旋分選機(jī)分選出的粗精煤泥的脫水回收系統(tǒng)，包括高頻煤泥篩、EBW型離心脫水機(jī)及分級(jí)濃縮旋流器三類工藝設(shè)備。由于脫水回收設(shè)備工藝效果差，聚集了大量循環(huán)煤泥，使得分級(jí)濃縮旋流器入料濃度高達(dá)21.9%，惡化了水力分級(jí)效果，致使其溢流中攜帶了40%的灰分為3.70%的大于0.5 mm的粗粒，混入了浮選作業(yè)。

(3)用于浮選精煤脫水回收的盤式真空過濾機(jī)陳舊低效，尤其是其濾液濃度超高。濾液返回浮選作業(yè)，造成大量細(xì)泥反復(fù)循環(huán)，嚴(yán)重影響浮選指標(biāo)。

這些原因還導(dǎo)致選煤廠實(shí)際生產(chǎn)能力降低至800 t/h左右，所以該廠的技術(shù)改造迫在眉睫。為此康圖拉能源公司邀請(qǐng)丹尼斯公司對(duì)麥克盧爾河選煤廠的煤泥水處理系統(tǒng)進(jìn)行了考核，對(duì)其進(jìn)行一期、二期升級(jí)改造工程設(shè)計(jì)，并負(fù)責(zé)竣工后的調(diào)試工作。

2 升級(jí)改造工程

麥克盧爾河選煤廠升級(jí)改造工程工藝流程見圖3。

1—分級(jí)脫泥篩(4臺(tái))；2—分級(jí)旋流器入料筒；3—分配箱；4—分級(jí)旋流器(2組，每組4臺(tái)，3用1備)；5—螺旋分選機(jī)入料筒；6—分配箱；7—螺旋分選機(jī)組(3組，每組8臺(tái))；8—精煤離心機(jī)離心液筒(新增)；9—精煤弧形篩入料筒；10—分配箱；11—精煤泥弧形篩(二段串聯(lián)，3組，新增)；12—沉降過濾式離心脫水機(jī)(新增3臺(tái))；13—精煤帶式輸送機(jī)；14—浮選入料筒(原有改造)；15—入料分配箱(新增)；16—浮選機(jī)入料槽(2個(gè))；17—丹佛型浮選機(jī)(2臺(tái))；18—盤式真空過濾機(jī)(2臺(tái)，更新)；19—噴射式浮選機(jī)(1臺(tái)，新增)；20—盤式真空過濾機(jī)(1臺(tái)，新增)圖3 麥克盧爾河選煤廠升級(jí)改造工程工藝流程

圖3中，152.4～0 mm粒級(jí)原煤進(jìn)入4臺(tái)分級(jí)脫泥篩脫泥分級(jí)，篩上物中為152.4～22 mm的塊煤去淺槽重介分選機(jī)分選，22～1 mm粒級(jí)的末煤去重介旋流器分選，含有1～0 mm粒級(jí)的煤泥篩下水泵入分級(jí)旋流器，含有1～0.15 mm的粗煤泥由旋流器底流泵送到分配箱，分配到螺旋分選機(jī)進(jìn)行分選，螺旋分選機(jī)的精煤(粗精煤泥)由串聯(lián)式布置的二段弧形篩進(jìn)行脫水脫泥。其篩上物由沉降過濾式離心脫水機(jī)回收，脫水產(chǎn)物卸至精煤膠帶輸送機(jī)，去干燥機(jī)進(jìn)一步熱烘干脫水；其離心液送至矸石濃縮機(jī)。沉降過濾式離心機(jī)的濾液自流至精煤弧形篩入料筒。2臺(tái)原煤分級(jí)旋流器的溢流和弧形篩篩下水在添加捕收劑后，由泵打入分配箱，然后分別自流進(jìn)入新增噴射式浮選機(jī)和原來的丹佛型浮選機(jī)分選。另外有4臺(tái)原煤分級(jí)旋流器的溢流，添加浮選劑后，自流進(jìn)入原有的丹佛型浮選機(jī)分選。浮選尾礦排至矸石濃縮機(jī)，浮選精煤由盤式真空過濾機(jī)脫水回收，其濾餅卸至精煤膠帶輸送機(jī)。處理丹佛浮選機(jī)精煤的2臺(tái)盤式真空過濾機(jī)濾液返回丹佛浮選機(jī)；處理噴射式浮選機(jī)精煤的新設(shè)置的盤式真空過濾機(jī)的濾液返回分級(jí)旋流器的入料筒。

3 浮選指標(biāo)

3.1 一期改造工程的浮選指標(biāo)

2020年3月9日順利完成了一期升級(jí)改造工程調(diào)試任務(wù)，該工程實(shí)質(zhì)上是解決粗精煤泥(螺旋分選機(jī)精礦)的脫水回收問題，其具體措施如下。

(1)用兩段串聯(lián)的弧形篩和沉降過濾式離心脫水機(jī)取代原有高頻脫水篩和EBW型離心脫水機(jī)，以強(qiáng)化粗精煤泥的脫泥脫水回收。

(2)為簡(jiǎn)化流程，去除了第二段螺旋分選機(jī)和濾液濃縮旋流器。

新設(shè)置的弧形篩篩縫間隙為0.35 mm，能良好地控制好浮選入料粒度上限，據(jù)投產(chǎn)后采樣測(cè)試，浮選入料中錯(cuò)配的大于0.5 mm粒級(jí)的低灰分煤粒約減少了6個(gè)百分點(diǎn)。沉降過濾式離心脫水機(jī)工藝性能良好，脫水產(chǎn)物中大于0.045 mm粒級(jí)的煤粒約能回收98%(占其入料)，小于0.045 mm的細(xì)泥約能回收50%(占其入料)，從而解決了系統(tǒng)中煤泥集聚的現(xiàn)象。

一期升級(jí)改造工程于2020年3月9日順利調(diào)試成功。入浮煤漿主要來自于6臺(tái)原煤分級(jí)旋流器的溢流，仍由現(xiàn)有的2臺(tái)丹佛(Denver)型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)處理，在浮選時(shí)間基本相同(即煤漿處理量基本相同)的條件下，浮選精煤產(chǎn)率、精煤可燃體回收率、尾礦灰分都有大幅度提高(見表1)。

表1 一期改造升級(jí)工程前后浮選工藝指標(biāo)(丹佛型浮選機(jī))

按中國GB/T 34164—2017《選煤廠浮選工藝效果評(píng)定方法》[9]中的浮選工藝效果的指標(biāo)—浮選完善指標(biāo)ηif來進(jìn)行評(píng)定：

ηif=E1-E2

(2)

式中：E1為精煤可燃體回收率，%；E2為精煤非可燃體混雜率，%。

式中：γc為精煤產(chǎn)率，%；Ac為精煤灰分，%；Af為入料灰分，%。

一期升級(jí)改造工程后的精煤產(chǎn)率提高了9.33個(gè)百分點(diǎn)，甚是可觀。精煤可燃體回收率提高了11.93個(gè)百分點(diǎn)，雖然浮選精煤灰分有所提高，但總體上講浮選精確性—浮選完善指標(biāo)上升了7.44個(gè)百分點(diǎn)，效果是顯著的。

3.2 二期升級(jí)改造的浮選指標(biāo)

二期升級(jí)改造工程實(shí)際上是解決浮選能力不足、指標(biāo)不善的問題。具體的措施如下。

(1)新安裝1臺(tái)由中國制造的1組4室FJCA16-4型噴射式浮選機(jī)(單室容積為16 m3)。

中國的噴射式浮選機(jī)早在1967年就用于工業(yè)生產(chǎn)[3]，美國選用的是第三代FJCA型浮選機(jī)[4-5]，該型浮選機(jī)近年已在桑德斯選煤廠[6]和克萊塔選煤廠使用[7]，麥克盧爾河選煤廠是美國使用中國噴射式浮選機(jī)的第三座選煤廠。

(2)新設(shè)3臺(tái)帶有9個(gè)圓盤的盤式真空過濾機(jī)(其中1臺(tái)為增設(shè)，另2臺(tái)為更新原有陳舊的過濾機(jī))。

2020年5月18日，噴射式浮選機(jī)以及與其配套的盤式真空過濾機(jī)順利投產(chǎn)。由于年久失修，2臺(tái)盤式過濾機(jī)濾液濃度過高，其中小于0.045 mm細(xì)泥含量高達(dá)44%～50%，濾液返回浮選作業(yè)后，嚴(yán)重影響了分選指標(biāo)。研究表明，浮選入料中加入低灰超細(xì)煤顆粒(小于0.045 mm)后，粗煤顆粒 (大于0.074 mm)的浮選回收率也會(huì)降低[8]。為徹底解決過濾機(jī)的濾液?jiǎn)栴}，該廠先后于同年7月、11月進(jìn)行了設(shè)備更新。表2列出了2020年12月1日至2021年1月5日共41個(gè)生產(chǎn)班的丹佛型浮選機(jī)和FJCA16-4型噴射式浮選機(jī)的分選指標(biāo)的平均值(2種浮選機(jī)的浮選時(shí)間基本相同)。這段時(shí)間的全廠平均入選原料煤量為1 068.3 t/h，超過設(shè)計(jì)能力的12.45%。

表2 二期改造升級(jí)工程后丹佛型浮選機(jī)和噴射式浮選機(jī)分選指標(biāo)對(duì)比

由表2可看出：

(1)丹佛型浮選機(jī)精煤灰分為11.99%，尾煤灰分為76.75%，精煤產(chǎn)率為68.35%，這樣指標(biāo)是不錯(cuò)的，而噴射式浮選機(jī)的指標(biāo)更上一層樓，其精煤灰分比前者低1.54個(gè)百分點(diǎn)，而尾煤灰分卻高了5.48個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)82.23%，精煤產(chǎn)率為72.71%，比前者高了4.36個(gè)百分點(diǎn)。

(2)丹佛型浮選機(jī)的精煤可燃體回收率為88.93%，這表明其原煤的可燃體損失率為：100.00%-88.93%=11.07%，噴射式浮選機(jī)的精煤可燃體回收率為92.96%，比前者高了4.03個(gè)百分點(diǎn)，其尾煤的可燃體損失率僅為7.04%。

(3)因?yàn)閲娚涫礁∵x機(jī)精煤灰分低，尾煤灰分高，所以分選精度高，浮選完善指標(biāo)高達(dá)67.64%，比前者高了3.98個(gè)百分點(diǎn)。

圖4、圖5、圖6分別為該廠41個(gè)生產(chǎn)班的2種類型浮選機(jī)的精煤灰分、尾煤灰分及浮選完善指標(biāo)成對(duì)對(duì)比。

圖4 精煤灰分比較

圖5 尾煤灰分比較

圖6 浮選完善指標(biāo)比較

從以上圖4～圖6可直觀清晰地看出：

(1)噴射式浮選機(jī)大多數(shù)生產(chǎn)班的指標(biāo)要好于丹佛型浮選機(jī)。

噴射式浮選機(jī)的浮選精煤灰分有39個(gè)生產(chǎn)班低于后者，即優(yōu)勝率為95.12%；噴射式浮選機(jī)的浮選尾煤灰分有35個(gè)生產(chǎn)班高于后者，即優(yōu)勝率為85.37%；噴射式浮選機(jī)的浮選完善指標(biāo)有34個(gè)生產(chǎn)班高于后者，即優(yōu)勝率為82.93%。

(2)噴射式浮選機(jī)的指標(biāo)波動(dòng)幅度小，操作平穩(wěn)，浮選產(chǎn)物質(zhì)量較為穩(wěn)定。

從浮選精煤灰分來看，噴射式浮選機(jī)的波動(dòng)范圍為9.34%～12.37%，幅度為3.03個(gè)百分點(diǎn)，而丹佛型浮選機(jī)的波動(dòng)范圍為10.28%～14.82%，幅度為4.54個(gè)百分點(diǎn)。從尾煤灰分來看，噴射式浮選機(jī)的波動(dòng)范圍為74.77%～89.42%，幅度為14.65個(gè)百分點(diǎn)，而丹佛型浮選機(jī)的波動(dòng)范圍為65.33%～84.29%，幅度為18.96個(gè)百分點(diǎn)。從浮選完善指標(biāo)來看，噴射式浮選機(jī)的波動(dòng)范圍為58.23%～73.47%，幅度為15.24個(gè)百分點(diǎn)，而丹佛型浮選機(jī)的波動(dòng)范圍為53.37%～70.32%，幅度為16.95個(gè)百分點(diǎn)。

3.3 對(duì)噴射式浮選機(jī)性能的簡(jiǎn)要評(píng)論

噴射式浮選機(jī)分選效果好，分選精度高，選擇性好的原因有以下三點(diǎn)[9]。

(1)循環(huán)煤漿從噴嘴噴出瞬間壓力劇降，所析出的微泡有選擇性地粘附在疏水性良好、灰分低的煤粒上。美國的煤泥煤質(zhì)普遍良好，單體解離程度高，富集了大量疏水性強(qiáng)的煤粒。噴射式浮選機(jī)適用于美國的大流量、低濃度、小于0.15 mm粒級(jí)的分級(jí)旋流器溢流的分選。

(2)噴射式浮選機(jī)機(jī)槽中布置了4個(gè)充氣攪拌裝置，充氣攪拌均勻，渦流程度小，有利于氣泡礦化。設(shè)置了假底，循環(huán)煤漿流態(tài)好，有助于礦化泡沫平穩(wěn)上浮。

(3)只有4根直徑較細(xì)的吸氣管伸出浮選機(jī)液面，泡沫層能向兩側(cè)刮泡堰順暢地游動(dòng)，加大了刮泡量。

通過對(duì)該浮選機(jī)的調(diào)試，認(rèn)為該設(shè)備還有以下特點(diǎn)：

(1)過流部件采用了耐磨材料，沒有運(yùn)動(dòng)部件(除刮泡器外)，減少了浮選機(jī)的維護(hù)工作量。

(2)采用噴射原理，自吸空氣，不使用壓縮空氣，設(shè)備功率消耗低(功率消耗主要來自于循環(huán)泵)。

(3)便于調(diào)試和生產(chǎn)操作，麥克盧爾河選煤廠的噴射式浮選機(jī)的調(diào)試，只憑設(shè)備安裝使用說明書，即可獲得滿意效果，不需中方人員前來。之前的美國的桑德斯和克萊塔選煤廠也是如此。

4 經(jīng)濟(jì)效益

最能表征升級(jí)改造工程效益的是全廠綜合浮選指標(biāo)的改善，升級(jí)改造工程前后的指標(biāo)見表3。

表3 升級(jí)改造工程前后的全廠綜合浮選指標(biāo)

從表3可看出：

(1)一期升級(jí)改造工程解決了低灰粗顆粒進(jìn)入浮選作業(yè)的問題，并顯著減緩細(xì)泥在生產(chǎn)系統(tǒng)中的積聚現(xiàn)象，在浮選精煤灰分增高1.25個(gè)百分點(diǎn)的情況下，尾煤灰分提高7.26個(gè)百分點(diǎn)，精煤產(chǎn)率增加了9.31個(gè)百分點(diǎn)，浮選完善指標(biāo)上升了7.56個(gè)百分點(diǎn)。

(2)二期升級(jí)改造工程解決了浮選機(jī)生產(chǎn)能力不足的問題，并通過盤式過濾機(jī)設(shè)備更新，顯著減少了濾液中大量細(xì)泥循環(huán)的現(xiàn)象，在浮選精煤灰分增高1.10個(gè)百分點(diǎn)的情況下，尾煤灰分再提高了25.06個(gè)百分點(diǎn)，精煤產(chǎn)率再增加了18.38個(gè)百分點(diǎn)，浮選完善指標(biāo)再上升了14.46個(gè)百分點(diǎn)，其上升幅度相當(dāng)之大。

(3)從升級(jí)改造工程之前與二期升級(jí)改造之后的對(duì)比可看出：① 在浮選精煤灰分由9.07%增至11.42%，增幅為2.35個(gè)百分點(diǎn)的情況下，浮選尾煤灰分由46.13%升至78.45%，增幅為32.32個(gè)百分點(diǎn)；② 浮選選擇性的指標(biāo)—浮選完善指標(biāo)隨之升高，由42.63%升至64.65%，增幅為22.02個(gè)百分點(diǎn)；③ 尾煤的可燃體損失率由44.77%降至9.54%，降幅為35.23個(gè)百分點(diǎn)；④ 浮選精煤產(chǎn)率由42.30%升至69.99%，增幅高至27.69個(gè)百分點(diǎn)。按浮選作業(yè)入料量為145 t/h計(jì)算，浮選精煤增產(chǎn)39 t/h。以精煤每噸售價(jià)為100 美元，每年生產(chǎn)6 000 h計(jì)算，選煤廠每小時(shí)增收3 900美元，每年增收2 340萬美元。據(jù)估算，麥克盧爾河選煤廠升級(jí)改造投資不到5個(gè)月就可得到全部回收。

5 結(jié) 語

丹尼斯公司所承擔(dān)的麥克盧爾河選煤廠的升級(jí)改造工程設(shè)計(jì)和調(diào)試任務(wù)，取得了可喜可賀的成果。

增設(shè)了二段串聯(lián)的弧形篩和沉降過濾式離心脫水機(jī)，強(qiáng)化了粗精煤泥的脫水回收，杜絕了低灰分粗顆粒混入浮選作業(yè)，控制住浮選入料上限。

用3臺(tái)盤式真空過濾機(jī)取代原有陳舊老設(shè)備，解決了濾液濃度高、細(xì)泥含量大、返回浮選機(jī)惡化分選效果的困局。成功地采用了1臺(tái)中國的FJCA16-4型噴射式浮選機(jī)，解決了原有2臺(tái)丹佛型浮選機(jī)超負(fù)荷的難題，并且噴射式浮選機(jī)的分選指標(biāo)全面好于丹佛型浮選機(jī)，對(duì)于提升全廠經(jīng)濟(jì)效益，起到舉足輕重的作用。

該廠的升級(jí)改造工程顯著地提高了精煤產(chǎn)率，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，投資回報(bào)期很短，令人興奮鼓舞。