巴彥淖爾選煤廠噴射式浮選機(jī)改裝的三項(xiàng)內(nèi)容

閆占江，葉樹強(qiáng)，王宏民，耿 浩，趙佳偉

(1.國能集團(tuán)巴彥淖爾能源有限公司選煤廠，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；2.北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

1 概 況

國家能源集團(tuán)巴彥淖爾選煤廠是一座年處理能力300萬t的大型煉焦煤選煤廠，該廠距離中蒙國境線甘其毛部口岸170 km，蒙古國生產(chǎn)的煉焦原煤由汽車運(yùn)至口岸儲煤場后，再由我國汽車轉(zhuǎn)運(yùn)到巴彥淖爾選煤廠及當(dāng)?shù)仄渌x煤廠入選。

該廠的主選設(shè)備為無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，入浮煤泥由一組四室單室容積為36 m3的FJC36-4型噴射式浮選機(jī)進(jìn)行分選。鑒于FJC36-4型浮選機(jī)的充氣攪拌裝置易磨損，且分選指標(biāo)不盡人意，該廠于2020年10月進(jìn)行了技術(shù)改裝。

2 充氣攪拌裝置簡介

2.1 FJC系列浮選機(jī)的充氣攪拌裝置

噴射式浮選機(jī)的核心部件是充氣攪拌裝置。機(jī)械設(shè)備的迭代周期劃分的主要標(biāo)志之一，就是其核心部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)有沒有重大改動。

按照具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國噴射式浮選機(jī)的研發(fā)歷程[1]，F(xiàn)JC系列浮選機(jī)屬第二代浮選機(jī)(見圖1)，它的充氣攪拌裝置由噴射室、噴嘴、喉管、傘形分散器及吸氣管組成，噴嘴內(nèi)鑄有4個葉片。循環(huán)煤漿經(jīng)葉片導(dǎo)流，呈螺旋擴(kuò)大狀從噴嘴噴出，增大了氣液接觸面積，提高了吸氣量。該充氣攪拌裝置為垂直布置，噴射室位于煤漿之上，而喉管和傘形分散器浸沒在煤漿中，由于喉管較長，因此俗稱為長喉管噴射式浮選機(jī)[2]。

1—槽體；2—吸氣管；3—噴射室；4—噴嘴； 5—喉管；6—傘形分散器；7—分配室；8—中心入料管

煤漿經(jīng)循環(huán)泵加壓后，由中心入料管和分配室分配到4個噴射室中，由噴嘴以高達(dá)17 m/s以上速度旋轉(zhuǎn)噴出，通過喉管、傘形分散器斜射到浮選機(jī)底部。

總體上講，F(xiàn)JC型噴射式浮選機(jī)具有處理量大、選擇性好、浮選劑用量和電耗較省、結(jié)構(gòu)簡單、便于操作和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但對于重介質(zhì)煉焦煤選煤廠，浮選入料中或多或少含有磁鐵礦粉，加劇了噴射式浮選機(jī)充氣攪拌裝置的磨損。

2.2 FJCA系列浮選機(jī)的充氣攪拌裝置

針對FJC系列的長喉管和傘形分散器易磨損的問題，為提高噴射式浮選機(jī)的整體工藝性能，國華科技集團(tuán)在原有基礎(chǔ)上，成功進(jìn)行了浸沒式充氣攪拌裝置試驗(yàn)研究(發(fā)明專利號ZL200820077210.0)，推出了FJCA系列噴射式浮選機(jī)[3](見圖2)。該機(jī)除了吸氣管上端伸出浮選機(jī)液面外，其余部件都浸沒在煤漿中，短喉管較原有的喉管長度縮短3/4，所以FJCA系列浮選機(jī)又俗稱為短喉管噴射式浮選機(jī)，在短喉管內(nèi)壁粘貼硅鋁陶瓷內(nèi)襯，能長期承受旋轉(zhuǎn)射流的摩擦，還取消了易磨損的傘形分散器。

1—槽體；2—吸氣管；3—噴射室；4—噴嘴；5—短喉管；6—分配室；7—中心入料管；8—刮泡器；9—循環(huán)煤漿管；10—假底

3 噴射式浮選機(jī)改裝的三項(xiàng)內(nèi)容

3.1 增加循環(huán)量

眾所周知，疏水性煤粒與氣泡碰撞、接觸、黏附這三個形成礦化泡沫的過程，都不是百分之百的一次性行為，而是存在著概率的，而且黏附在氣泡上的煤粒也有脫落的可能性。所以必須通過煤漿循環(huán)來實(shí)現(xiàn)低灰分煤粒的高效回收[4]。

對于噴射式浮選機(jī)最為核心的部件就是噴嘴，通過單個噴嘴的循環(huán)煤漿量為：

式中，μ為流量系數(shù)，取μ=0.94；d為噴嘴出口直徑，m；g為重力加速度，m/s2；H為工作壓力，MPa。

單室循環(huán)量：

Q=4Q1

(2)

由上式可知，決定循環(huán)量大小的因素包括工作壓力和噴嘴出口直徑。

為了獲得噴射式浮選機(jī)的最佳循環(huán)量，曾在望峰崗選煤廠和臨渙選煤廠進(jìn)行過系列的數(shù)理統(tǒng)計學(xué)成對對比試驗(yàn)。

所謂的成對對比試驗(yàn)就是在相同的生產(chǎn)時間，相同的條件下(操作人員、入料量、煤泥性質(zhì)、入浮濃度和加藥量等)，兩臺同樣規(guī)格的噴射式浮選機(jī)先后對不同工作壓力和不同噴嘴出口直徑進(jìn)行5次以上的成對對比試驗(yàn)，其工藝指標(biāo)用數(shù)理統(tǒng)計方法來求得顯著性。

由此獲得了單室最佳循環(huán)量Q，此值與浮選機(jī)單室容積的比值稱為單位容積循環(huán)量Q0，即：

式中，V為浮選機(jī)單室容積，m3。

值得提出的是，望峰崗選煤廠和臨渙選煤廠所取得的單位容積循環(huán)量的數(shù)值是非常接近的。

單位容積循環(huán)量是決定浮選設(shè)備工藝指標(biāo)的重要因素。FJCA系列噴射式浮選機(jī)相似放大準(zhǔn)則的核心就是單位容積循環(huán)量[5]，即該系列浮選機(jī)雖然單室容積不同，但它們的單位容積循環(huán)量是相同的。

眾所周知，噴射式浮選機(jī)為非機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，其動力源來自于與其配套的循環(huán)泵。當(dāng)初開發(fā)FJC36型長喉管噴射式浮選機(jī)時，單位容積循環(huán)量的試驗(yàn)尚未開展，致使其循環(huán)泵選型偏小，影響了該規(guī)格浮選機(jī)的分選效果。所以在本項(xiàng)技改工作中，改換為功率較大的循環(huán)泵，增加了單位容積循環(huán)量，使其達(dá)到最佳值。

3.2 改裝為浸沒式充氣攪拌裝置

將長喉管噴射式浮選機(jī)改裝為短喉管噴射式浮選機(jī)(即改裝為浸沒式充氣攪拌裝置)的工作量較小，只要將中心入料管縮短到規(guī)定尺寸后，組裝原有的分配室和噴射室，再安裝上短喉管即可。

噴射式浮選機(jī)充氣攪拌裝置改裝后，其流態(tài)有極大改善。對于噴射式浮選機(jī)和機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，可以將它們的浮選室粗略的分成底部攪拌區(qū)、中部泡沫升浮區(qū)、上部泡沫區(qū)，在攪拌區(qū)要有適度的攪拌力，使顆粒懸浮、氣泡與浮選劑分散，更要促使顆粒與氣泡實(shí)現(xiàn)有選擇性的黏附。在升浮區(qū)力求流態(tài)平穩(wěn)，使礦化的氣泡徐徐平穩(wěn)上升，盡量避免已黏附在氣泡上的低灰分煤粒(尤其是粗粒)脫落。在泡沫區(qū)希望流態(tài)更為平穩(wěn)，以利于礦化泡沫的二次富集。

對于短喉管噴射式浮選機(jī)，每個浮選室的4個噴嘴內(nèi)部鑄有導(dǎo)向葉片，葉片有順時針旋轉(zhuǎn)和逆時針旋轉(zhuǎn)兩種，它們交錯排列，含氣循環(huán)煤漿由短喉管沿360°圓周旋轉(zhuǎn)噴出，以20°～25°夾角撞擊假底后，又以10°～15°夾角向周邊反射，由于旋轉(zhuǎn)方向相反，因此相鄰的旋轉(zhuǎn)流不會相互碰撞，而匯合成趨向刮泡堰的液流(見圖3)。因此不但在升浮區(qū)和泡沫區(qū)的流態(tài)要平穩(wěn)得多，而且還增加了泡沫層向刮泡堰的游動性。

圖3 短喉管浮選機(jī)循環(huán)充氣煤漿流動示意

安徽理工大學(xué)曾在20 L的試驗(yàn)裝置中，采用示綜粒子圖像(PIV)測試技術(shù)[6]，驗(yàn)證了短喉管浮選機(jī)比長喉管浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)更為合理，前者流態(tài)特點(diǎn)更有利于煤泥分選。

從噴嘴噴出的旋轉(zhuǎn)射流，在短喉管中的摩擦阻力較小，又去除了傘形分散器，因此充氣攪拌裝置有較大的攪拌力，為此在每個短喉管下方鋪設(shè)了輝綠巖鑄石板，以保證假底不會因旋轉(zhuǎn)射流長期沖擊而磨穿。

3.3 縮短刮泡器直徑

刮泡條件是“豐產(chǎn)”的浮選精煤能否實(shí)現(xiàn)“豐收”的關(guān)鍵。刮泡條件可分為二類。一類是泡沫層的流動性，其為第一要務(wù)。另一類是刮泡器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，它起到推波助瀾的作用。

3.4 泡沫層的流動性

促進(jìn)泡沫層向刮泡堰的流動，除了合適的藥劑制度外，對于帶有浸沒式充氣攪拌裝置的短喉管噴射式浮選機(jī)，除有4根內(nèi)徑為50 mm的吸氣管伸出液面外，沒有任何機(jī)械部件阻擋，致使泡沫層流動通暢。另外，該系列浮選機(jī)的流態(tài)，也促進(jìn)泡沫層向刮泡堰方向流動。

3.5 刮泡器

由于FJC36型浮選機(jī)為倒梯形的縱斷面，室寬為4 410 mm，故采用了轉(zhuǎn)速為17 r/min，直徑為1 400 mm的刮泡器，這就產(chǎn)生了兩個問題：

(1)雖然刮泡間距大了，但刮泡深度高達(dá)285 mm，如果泡沫層厚度小于此值，特別是浮選機(jī)第3、4室，就有刮水的可能，導(dǎo)致泡沫濃度降低，灰分增高。

(2)刮泡器的線速度高達(dá)1.25 m/s，以如此速度擾動泡沫層，必然會影響它的二次富集作用。筆者體會到噴射式浮選機(jī)改裝后，泡沫層的流動性得到改善，所以將刮泡器的直徑縮短至1 000 mm，在其轉(zhuǎn)速不變的情況下，線速度相應(yīng)降為0.89 m/s，刮泡深度相應(yīng)減至70 mm。實(shí)踐表明，只要保持良好的泡沫流動性，采用較小直徑的刮泡器即可提高浮選精煤產(chǎn)率。改裝前后的刮泡器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)見表1。

表1 刮泡器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)

4 入浮煤泥性質(zhì)

巴彥淖爾選煤廠屬于中心類型選煤廠，專門分選來自蒙古國的煉焦原煤，入浮煤泥性質(zhì)可從粒度組成和煤泥可浮性兩個方面進(jìn)行判別。

4.1 粒度組成

入浮煤泥粒度組成見表2。

表2 入浮煤泥粒度組成

由表2可知：

(1)浮選入料中大于0.125 mm粒級產(chǎn)率為0.44%，表明巴彥淖爾選煤廠浮選入料粒度控制較好。

(2)入料中，隨粒徑變細(xì)，灰分呈現(xiàn)增高的趨勢，在變細(xì)到0.03 mm之前增灰不大，小于0.030 mm粒級細(xì)泥灰分有大幅度提高，這表明在細(xì)泥中富集了一部分易泥化的粘土類礦物質(zhì)或暗淡型煤巖組分(暗煤、絲炭)。

(3)浮選入料的粒度極細(xì)。國內(nèi)選煤廠小于0.045 mm粒級產(chǎn)率一般在50%上下，而該廠小于0.045 mm粒級產(chǎn)率高達(dá)78.27%，尤其是小于0.030 mm粒級產(chǎn)率達(dá)65.47%，這樣細(xì)的粒度組成在國內(nèi)是罕見的，它是影響浮選效果的關(guān)鍵因素，應(yīng)該選用工藝特性良好的浮選機(jī)，采用低濃度入料煤漿浮選，來提高分選效果。

4.2 可浮性

實(shí)驗(yàn)室分步釋放浮選試驗(yàn)結(jié)果見表3。以此繪制的精煤灰分與產(chǎn)率的關(guān)系曲線見圖4。

表3 分步釋放浮選試驗(yàn)結(jié)果

圖4 精煤灰分與產(chǎn)率關(guān)系曲線

從表3中可看出，通過粗選可分離出產(chǎn)率為13.70%、灰分為73.61%的尾煤，但分選出的粗選精煤灰分高達(dá)17.21%。經(jīng)過一次精選，精煤灰分可降至11.00%的水平，同時分離出的精選尾煤其灰分為53.60%，產(chǎn)率為12.42%，這部分物料可能是單體解離程度差的細(xì)泥，雖然它對浮選劑吸附力強(qiáng)，在粗選時混雜在泡沫中，但在精選時還是較容易排除的。

從圖6可以查得，當(dāng)精煤灰分為11.33%時，浮選精煤理論產(chǎn)率為74.41%，則可計算出浮選精煤可燃體回收率為：

=87.90%

按照GB/T 30047-2013《煤粉(泥)可浮性評定方法》，當(dāng)可燃體回收率在80.1%～90.0%時屬中等可浮煤泥。

5 生產(chǎn)測定指標(biāo)

將FJC36-4型噴射式浮選機(jī)改裝為浸沒式充氣攪拌裝置后進(jìn)行了生產(chǎn)測定試驗(yàn)[7-8]。

5.1 工藝效果

試驗(yàn)測得，浮選入料灰分為Ay=25.39%，精煤(泡沫)灰分為Aj=11.33%，尾煤灰分Aw=69.79%。可以得出：

尾煤產(chǎn)率：γw=100-75.95=24.05%。

浮選完善指標(biāo)：ηwf=E1-E2=90.26-33.89=56.37%。

浮選精煤可燃體回收率高達(dá)90.26%，其表征煤泥中的可燃體有90%以上被精煤所回收。浮選精煤非可燃體混雜率為33.90%，其表征煤泥中的非可燃體雜質(zhì)僅有三成混雜在精煤中，其浮選完善指標(biāo)為56.36%。我國的煤泥可浮性差的居多數(shù)，除極個別選煤廠的浮選完善指標(biāo)大于60%以外，能在50%以上就算不錯的。該廠浮選機(jī)改裝后，能達(dá)到這樣水平，可以說是良好的。特別要指出的在入浮煤泥極細(xì)的條件下，取得這樣的成績是十分可貴的。

5.2 各粒級分選指標(biāo)

浮選精煤、尾煤的粒度組成及各粒級的分選指標(biāo)見表4。

表4 浮選精煤、尾煤及各粒級的分選指標(biāo)

由表4可知：

(1)入料中大于0.25 mm粒級灰分低、粒度粗、分選指標(biāo)差，是入浮煤泥的粒度控制對象，由于該廠入料粒度控制到位，其產(chǎn)率可以忽略不計。

(2)尾煤中0.075～0.045 mm和0.045～0.03 mm粒級的灰分分別為60.92%和64.41%，這兩個粒級精煤可燃體回收分別為91.96%和92.78%，這表明在獲得良好的可燃體回收的同時，也得到了高效的分選，浮選完善指標(biāo)分別為55.17%和54.93%。

(3)小于0.03 mm粒級精煤灰分為13.23%，尾煤灰分為72.16%，其浮選完善指標(biāo)高達(dá)56.18%，說明改裝后浮選機(jī)對高灰細(xì)泥具有很高的選擇性。

6 效 益

(1)噴射式浮選機(jī)改裝后，浮選尾煤灰分提高了13.28個百分點(diǎn)，精煤灰分降低了1.78個百分點(diǎn)，浮選精煤產(chǎn)率增加了6.71個百分點(diǎn)。該廠銷售精煤灰分為10.50%，浮選精煤經(jīng)沉降過濾式離心脫水機(jī)脫泥脫水后匯合于重介精煤中作為銷售精煤，基本上消除了重介精煤為浮選精煤“背灰”現(xiàn)象。

(2)蒙古原煤中小于0.5 mm粒級煤泥產(chǎn)率約為25%，進(jìn)入浮選生產(chǎn)系統(tǒng)的煤泥占總煤泥量的40%，浮選機(jī)改裝后，浮選完善指標(biāo)提高了11.03個百分點(diǎn)，浮選精煤產(chǎn)率增加了6.71個百分點(diǎn)，2021年因新冠疫情影響，全廠僅入選蒙古原煤61.9萬t。全廠精煤增產(chǎn)0.4萬t，按精煤價格1 800元/t計，2021年精煤銷售收入增加了747.63萬元。若按年設(shè)計入選300萬t計算，全年精煤銷售收入可增加3 600余萬元。

(3)浮選機(jī)改裝前，因煤漿對喉管和傘形分散器的劇烈磨損，每年至少更換兩次。改裝為浸沒式充氣攪拌裝置后，在保證各部件質(zhì)量的前提下，可安全免維護(hù)5 a，這樣可大大節(jié)省維修成本和工作量。

(4)與噴射式浮選機(jī)配套的四臺循環(huán)泵更換后，其電動機(jī)功率由原先的55 kW更換為75 kW，由此2021年電費(fèi)增加了5.26萬元。

7 結(jié) 語

巴彥淖爾選煤廠噴射式浮選機(jī)改裝是成功的，在入浮極細(xì)的蒙古國煤泥的生產(chǎn)條件下，改裝后浮選精煤灰分下降了1.78個百分點(diǎn)，尾煤灰分增加了13.28個百分點(diǎn)，浮選完善指標(biāo)上升了11.03個百分點(diǎn)，精煤產(chǎn)率提高了6.17個百分點(diǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

該噴射式浮選機(jī)改裝成功，不僅是增加了充氣攪拌裝置的使用壽命，減少了維修工作量，更主要的是從以下三方面，改善了浮選機(jī)的工藝性能：

(1)用最佳單位容積循環(huán)量來重新配置噴射式浮選機(jī)的循環(huán)泵；

(2)消除浮選機(jī)內(nèi)部的渦流，使得在氣泡升浮區(qū)和泡沫區(qū)有較為穩(wěn)定的流態(tài)；

(3)促進(jìn)泡沫層的流動性，減小刮泡器的直徑，從而改變刮泡深度和線速度。

內(nèi)蒙古烏海地區(qū)的雙欣選煤廠、榕鑫選煤廠也對FJC36-4型浮選機(jī)進(jìn)行了改裝，在保證浮選精煤指標(biāo)的前提下，尾煤灰分提高了10～15個百分點(diǎn)，均取得了良好效果。