FJCA型喷射式浮选机放大原则及FJCA36型喷射式浮选机在潘集选煤厂的工艺指标_吴大为.pdf

■ 煤炭洗选加工 FJCA 型喷射式浮选机放大原则及 FJCA36 型喷射式浮选机在潘集选煤厂的工艺指标 吴大为1,2, 丁光耀1, 王恩生3, 王海艳4, 周宏强3, 殷志杰1 1. 北京国华科技集团有限公司, 北京 101300; 2. 华北科技学院, 河北 三河 065203; 3. 淮南矿业集团选煤分公司 潘集选煤厂, 安徽 淮南 232000; 4. 煤炭工业石家庄设计研究院, 河北 石家庄 050000 摘 要 介绍了具有中国自主知识产权的 FJCA 型喷射式浮选机的放大原则, 该设备属于 非机械搅拌式浮选机范畴, 笔者创新地提出了单位容积循环量相同的准数。 FJCA36 型喷射式浮 选机是按上述放大原则而研发的。 清水试验表明, 充气均匀系数高达 91. 72, 充气容积利用 系数为 100. 00, 潘集选煤厂以 FJCA36-4 型浮选机为核心的浮选生产系统, 在入选煤泥细泥 含量较多、 灰分较高的生产条件下, 能分选出灰分小于 10的精煤和灰分高于 60的尾煤。 分 选完善指标为 56. 57, 浮选精煤数量指数为 123. 03。 关键词 喷射式浮选机; 放大原则; 清水性能试验; 分选完善指标; 浮选精煤数量指数 中图分类号 TD943 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202010-0001-07 收稿日期 2020-07-06 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 10. 001 作者简介 吴大为1940, 男, 上海人, 北京国华科技集团有限公司教授, 长期从事浮游选煤和煤泥水处理领域的教学和科研工作。 引用格式 吴大为, 丁光耀, 王恩生, 等. FJCA 型喷射式浮选机放大原则及 FJCA36 型喷射式浮选机在潘集选煤厂的工艺指标 [J]. 煤 炭加工与综合利用, 202010 1-7. 1 概 述 具有中国自主知识产权的 FJCA 型喷射式浮 选机是在原有的 FJC 型浮选机的基础上研发 的[1-4], 其结构见图 1。 FJCA 型浮选机为直流式, 一般由 4 个浮选室 组成。 在每个浮选室中、 下部按对角线对称安装 4 个充气搅拌装置, 充气搅拌装置由喷射室、 喷嘴、 短喉管和吸气管等部件组成。 循环煤浆由循环泵 加压后, 经分配室从带有导向叶片的喷嘴高速喷 出, 在喷射室内形成负压, 将空气从吸气管吸入 并卷裹到喷射流中[2-7], 旋转的含气煤浆又经短喉 管沿圆周斜射到假底, 实现充气搅拌[4-7]。 微泡析出是喷射式浮选机的一个主要工艺特 性。 当加压煤浆从喷嘴瞬间喷出, 压力剧降, 溶于 液体中的气体以微泡形式析出, 有选择性地粘附在 疏水性良好的煤粒上, 强化了浮选过程[1-6,10]。 图 1 FJCA 型浮选机结构示意 喷射式浮选机具有结构简单、 过流部件使 用寿命长、 分选效果好、 煤浆通过量大、 浮选 剂和电耗较低等优点[6-10]。 包括在美国成功使 用的 3 台在内, 已生产制造了数百台之多。 但 1 煤炭加工与综合利用 No. 10, 2020 COAL PROCESSING u 流量系数, 取 u0. 94; d 喷嘴出口直径, m; g 重力加速度, m/ s2; H 喷嘴工作压力, MPa。 每个浮选室有 4 个喷嘴, 所以浮选室的循环 煤浆量 Q4Q1。 成对对比试验所优化的每个浮选室循环量 Q 与浮选室容积 V 的比值, 称为单位容积循环量 Q0, 即式2 Q0 Q V 4Q1 V 2 故此将 Q0值作为流动状态相似准数, 它是 FJCA 系列喷射式浮选机放大的最为基础的数据。 2. 1. 2 浮选室断面形状的确定 浮选室断面形状也是影响分选效果的主要因 素之一。 在淮南潘一选煤厂一期改造工程中采用 的 FJCA-20 型浮选机的断面为倒梯形, 二期改 造工程中采用的同规格浮选机的断面为矩形。 在 单室容积和室底尺寸不变的条件下, 后者的室深 增加 1/6, 有助于提高分选的选择性, 相应的室 宽缩短近 1/4, 使得浮选泡沫能及时刮出。 研究者们对不同断面形状的 FJCA-20 型浮 选机进行了 14 次成对对比工业性试验, 数理统 计表明, 有 99的把握判定, 矩形断面形状的工 艺指标要好于倒梯形断面。 所以确定在 FJCA 型 放大时采用矩形断面形状。 2. 2 几何条件相似 2. 2. 1 喷嘴出口直径的确定 几何条件相似是指浮选机中各主要部件的几 何形状和尺寸相似。 随着浮选机容积的放大, 循 环量依据单位容积循环量相同的原则按比例增 大, 此时要改变的是喷嘴出口直径, 喷嘴出口直 径 d 为 d Q1 900πu200gH 3 取得 d 值后, 喷射室的结构尺寸则不难确定 了。 2. 2. 2 搅拌装置结构参数的确定 FJCA 型喷射式浮选机的搅拌装置是短喉管, 它是在容积为 6 m3的试验槽体中完成 3 个结构 参数优化, 其结构见图 2。 1短喉管内径 D。 短喉管的作用是保证喷 嘴喷出的含气旋转流的密封性, 使喷射室内形成 足够的负压, 以期从吸气管吸入适量空气[1-4,10]。 D 值过小, 将使旋转流摩擦阻力增大; D 值过 2 煤炭加工与综合利用2020 年第 10 期 图 2 搅拌装置的结构参数优化 大, 将使密封性变差。 2短喉管长度 L。 L 值过小, 将使密封性变 差; L 值过大, 将使旋转流阻力增大。 3短喉管出口离假底的距离 H。 H 值过小, 意味充气搅拌装置的浸水深度增大, 充气量变 小。 反之, 将使假底上的搅拌力过弱, 致使粗颗 粒沉淀。 在浮选机放大时, 这3 个几何相似系数见表1。 表 1 短喉管的几何相似系数 mD/ d短喉管内径 D 与喷嘴出口直径 d 的比值 nL/ d短喉管长度 L 与喷嘴出口直径 d 的比值 pH/ d短喉管出口离假底距离 H 与喷嘴出口直径 d 的比值 2. 3 边界条件相似 边界条件相似是指浮选机入料和出料的煤浆 流动状况相似, 具体要求是, 煤浆沿浮选室全宽 作均匀地慢速流动。 2. 3. 1 流通孔的面积 首先在浮选机第一室端面设置入料箱, 箱体 宽度略小于浮选室的宽度并在其中设置隔板, 避 免入浮煤浆从管道出口直接冲入浮选室内, 强制 煤浆按浮选室全宽以小于 0. 15 m/ s 的水平流速 流动。 FJCA 型喷射式浮选机为直流式浮选机, 在前后室的底部之间及最后一室与尾矿箱之间开 设的流通孔面积与入料箱的相同。 2. 3. 2 尾矿箱闸板宽度 直流式浮选机的尾矿箱闸板升降调整的是整 台浮选机的液面, 因此闸板理应保持足够的宽 度。 这可用矩形薄壁堰的流量计算式4来定性 进行简析 Q mB2g h 3 2 4 式中 Q 尾煤溢流量, m3/ h; m 流量系数; g 重力加速度, m/ s2; B 闸板宽度, m; h 闸板上方水头高度, m。 闸板上方水头高度即为浮选机液面, 在溢流 量 Q 值不变的条件下, 闸板 B 越宽, 液位 h 变动 幅度就越小, 则更能适应浮选机入料量的波动。 在一定范围内起到 “自平衡” 作用。 3 FJCA36 型喷射式浮选机清水性能测试 FJCA36 型浮选机是按上述浮选机放大原则 而开发的。 该设备单室容积为 36 m3, 室深 2. 35 m, 液面尺寸为 4. 00m4. 00m。 浮选机的工艺效 果优劣取决于其 充 气 搅 拌 性 能。 参 照 MT/ T 6521997煤用浮选机清水性能试验方法和判定 准则, 于 2014 年对已经投入生产使用的淮南潘 一东选煤厂的 FJCA36-4 进行测试。 测试指标有 以下 4 项 1各测点单位充气量 Qi, m3/ m2min, 其计算式5为 Qi 0. 6H t 5 式中 t 充气量测量仪记录的充气时间, s; H 空气充满测量筒的高度, cm。 2平均单位充气量简称充气量Q, 其计 算式为 Q 1 n ∑ n i 1 Q6 式中 n 液面下水平面的测点个数。 3充气均匀系数 K, 其计算式为 K 100 1 - 1 nQ∑ n i 1 Qi - Q 7 4充气容积利用系数 F, 其计算式8为 F N - N′ N 1008 式中 N′ 单位充气量小于 0. 1 m3/ m2 min的测点数; N 各测量水平层测点总数。 FJCA36 型浮选机清水充气性能试验测点布 置见 图 3。 测 量 水 平 层 为 液 面 下 120 mm、 420 mm、 720 mm、 1 020 mm、 1 320 mm 共 5 层, 320 个测点。 测试结果见表 2。 3 2020 年第 10 期吴大为, 等 FJCA 型喷射式浮选机放大原则及 FJCA36 型喷射式浮选机 图 3 FJCA36 型浮选机清水充气性能试验测点布置 表 2 FJCA36 型浮选机充气搅拌性能指标 充气搅拌 性能指标 静液面下距离/ mm 12042072010201320 充气均匀系数 K/ 91. 74 82. 49 81. 32 80. 37 83. 26 平均单位面积充气量 Q/ m3m2min -1 1. 05 充气容积利用系数 F/ 100. 00 从表 2 数据可知 1最大单位面积充气量 Q1大于 1. 0 m3/ m2min, 表征该浮选机的潜能, 在正常生产 条件下, 对于可浮性较差、 浮选速度较慢煤泥浮 选, 充气量在 0. 5 m3/ m2min左右就足矣。 2在液面下 120 mm 测定水平面, 充气均 匀系数高达 91. 74。 由于搅拌紊流的影响, 随 着测试深度的递增, K 值是呈下降的趋势, 但在 液面下 1 320 mm 仍高达 83. 26, 这表征充气搅 拌均匀程度是非常良好的。 3充气容积利用系数为 100, 表明在所 测定的浮选机立体空间内都有气泡存在。 能具有以上优良的充气搅拌指标, 与浮选机 槽底对称布置 4 个充气搅拌装置有关见图 4。 安装在充气搅拌装置中的喷嘴内腔铸造有导向叶 片, 它有顺时针旋转和逆时针旋转之分, 两者交 错排列, 致使从各短喉管旋转甩出含气煤浆不是 迎面相撞, 而是汇合成流, 趋向两侧刮泡堰, 有 助于泡沫的刮出[1-2]。 由于浮选机内涡流程度低, 所以充气搅拌均匀性良好。 通过清水性能试验取得了相关性极其良好的 充气搅拌装置浸水深度与充气量的回归方程, 该 图 4 短喉管旋转甩出的煤浆流动示意 方程式9如下 Q A - 0. 21H9 式中 Q充气量, m3/ m2min; H 浸水深度短喉管出口离静液面的 距离, m; A 回归方程线的截距。 该式表征当浸水深度每增 0. 1 m 时, 充气量 随之减少 0. 021 m3/ m2min。 众所周知, 浮 选机大型化后, 浮选室随之加深, 该方程可为充 气量变化的预测提供了可靠的依据。 4 FJCA36 型浮选机在潘集选煤厂的工艺指标 淮南矿业集团选煤分公司潘集选煤厂设计入 选原料煤 12. 0 Mt/ a, 采用的是大型无压给料三 产品重介质旋流器煤泥重介质旋流器煤泥浮 选的联合分选工艺, 洗水实现闭路循环。 该厂工 艺和设备国内领先, 国际一流, 是目前主厂房单 体最大的炼焦煤选煤厂。 该厂于 2015 年动工建 设, 2018 年 3 月全面竣工投产。 4. 1 入浮煤泥性质 4. 1. 1 粒度组成 潘集选煤厂是矿区型选煤厂, 可入选多个矿 井的原料煤。 鉴于淮南煤田的煤泥多数具有含细 泥量多、 灰分高、 可浮性差的特性, 该厂采用了 脱泥池预先脱泥、 煤泥粗选、 粗选泡沫全部精 选、 精选泡沫用加压过滤机脱水回收的联合工艺 流程见图 5。 北京国华科技集团有限公司和淮南矿业集团 选煤分公司就申报中国煤炭工业协会 “超千万吨 级特大型高效智能选煤厂关键技术、 设备的研究 与应用” 科研项目的鉴定, 于 2018 年 12 月开 始, 在入洗 2 号原煤期间对潘集选煤厂的整个生 4 煤炭加工与综合利用2020 年第 10 期 产系统进行采样和检测。 入选煤泥粒度组成见表3, 粒度特性曲线见图 6。 表 3 入选煤泥粒度组成脱泥池入料 粒级/ mm0. 250. 250. 1500. 1500. 1250. 1250. 0750. 0750. 0450. 0450. 0300. 030合计 产率/ 5. 1911. 255. 7113. 8015. 413. 0345. 61100. 00 灰分/ 9. 789. 9111. 5915. 8123. 8730. 8952. 8433. 18 累计产率/ 5. 1916. 4422. 1535. 9551. 3654. 39100. 00 加权平均灰分/ 9. 789. 8710. 3112. 4215. 8616. 6933. 18 图 5 潘集选煤厂煤泥浮选生产系统工艺流程 图 6 入选煤泥粒度特性曲线 从表 3 数据可知 1入选煤泥灰分33. 18, 偏高了一些, 我 国选煤厂入浮煤泥灰分多数在2030范围内。 2随粒径变小, 灰分增高的趋势明显。 大 于 0. 030 mm 各粒级之间增灰趋势较缓, 而小于 0. 030 mm 粒级较前一粒级, 灰分猛增 21. 95 个 百分点, 高达 52. 84, 说明在小于 0. 030 mm 的 细泥中富集了高灰分矿物质。 3由图 6 可看出, 该曲线呈现凹形, 说明 入选煤泥粒度组成偏细, 小于 0. 030 mm 的细泥 产率高达 45. 61, 是入选煤泥的主导粒级。 细 泥产率高、 灰分高是入选煤泥的基本特征, 也是 该厂煤泥可浮性差的主要原因。 4大于 0. 150 mm 粗粒产率为 16. 44, 灰 分小于 10, 可视为合格精煤。 在煤泥浮选生产 系统中, 应尽量将其回收, 避免损失。 还可以看 出, 三产品重介质旋流器和煤泥重介质旋流器联 合分选的工艺效果是显著的, 潘集选煤厂的重力 分选设备的分选下限基本达到了 0. 15 mm。 4. 1. 2 可浮性 入选煤泥分布释放试验结果见表 4, 以此绘 制的精煤产率和灰分关系曲线见图 7。 表 4 浮选分布释放试验结果 产物产率/ 灰分/ 累计产率/ 加权平均灰分/ 精煤37. 938. 8637. 938. 86 尾煤 516. 7514. 5754. 6810. 61 尾煤 49. 0320. 5363. 7112. 01 尾煤 33. 6338. 2467. 3413. 43 尾煤 24. 5468. 9371. 8716. 93 尾煤 128. 1374. 68100. 0033. 17 合计100. 0033. 17 图 7 精煤产率和灰分关系曲线 从表 4、 图 7 可知晓 1粗选时可分选出产率达 28. 13, 灰分高 达 74. 68的尾煤, 这部分是单体解离程度较好 的矿物杂质, 结合表 3 粒度组成数据, 可判断粗 选尾煤以小于 0. 030 mm 细泥为主。 2粗选精煤灰分高达 16. 93。 通过第一次 5 2020 年第 10 期吴大为, 等 FJCA 型喷射式浮选机放大原则及 FJCA36 型喷射式浮选机 精选, 可分选出灰分为 13. 43的精煤和灰分高 达 68. 93的尾煤。 说明这部分高灰细泥吸附性 好, 易混杂在粗选精煤之中。 这是煤泥可浮性差 的第一个原因。 3 再经过三次精选才能分选出灰分低于 9的精煤, 也就是说有产率为 32. 41、 灰分为 17. 53的煤粒在泡沫上粘附能力强, 不易脱落, 这是影响煤泥可浮性差的第二个原因。 4从图 7 曲线上查得, 当最终精煤灰分为 9. 72时, 标准精煤产率为 46. 50, 其可燃体 回收率为 62. 81, 按中国煤泥可浮性分类判定, 近于极难浮煤泥等级。 5煤炭可选性是以分选密度0. 1 含量扣 沉矸来划分可选性等级。 一些研究者认为煤泥 的可浮性也可参照这种理念来划分, 即精煤灰分 1 个百分点含量。 从图 7 曲线查得灰分 8. 72 至 10. 72区间曲线产率为 21, 扣除粗选尾煤 产率后, 精煤灰分1 个百分点含量为 29. 21。 精选精煤灰分 9. 72的坐标点, 位于曲线的陡峭 段, 精煤灰分稍有波动, 必然导致产率的大幅度 波动。 这表示有近 30占入料煤泥直接影响 精选作业的精煤产率和灰分。 4. 2 工艺指标 4. 2. 1 粗选作业工艺指标 按生产经验来看, 在本次测试时, 入选煤泥 灰分偏低些, 所以浮选入料脱泥池采用了少脱泥 的措施。 据测定, 粗选入料灰分 Af为 31. 24, 精煤泡沫灰分 Ac为 13. 33, 尾煤灰分 Aw为 60. 70, 按灰分平衡法计算得, 精煤产率 γc为 62. 20, 尾煤产率 γw为 37. 80。 人们对浮选作业的期望是在精煤中可燃体回 收的越多就越好, 非可燃体混杂的越少就越好, 所以在 GB/ T 341642017 选煤厂浮选工艺效 果评定方法 中, 用浮选完善指标 ηif来评定 ηif E 1 - E 2 10 式中 ηif 浮选完善指标,; E1 精煤可燃体回收率,; E2 非可燃体混杂率,。 E1 γc100-Ac 100-Af 100 78. 40, 这表征在 精煤中回收了近 80的可燃体。 E2 γcAc Af 100 26. 54, 这表征在精煤 中混杂了约 1/4 的非可燃体。 则浮选完善指标 ƞif51. 86, 属良好指标。 4. 2. 2 精选作业工艺指标 GB/ T 341642017 选煤厂浮选工艺效果评 定方法 所评定是煤泥粗选作业, 精选作业的入 料粗选泡沫与粗选入料的性质根本不同, 所以 不宜用该标准来进行评定。 对精选入料而言, 一 般来讲产率占 6070的大于 0. 03 mm 粒级已 属质量合格的精煤, 而产率占 30 40的小于 0. 03 mm 细泥正是脱泥降灰的对象。 一些业内人 士认为应从两方面综合评定, 对于大于 0. 03 mm 粒级, 是可燃体回收率 E1, 对于小于 0. 03 mm 细泥应是非可燃体脱除率 E3, E3100-E2,。 精选作业的综合评定指标为精选完善指标 ηwf,。 它是可燃体回收率 E1和非可燃体脱除率 E3的几何平均值, 即 ηwfE1 E 3 11 实测精选作业入料含循环返回的滤液灰分 Af 13. 74, 精煤泡沫灰分 Ac 11. 03, 尾 煤灰分 Aw 56. 69。 计算得, 精煤产率 γc 94. 08, 尾煤产率 γw 5. 92, 精煤可燃体回 收率 E1 97. 04, 这表征在精选过程, 可燃体 的损失量不超过 3, 精煤绝对降灰幅度为 2. 30 个百分点, 非可燃体脱除率 E3 22. 10, 精选 完善指标 ηwf46. 31。 达到了较为满意的效果。 4. 2. 3 浮选生产系统工艺指标 将浮选入料脱泥池、 粗选、 精选、 加压过滤 机四道工序整合为一体视为潘集选煤厂的浮选生 产系统。 其入选煤泥即脱泥池入料灰分 Af 33. 18, 精煤滤饼灰分 Ac 9. 72。 由于加 压过滤机滤液的灰分远高于其入料灰分, 所以该 设备除脱水回收外, 还兼有一定的脱泥降灰功 能, 本次测试其精煤绝对降灰幅度为 1. 31 个百 分点。 该生产系统的尾煤灰分为脱泥池溢流、 粗 选尾煤、 精选尾煤的加权平均值 Aw60. 13。 就此, 可以得到以下判定 潘集选煤厂以 FJCA36-4 型喷射式浮选机为核心的浮选生产系 统可以将可浮性差、 细泥量较多、 灰分较高的煤 泥, 分选出灰分低于 10的精煤和灰分高于 60 的尾煤。 分选完善指标 E56. 57, 工艺效果是 6 煤炭加工与综合利用2020 年第 10 期 满意的。 如果以实验室分步释放试验所获得的与实际 生产的精煤灰分相同精煤产率视为标准精煤产 率, 由图 7 可得, γ 46. 50, 而实际精煤产率 γ′ 57. 21 见 图 5。 在 GB/ T 341642017 选煤厂浮选工艺效果评定方法 中, 还有一项 评定项目浮选精煤数量指数 ηwf,。 其定义是 实际浮选精煤产率 γ′与同灰分的标准精煤产率 γ 的百分比值, 即 ηwf γ′ γ 10012 则该厂的浮选生产系统的浮选精煤数量指 数 ηwf 57. 21 46. 50100123. 03。 针对实际生产效果远好于实验室试验结果, 笔者作以下简要解释 浮选工业生产是连续过 程, 实验室则是间断性的。 更为重要的, 二者浮 选设备充气搅拌性能, 即流态大不一样。 通常实 验室浮选机是在容积为 1. 5 L 的小小槽体内, 安 装一个直径为 60 mm 的叶轮, 以 1 800 r/ min 的 速度旋转, 在如此剧烈的搅拌力下, 不同灰分的 煤粒混杂程度可见一斑。 由于实验室浮选机落 后, 基本上仍停留在 20 世纪 80 年代的水平, 所 以出现工业生产的工艺指标要好于实验室指标不 足为奇。 粗选作业、 精选作业、 浮选生产系统的 工艺指标汇总结果见表 5。 表 5 粗选作业、 精选作业、 浮选生产系统工艺指标 项目粗选作业精选作业浮选生产系统 入料灰分/ 31. 24 13. 74 含滤液 33. 18 脱泥池入料 精煤灰分/ 13. 3311. 039. 72滤饼 尾煤灰分/ 60. 756. 7960. 13综合 精煤可燃体回收率/ 78. 497. 0472. 23 精煤非可燃体混杂率/ 26. 5415. 66 浮选完善指标/ 51. 8656. 57 非可燃体脱除率/ 22. 1 精选完善指标/ 46. 31 浮选精煤数量指数/ 123. 03 5 结 语 FJCA 型喷射式浮选机属非机械搅拌式浮选 机, 其放大原则有三要素 流体流动状态相似、 几何条件相似和边界条件相似。 以流体流动状态 相似为重点, 笔者创新地提出了浮选室单位容积 循环量相等的准数。 FJCA36 型喷射式浮选机是以 FJCA20 型浮选 机为原型, 按放大原则研发出来的产品, 其清水 性能测试获得了良好的指标 最大单位面积充气 量 Q1. 05 m3/ m2min; 120 mm 液面以下充 气均匀系数 K 91. 74, 充气容积利用系数 F 100。 生产实践表明, 该机充气搅拌性能良好, 在浮选机假底从未发现粗颗粒沉淀现象。 在潘集选煤厂以 FJCA36-4 型喷射式浮选机 为核心的浮选生产系统的工艺指标为 分选完善 指标 E 56. 57, 浮 选 精 煤 数 量 指 数 ηwf 123. 03。 其工艺效果是令人满意的。 为保证长期良好运行, 对 FJCA 系列浮选机 还采取了以下二项措施 ① 在浮选室底板和假 底之间安置了金属篦子, 其孔径小于喷嘴出口直 径, 避免杂物堵塞; ② 在浮选室假底铺设铸石 板, 短喉管粘设硅铝陶瓷内衬, 喷嘴体采用高铬 铸铁材质, 以防磨损。 参考文献 [1] 吴大为. 喷射旋流式浮选机 [M].北京 煤炭工业出 版社, 1997. 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