xjm-ks型浮選機假底吸周邊串流礦漿流態(tài)分析

xjm-ks型浮選機假底吸周邊串流礦漿流態(tài)分析

國家“五階段”計劃預計，單位gdp可減少20%，主要污染物排放總額降至10%，這是限制因素。近年來,隨著我國石油、天然氣和水能開發(fā)量的增加,煤炭在能源構成中的比例有所減少,但其主要地位仍未改變,化石燃料的使用與消耗是構成環(huán)境污染的主要來源,提高煤炭利用效率、實現(xiàn)潔凈利用煤炭是節(jié)能減排工作的重點所在。選煤是潔凈煤技術的源頭和基礎,煤炭通過洗選可排出大部分的灰分(雜質(zhì))、硫分,為煤炭用戶提供潔凈、質(zhì)量合格、適銷對路的產(chǎn)品,是節(jié)能、節(jié)運、保護環(huán)境、提高煤炭利用效率最經(jīng)濟和有效的途徑。大力發(fā)展煤炭洗選是歷史的必然選擇。根據(jù)國家要求和行業(yè)發(fā)展規(guī)劃,到“十一五”末,原煤入選比例要提高到50%以上。據(jù)不完全統(tǒng)計,2006年末,全國共有年入選原煤15萬t以上的選煤廠1043座,年入選能力9.16億t,原煤入選率為33.8%。浮選是煤泥分選的主要方法,也是迄今為止最有效的煤泥分選方法,其所處理的煤泥量占入選原煤總量的10.7%。以目前全國選煤能力估算,全國浮選能力約1億t/a,現(xiàn)有各種類型浮選設備在1100臺左右。2006年我國選煤廠平均規(guī)模為88萬t/a,平均小時處理能力為210t,遠低于發(fā)達國家800t/h的平均規(guī)模。選煤廠規(guī)模大型化、設備大型化、工藝簡單化是我國選煤工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。雖然最近幾年浮選機在大型化方面取得了一定進展,但是,單機最大處理能力只能滿足300t/h原煤入選能力(相當于150萬t/a選煤廠)的要求。按照發(fā)達國家原煤處理能力800t/h的平均規(guī)模計算,浮選機的單槽容積應達到60m3,而我國目前最大的機械攪拌式浮選機只有20m3,尚不能滿足大型高效選煤生產(chǎn)的需要。選煤廠大型化、高效化、節(jié)能化、自動化的發(fā)展趨勢,迫切需要大型浮選設備。XJM-(K)S系列浮選機屬于一種自吸空氣機械攪拌式浮選機(簡稱機械攪拌式浮選機),它是在上世紀60年代我國自行研制的XJM-4型浮選機基礎上,通過幾代人數(shù)十年的不斷改進和創(chuàng)新,逐漸發(fā)展起來的、煤炭科學研究總院唐山研究院具有全部自主知識產(chǎn)權的新一代選煤用浮選機。目前,XJM-(K)S系列浮選機已經(jīng)應用于選煤廠的有4、6、8、12、14、16和20m3七種規(guī)格,共有800余臺,占我國選煤廠浮選設備總量的70%以上。1槽內(nèi)浮選,提高精煤產(chǎn)率(1)采用假底下吸、周邊串流的礦漿通過方式,提高了浮選機對入料量和可浮性變化的適應能力。XJM-(K)S系列浮選機通常由3~4槽串聯(lián)為一組,待處理的礦漿通過槽間隔板上的浸沒式中礦箱進入后續(xù)浮選槽。中礦箱的入料口位于泡沫層以下的浮選分離區(qū)域,防止中礦和尾礦帶走已礦化的氣泡。如圖1,假底與槽體構成的礦漿流道實現(xiàn)假底下吸、周邊串流的通過方式。入料進入假底后,一部分礦漿直接通過吸漿管被葉輪汲取進入浮選槽,當入料量大于葉輪吸漿能力時,多余的礦漿從假底周邊上溢進入浮選攪拌區(qū)域,不發(fā)生礦漿短路,礦漿通過量不受限制;當入料量小于葉輪吸漿能力時,不足部分由槽內(nèi)礦漿循環(huán)補充,通過假底周邊進入假底下部循環(huán)浮選,保持浮選機工況穩(wěn)定。因此,該浮選機對入料量變化具有較強的適應能力,能滿足直接浮選礦漿量波動大的要求。同時,對于可浮性好、易浮選的物料,滿足了大通過量的需要,處理能力大;對于難浮選物料所需浮選時間長,通過槽內(nèi)礦漿循環(huán)浮選,滿足了提高精煤產(chǎn)率的要求。因此,該浮選機對煤質(zhì)變化和生產(chǎn)波動的適應能力強。(2)雙層傘形葉輪及組合式定子產(chǎn)生的“W”形流態(tài)符合浮選過程要求,能耗低、充氣效能高。雙層傘形葉輪與定子及假底上穩(wěn)流板的組合,形成有利于浮選的合理流態(tài)。沿傘形葉輪圓周斜下和切線方向以一定速度流出的礦漿,依次經(jīng)過定子上的葉片和假底上的穩(wěn)流板導流后,呈斜下方向、輻射狀向假底流動,礦漿由假底反射后再向斜上方朝槽壁流動,從而產(chǎn)生“W”形礦漿流態(tài),加速礦化氣泡上浮,提高浮選速度;下部劇烈攪拌,促進氣泡礦化;上部液面平穩(wěn),加強精礦二次富集作用,提高處理能力和浮選選擇性。此外,傘型葉輪的另一特點是能耗低,充氣效能高,排流量大,制造方便。(3)矩形槽體結構,占地省。采用矩形斷面的槽體結構,攪拌和捕捉區(qū)域容積大,處理能力高,占地面積省。實踐表明,矩形槽不降低浮選選擇性。分選槽之間通過浸沒式中礦箱銜接,使礦化氣泡與排出的礦漿逆向運動,提高了分離精度。(4)自吸空氣使得系統(tǒng)簡單。該浮選機無需外部風源供風,系統(tǒng)簡單。采用循環(huán)套筒單氣道進氣,葉輪輪轂上開環(huán)形氣道,將空氣引入下層葉輪腔,解決了空心軸易堵塞的問題,浮選機運行時可“在線”調(diào)整充氣量,靈活方便。(5)多點加藥,操作靈活。每個浮選槽均設有加藥漏斗,可根據(jù)入料性質(zhì)方便地實現(xiàn)各種不同的加藥制度和加藥方式。(6)帶有預礦化器,實現(xiàn)了簡化浮選工藝和強化浮選機制。XJM-KS型浮選機(圖2)帶有射流式預礦化器,取消了常規(guī)浮選流程中單獨設置的礦漿準備作業(yè),簡化了浮選工藝;提高了浮選工藝系統(tǒng)的集成度,占地面積節(jié)省了30%以上;通過設置在入料管中的射流式預礦化器,不僅實現(xiàn)了浮選劑的彌散,而且具有微泡預選功能,強化了浮選效果。預礦化器利用湍流分散和微泡礦化原理完成浮選劑彌散和被選物料預選,形成的礦化氣泡直接進入浮選機精選。帶壓的浮選入料經(jīng)異徑管擴大管徑穩(wěn)壓,為噴射器提供了穩(wěn)定的工作壓力。噴射器將礦漿的靜壓轉換為動壓形成射流,利用射流產(chǎn)生的真空度,一方面溶解于礦漿中的氣體以微泡優(yōu)先在疏水性礦粒表面選擇性析出,提高疏水性礦粒浮選活性;另一方面,通過進氣管將空氣和浮選劑吸入混合室。噴射器射出的礦漿和吸入的空氣及浮選劑通過喉管引射到擴散管,利用高強度湍流的能量把空氣彌散成微泡;添加的浮選劑在負壓作用下產(chǎn)生氣溶效果,在湍流作用下把浮選劑充分分散到礦漿中,捕收劑從而高效地吸附在疏水性礦粒表面。在擴散管和浮選機入料下導管中,隨湍流渦漩高速運動的活化礦粒與微泡發(fā)生劇烈紊流碰撞,疏水性礦粒粘附于微泡,實現(xiàn)微泡礦化和預選后,經(jīng)浮選機入料下導管引入浮選機,完成浮選入料預處理。2浮選機結構參數(shù)模擬放大電路XJM-(K)S系列浮選機采用模擬放大方法確定主要技術參數(shù)。除攪拌機構遵從幾何相似外,運用相似理論并結合浮選機的工作原理,提出了浮選機結構參數(shù)模擬放大計算公式;制定了運動相似準則——葉輪圓周速度恒定,保證了相似的固-液懸浮狀態(tài);制定了動力相似準則——功率數(shù)恒定和氣流數(shù)恒定,保證相似的攪拌強度和充氣速率。實踐證明,制定的相似準則適用于XJM-(K)S系列浮選機的設計。3xjm-ks系列浮選機的主要參數(shù)XJM-(K)S系列浮選機主要參數(shù)見表1。4煤炭纖網(wǎng)的選XJM-(K)S型浮選機主要技術經(jīng)濟指標先進,已在全國廣泛應用于煙煤和無煙煤的浮選,對易浮或難浮煤均可獲得較為理想的分選效果。設備運行可靠,操作與控制方便,工人勞動強度低,投資省。與其他型號的浮選機相比,一般來說,單位處理能力可提高20%~40%,精煤產(chǎn)率提高3~10個百分點,浮選劑消耗減少20%,電耗降低20%以上。5研究5.1浮選槽動力參數(shù)設計目前正在研究開發(fā)的浮選機單槽容積分別為28m3和45m3,礦漿處理能力可分別達到900m3/h和1500m3/h,攪拌功率分別為40kW和57kW,可滿足大型選煤廠生產(chǎn)和發(fā)展的需要。煤炭科學研究總院唐山研究院在多年從事浮選機的理論研究和工業(yè)實踐基礎上,采用模擬放大方法設計大型浮選機的關鍵參數(shù)。28m3浮選機具體設計方法如下:(1)結構參數(shù)設計。利用幾何相似準則確定28m3大型浮選機的主要結構參數(shù):{D/De=0.237?Η=0.6+1.2D?V=Η?π/4?D2e?(1)?????D/De=0.237?H=0.6+1.2D?V=H?π/4?D2e?(1)式中:D為葉輪直徑,m;De為槽體當量圓面積直徑,m;H為槽體深度,m;V為槽體容積,m3。式中常數(shù)為XJM-S型浮選機的經(jīng)驗系數(shù)。當浮選槽容積V=28m3時,由方程組(1)解得:D=1.050m,De=4.430m,H=1.860m。浮選槽水平斷面采用正方形結構,則槽體計算邊長為L=3.926m。(2)動力參數(shù)設計。利用運動相似和動力相似準則確定28m3大型浮選機的動力參數(shù):{U2=8.90?ΝQa=Qa/(ΝD3)=0.075?Νp=Ρ/(ρΝ3D5)=1.60?(2)?????U2=8.90?NQa=Qa/(ND3)=0.075?Np=P/(ρN3D5)=1.60?(2)式中:U2為葉輪圓周線速度,m/s;NQa為氣流數(shù),無因次;Qa為充氣量,m3/s;N為葉輪轉速,rad/s;Np為功率數(shù),無因次;P為攪拌功率,kW;ρ為礦漿的密度,kg/m3;式中常數(shù)為XJM-S型浮選機的經(jīng)驗系數(shù)。將結構參數(shù)值帶入式(2),解得:N=U2/(πD)=2.698rad/s,Qa=0.075×ND3=0.234m3/s,P=1.60×(ρN3D5)=40.1kW。計算得單位面積充氣速率qa=4Qa/(πD22)×60=0.91m3/(m2·min)。將以上關鍵參數(shù)計算結果匯總,如表2所示。5.2浮選機的放大算法及操作實例選煤工業(yè)發(fā)展迫切需要大型浮選機,這就使得浮選機容積增大的速度比研究進展要快得多。迄今為止,浮選機的設計和按比例放大仍然是以經(jīng)驗公式為基礎,尚未形成具體、統(tǒng)一、精確的大型浮選機放大方法。煤炭科學研究總院唐山研究院在研究設計XJM-S型浮選機的技術基礎上,利用計算流體力學軟件,對XJM-S型浮選機浮選槽內(nèi)流場進行數(shù)值模擬計算和分析,研究分析