xjm-ks型浮選機(jī)假底吸周邊串流礦漿流態(tài)分析

xjm-ks型浮選機(jī)假底吸周邊串流礦漿流態(tài)分析

國家“五階段”計劃預(yù)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(gòu)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(gòu)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(diǎn)所在。選煤是潔凈煤技術(shù)的源頭和基礎(chǔ),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(yùn)、保護(hù)環(huán)境、提高煤炭利用效率最經(jīng)濟(jì)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(shè)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(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家800t/h的平均規(guī)模。選煤廠規(guī)模大型化、設(shè)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(jī)在大型化方面取得了一定進(jìn)展,但是,單機(jī)最大處理能力只能滿足300t/h原煤入選能力(相當(dāng)于150萬t/a選煤廠)的要求。按照發(fā)達(dá)國家原煤處理能力800t/h的平均規(guī)模計算,浮選機(jī)的單槽容積應(yīng)達(dá)到60m3,而我國目前最大的機(jī)械攪拌式浮選機(jī)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(shè)備。XJM-(K)S系列浮選機(jī)屬于一種自吸空氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)(簡稱機(jī)械攪拌式浮選機(jī)),它是在上世紀(jì)60年代我國自行研制的XJM-4型浮選機(jī)基礎(chǔ)上,通過幾代人數(shù)十年的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新,逐漸發(fā)展起來的、煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代選煤用浮選機(jī)。目前,XJM-(K)S系列浮選機(jī)已經(jīng)應(yīng)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(shè)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(jī)對入料量和可浮性變化的適應(yīng)能力。XJM-(K)S系列浮選機(jī)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(jìn)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(gòu)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(jìn)入假底后,一部分礦漿直接通過吸漿管被葉輪汲取進(jìn)入浮選槽,當(dāng)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(jìn)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(dāng)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(bǔ)充,通過假底周邊進(jìn)入假底下部循環(huán)浮選,保持浮選機(jī)工況穩(wěn)定。因此,該浮選機(jī)對入料量變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)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(jī)對煤質(zhì)變化和生產(chǎn)波動的適應(yīng)能力強(qiáng)。(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(dǎo)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(jìn)氣泡礦化;上部液面平穩(wěn),加強(qiáng)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(diǎn)是能耗低,充氣效能高,排流量大,制造方便。(3)矩形槽體結(jié)構(gòu),占地省。采用矩形斷面的槽體結(jié)構(gòu),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(yùn)動,提高了分離精度。(4)自吸空氣使得系統(tǒng)簡單。該浮選機(jī)無需外部風(fēng)源供風(fēng),系統(tǒng)簡單。采用循環(huán)套筒單氣道進(jìn)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(jī)運(yùn)行時可“在線”調(diào)整充氣量,靈活方便。(5)多點(diǎn)加藥,操作靈活。每個浮選槽均設(shè)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(yù)礦化器,實現(xiàn)了簡化浮選工藝和強(qiáng)化浮選機(jī)制。XJM-KS型浮選機(jī)(圖2)帶有射流式預(yù)礦化器,取消了常規(guī)浮選流程中單獨(dú)設(shè)置的礦漿準(zhǔn)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(shè)置在入料管中的射流式預(yù)礦化器,不僅實現(xiàn)了浮選劑的彌散,而且具有微泡預(yù)選功能,強(qiáng)化了浮選效果。預(yù)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(yù)選,形成的礦化氣泡直接進(jìn)入浮選機(jī)精選。帶壓的浮選入料經(jīng)異徑管擴(kuò)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(zhuǎn)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(jìn)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(kuò)散管,利用高強(qiáng)度湍流的能量把空氣彌散成微泡;添加的浮選劑在負(fù)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(kuò)散管和浮選機(jī)入料下導(dǎo)管中,隨湍流渦漩高速運(yùn)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(yù)選后,經(jīng)浮選機(jī)入料下導(dǎo)管引入浮選機(jī),完成浮選入料預(yù)處理。2浮選機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬放大電路XJM-(K)S系列浮選機(jī)采用模擬放大方法確定主要技術(shù)參數(shù)。除攪拌機(jī)構(gòu)遵從幾何相似外,運(yùn)用相似理論并結(jié)合浮選機(jī)的工作原理,提出了浮選機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬放大計算公式;制定了運(yùn)動相似準(zhǔn)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(zhǔn)則——功率數(shù)恒定和氣流數(shù)恒定,保證相似的攪拌強(qiáng)度和充氣速率。實踐證明,制定的相似準(zhǔn)則適用于XJM-(K)S系列浮選機(jī)的設(shè)計。3xjm-ks系列浮選機(jī)的主要參數(shù)XJM-(K)S系列浮選機(jī)主要參數(shù)見表1。4煤炭纖網(wǎng)的選XJM-(K)S型浮選機(jī)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn),已在全國廣泛應(yīng)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(shè)備運(yùn)行可靠,操作與控制方便,工人勞動強(qiáng)度低,投資省。與其他型號的浮選機(jī)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(diǎn),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(shè)計目前正在研究開發(fā)的浮選機(jī)單槽容積分別為28m3和45m3,礦漿處理能力可分別達(dá)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(xué)研究總院唐山研究院在多年從事浮選機(jī)的理論研究和工業(yè)實踐基礎(chǔ)上,采用模擬放大方法設(shè)計大型浮選機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。28m3浮選機(jī)具體設(shè)計方法如下:(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。利用幾何相似準(zhǔn)則確定28m3大型浮選機(jī)的主要結(jié)構(gòu)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(dāng)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(jī)的經(jīng)驗系數(shù)。當(dāng)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(jié)構(gòu),則槽體計算邊長為L=3.926m。(2)動力參數(shù)設(shè)計。利用運(yùn)動相似和動力相似準(zhǔn)則確定28m3大型浮選機(jī)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(zhuǎn)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(jī)的經(jīng)驗系數(shù)。將結(jié)構(gòu)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(guān)鍵參數(shù)計算結(jié)果匯總,如表2所示。5.2浮選機(jī)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(jī),這就使得浮選機(jī)容積增大的速度比研究進(jìn)展要快得多。迄今為止,浮選機(jī)的設(shè)計和按比例放大仍然是以經(jīng)驗公式為基礎(chǔ),尚未形成具體、統(tǒng)一、精確的大型浮選機(jī)放大方法。煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院在研究設(shè)計XJM-S型浮選機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上,利用計算流體力學(xué)軟件,對XJM-S型浮選機(jī)浮選槽內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算和分析,研究分析