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國內(nèi)外浮選設備的工作原理及主要特點介紹

　　浮游選煤是當前精選細粒級煤泥最有效的分選方法，也是世界上許多產(chǎn)煤國家廣泛采用的方法。浮游選煤的過程是在浮選設備中實現(xiàn)的，結構合理、性能優(yōu)良的浮選設備是保證分選效果的關鍵。自1910年泡沫浮選技術問世以來，世界各國出現(xiàn)了型號規(guī)格眾多的浮選設備。我國從1965年開始研制適合國情特點的浮選機，成功開發(fā)了XJM型（傘葉輪），XJX（斜葉輪）型和XJM-S型（雙層傘葉輪）等機械攪拌式以及XPM型噴射式浮選機，廣泛應用于各大選煤廠。同時，國外的浮選設備在我國也有一些應用，本文將目前在選煤廠中還存在的國內(nèi)外浮選設備各自的工作原理及主要特點做一下簡單介紹，旨在說明XJM-S機械攪拌式浮選機最符合我國煤泥特點及選煤國情。

1、IF浮選機

圖1  IF浮選機工作原理示意圖

IF浮選機為平底、圓柱形單槽式結構。工作原理為預處理后的礦漿進入槽體上部密閉的給料箱后形成垂直向下的煤漿液流；壓縮空氣從空心軸一端進入另一端排出，煤漿和空氣沿葉輪的葉片，由定子導向拋出，在攪拌、拋射和上升過程中氣泡完成礦化過程，并逐步上升至液面形成三相泡沫層，溢出后由槽體上部的溜槽排出，尾礦由底部中心的尾礦室排出。

2、PNEUFLOT（普浮樂）浮選機

PNEUFLOT浮選機屬于充氣式浮選機，其核心部件為空氣反應器，空氣反應器類似于文丘里管。工作原理為浮選入料經(jīng)過空氣反應器后形成負壓，空氣被吸入與礦漿迅速混合，之后從分配盤上的噴嘴噴出，此時壓力驟降，在疏水性的顆粒表面析出大量微小氣泡，低灰分的疏水性顆粒隨氣泡上浮，排出后成為浮選精煤；高灰分的親水性顆粒從尾礦管流出成為浮選尾煤。

 

圖2  PNEUFLOT浮選機工作原理示意圖

3、JAMESON（詹姆森）浮選柱

 

圖3  JAMESON浮選柱工作原理示意圖

JAMESON浮選柱工作原理示意圖如圖3，藥劑和礦漿由入料泵打入下導管的混合頭內(nèi)，通過噴嘴形成高速射流后吸入空氣。藥劑、礦漿和空氣在下導管內(nèi)形成三相混合物，之后快速向下流動，這樣氣泡在下降流作用下，在下導管內(nèi)高密度聚集形成大量微泡，疏水性好的顆粒很快被捕獲，氣泡則從下導管底口排出。三相礦漿流垂直向下排入柱體底部，礦化氣泡隨后沿柱體上升富集成泡沫層，經(jīng)噴水沖洗降灰后流入精礦溜槽，疏水性差的顆粒與氣泡粘附力弱，匯集于柱體底部形成尾礦，通過尾礦口排出。

4、WEMCO（威姆科）浮選機

圖4  WEMCO浮選機工作原理示意圖

WEMCO浮選機工作原理示意圖如圖4，轉子在擴散器內(nèi)高速旋轉，產(chǎn)生負壓并吸入空氣，同時礦漿由導流管進入轉子—定子混合區(qū)，空氣、礦漿混合物在轉子和擴散器高速剪切的雙重作用下充分碰撞混合，經(jīng)擴散器徑向孔后氣泡被進一步粉碎，這樣疏水性好的礦漿顆粒粘附在氣泡上，上浮到液面，未礦化的顆粒由假底經(jīng)導流管進入轉子區(qū)再次循環(huán)碰撞，定子蓋罩的作用是防止轉子旋轉后對三相泡沫的二次富集產(chǎn)生干擾。

5、HUMBOLD（洪堡特）浮選機

 

水平圓盤離心式葉輪

 

單偏擺傾斜葉輪
 

雙偏擺傾斜葉輪

圖5  HUMBOLT 浮選機的三種葉輪結構

HUMBOLD浮選機屬于自吸式浮選機，其發(fā)展主要是葉輪形式的改進，大體經(jīng)歷了三個階段，圓盤式、單偏擺式和雙偏擺式，如圖5所示。后來在大型浮選機中又出現(xiàn)了多偏擺式，多偏擺葉輪由數(shù)塊固定在相鄰直板上的傾斜板構成，葉輪每旋轉一次，葉輪和定子之間的空間就會不斷發(fā)生變化，進而引起壓力的周期性變化，從而不間斷地析出微泡。在葉輪周圍及上面鋪設格板，將湍流區(qū)和層流區(qū)分開，以達到穩(wěn)定礦漿流和增加泡沫層的二次富集作用，但同時這種隔板也會影響礦化氣泡的正常上浮，降低精煤產(chǎn)率。HUMBOLD浮選機的主要特點是處理量大、電耗小、能處理較高濃度的礦漿。

6、FJC系列噴射式浮選機

 

圖6  FJC噴射式浮選機工作原理示意圖

FJC噴射式浮選機主要是利用微泡析出原理來強化煤泥分選過程的。工作原理示意圖如圖6，預處理后的煤漿進入浮選機的入料箱后，疏水性好的細顆粒直接與氣泡粘附，上浮至液面積聚成泡沫層；大部分煤漿通過假底下的循環(huán)口進入循環(huán)泵，加壓后打入充氣攪拌裝置的混合室，從噴嘴高速噴出，空氣和藥劑被吸入混合室，經(jīng)噴射流沖擊切割后被粉碎成微小油滴顆均勻分布于煤漿中。煤漿流由噴嘴噴出后通過喉管向下噴射到浮選機假底上，然后向四周反射，完成煤粒和氣泡的碰撞過程。疏水性好、粒度細的顆粒粘附在氣泡上，上升至液面聚集成泡沫層；疏水性差的、粒度粗的顆粒不能與氣泡粘附，其中一部分隨礦漿流再次通過假底下面循環(huán)口進入循環(huán)泵，打入充氣攪拌裝置實現(xiàn)分選；另一部分隨礦漿流進入下一個槽箱繼續(xù)分選，過程同前，直至最后一個槽箱，疏水性差的高灰雜質(zhì)由尾礦箱排出。

7、浮選柱

圖7 旋流—靜態(tài)微泡浮選柱工作原理示意圖

旋流—靜態(tài)微泡浮選柱組成主要包括三部分柱體、微泡發(fā)生器和尾礦，柱體段又可分為三段：精選段、粗選段和掃選段。柱體的頂部設有精礦收集槽和噴淋水消泡裝置，入料管位于柱體高約2/3處，尾煤由柱體底部的尾礦箱排出，柱體段的液位由尾礦箱調(diào)節(jié)。微泡發(fā)生器位于柱體外部，它是浮選柱實現(xiàn)煤泥分選的核心部件。位于粗選段底部的循環(huán)煤漿，用泵加壓后射入微泡發(fā)生器，同時吸入空氣和藥劑，當煤漿噴出微泡發(fā)生器時，由于壓力的急劇降低，析出大量氣體微泡，煤粒、藥劑和空氣以切線形式噴入掃選段，形成強烈的漩渦攪動，含氣、液、固三相的煤漿在離心力的作用下迅速向中心和上方運動進入粗選段，氣泡與由上部給入的煤漿實現(xiàn)逆向碰撞，疏水性好的細顆粒粘附在氣泡上形成礦化氣泡完成粗選過程。掃選的作用是回收粗選段末及時分選的精煤顆粒，是粗選過程的補充。礦化氣泡上浮到柱體頂部積聚形成厚厚的泡沫層，噴淋水的作用是降低泡沫層中精煤的灰分，進一步強化二次富集作用，提高精煤質(zhì)量。

8、微泡浮選機

 

圖8  微泡浮選機工作原理示意圖

微泡浮選機工作原理示意圖如圖8，預處理后的礦漿以一定的壓力打入礦漿分配器，然后均勻分配到各礦化器中，空氣和藥劑被吸入，氣、液、固三相在礦化器中充分碰撞混合后噴出進入浮選桶，此時，壓力驟然降低，礦漿中析出大量微泡，疏水性好的煤粒形成礦化氣泡上浮至液面，溢出后進入精礦槽，成為浮選精煤，尾礦由U型管的底部排出。

9、XJX系列機械攪拌式浮選機

 

圖9  XJX型機械攪拌式浮選機結構示意圖

XJX型浮選機葉輪被一個與水平成7度夾角的斜圓盤分成上下兩層，上下兩層各有六個高度不同對稱排列的輻射狀直葉片，在下葉片底部還有一個封閉蓋板，板上設有循環(huán)礦漿的循環(huán)孔。定子上分布著24塊導向板，定子上面設有圓蓋板，在圓蓋板上開有內(nèi)外兩排循環(huán)孔，在兩排循環(huán)孔之間借鑒了丹佛D-R型浮選機的特點增設了倒錐循環(huán)桶，供浮選槽中部未礦化的煤粒有機會返回葉輪腔再行礦化。當雙偏擺傾斜葉輪旋轉一周時，葉輪圓盤與上下蓋板和葉片所造成的空間發(fā)生周期性變化，礦漿受到碾壓或擴展后析出大量微泡，煤粒與微泡碰撞吸附完成礦化過程。

10、XJM-S系列機械攪拌式浮選機

XJM-S系列浮選機改進了XJM型浮選機的部分結構形式和技術參數(shù)，同時借鑒WEMCO浮選機增設假底，采用模擬放大的方法開發(fā)研制而成的。煤漿以一定壓力給入到浮選機第一室的假底下，葉輪旋轉在輪腔中形成負壓，礦漿、空氣和藥劑被吸進葉輪腔并在這里充分混合。受葉輪離心力的作用，吸入的空氣被剪切成氣泡，與煤粒充分接觸，在定子和紊流板的作用下，均勻地分布于槽體截面，之后向上移動富集成泡沫層，由刮泡機構排出。假底上面未被礦化的煤粒通過循環(huán)孔和上吸口吸入葉輪。槽內(nèi)未及時礦化的礦漿，通過中礦箱進入第二室的假底下，過程同前，最后形成尾礦。

主要工藝特點：

（1）“W”型循環(huán)

煤漿和空氣經(jīng)葉輪腔甩出后，以斜向下的方式?jīng)_擊到浮選機假底上，再折向斜上方，形成了“W”型運動形式，這種形式能加煤粒與氣泡的碰撞強度，降低葉輪的浸水深度，增加充氣量，減少功率消耗；有助于氣泡再次被粉碎；減緩粗粒沉淀；利于液面穩(wěn)定。

（2）增設假底

增設假底是為了使槽體中未被礦化的煤粒有機會經(jīng)過葉輪腔與空氣混合，增加礦漿循環(huán)量，加強礦化作用。對于直流式浮選機，其礦漿是由前一槽直接流入下一個槽的，其流動方式并不像吸入式浮選機那樣，所有的礦漿量均由葉輪吸入，因此增加循環(huán)量對提高可浮性差的和粗顆粒的選擇性就顯得尤為重要。

（3）整流板的設置

在浮選機的底部通常要設置整流板，它的作用是將葉輪甩出來的礦漿沿槽底均勻分布，防止礦漿旋轉，使浮選機保持合理的流態(tài)分布形式，即：混合區(qū)劇烈碰撞，顆粒與氣泡充分吸附；升浮區(qū)流態(tài)穩(wěn)定，氣泡平穩(wěn)上升。

（4）淺槽設計

通常情況下，隨著葉輪浸水深度的減小，浮選機的功率消耗隨之降低，而充氣量則會逐漸增加，同時氣泡上浮路線也相對縮短，加速了浮選過程，改善了浮選機的各項性能指標。XJM-S型浮選機的傘形葉輪結構和假底的設置決定了槽體的這種獨特淺槽設計形式。

圖10  XJM-S系列浮選機工作原理示意圖

最后指出，在不同類型的浮選機中礦粒與氣泡的碰撞有著各自不同的特點，從而表現(xiàn)出不同的浮選效果。在XJM-S型浮選機中，礦漿與氣泡在葉輪內(nèi)部或邊緣以及假底和整流板相碰撞時，碰撞的力相對較大，有利于二者之間水化層的破裂而粘著，促進了氣泡的礦化作用。而在其他國內(nèi)外各浮選設備中，煤粒與氣泡的碰撞力很小，或是強度不夠，導致分選時尾煤灰分低，一些粒度較粗的和可浮性差的煤粒浮不上來。另外我們從分析XJM-S型機械攪拌式浮選機結構特點和工作原理可知，與其他國內(nèi)外浮選機比較，XJM-S型浮選機的最主要特點是對煤質(zhì)的適應性強，表現(xiàn)為既能對粒度較粗的顆粒有一定的處理能力，又能對可浮性差的顆粒具有一定的回收效果，同時又能對濃度的變化有很好的適應性。國內(nèi)外浮選設備性能列表對比如下表。

 

從本文分析可知，國外的浮選設備雖然在結構上和工作原理上有差別，但基本上都是在圍繞著入浮煤粒度組成偏細和可浮性好的回收效果上做文章。引進我國后，由于不適應我國難浮煤泥多、細泥含量高的特殊國情，浮選效果并不理想，跑煤情況甚至非常嚴重。我國自主開發(fā)的浮選柱、噴射式浮選機和斜葉輪型機械攪拌式浮選機也基本上是在國外設備原有技術的基礎上，結構形式、技術參數(shù)做了部分改進，但工作原理還是沒有脫離原設計模型，導致這些國產(chǎn)設備在浮選效果上也不盡人意。為了適應我國煤泥的特點，增加設備的適應性，研制人員做了很多有益的改進。比如為進一步增加煤粒與氣泡的碰撞強度，噴射式浮選機將長喉管改成了短喉管；為改變難浮煤粒表面性質(zhì)，進一步增加疏水性能，在礦漿預處理環(huán)節(jié)增設表面改質(zhì)機等，這些方法雖在一定程度上增加了設備的適應性，但還不能完全適應我國國情。XJM-S型浮選機的核心部件葉輪是在借鑒渣漿泵的基礎上，根據(jù)浮選設備的工作特點，開發(fā)研制而成的，這種結構形式能使礦漿和氣泡混合充分，且碰撞強度大，另外改進后借鑒美國WEMCO浮選機增設的假底穩(wěn)流板結構，在一定程度上又強化了難浮煤及粗顆粒與氣泡的礦化概率，大大提高了設備對煤質(zhì)的適應能力，在我國大部分煉焦煤選煤廠和部分無煙煤及動力煤選煤廠廣泛應用，取得了良好效果。