xjm-ks型浮选机假底吸周边串流矿浆流态分析

xjm-ks型浮选机假底吸周边串流矿浆流态分析

国家“五阶段”计划预计，单位gdp可减少20%，主要污染物排放总额降至10%，这是限制因素。近年来,随着我国石油、天然气和水能开发量的增加,煤炭在能源构成中的比例有所减少,但其主要地位仍未改变,化石燃料的使用与消耗是构成环境污染的主要来源,提高煤炭利用效率、实现洁净利用煤炭是节能减排工作的重点所在。选煤是洁净煤技术的源头和基础,煤炭通过洗选可排出大部分的灰分(杂质)、硫分,为煤炭用户提供洁净、质量合格、适销对路的产品,是节能、节运、保护环境、提高煤炭利用效率最经济和有效的途径。大力发展煤炭洗选是历史的必然选择。根据国家要求和行业发展规划,到“十一五”末,原煤入选比例要提高到50%以上。据不完全统计,2006年末,全国共有年入选原煤15万t以上的选煤厂1043座,年入选能力9.16亿t,原煤入选率为33.8%。浮选是煤泥分选的主要方法,也是迄今为止最有效的煤泥分选方法,其所处理的煤泥量占入选原煤总量的10.7%。以目前全国选煤能力估算,全国浮选能力约1亿t/a,现有各种类型浮选设备在1100台左右。2006年我国选煤厂平均规模为88万t/a,平均小时处理能力为210t,远低于发达国家800t/h的平均规模。选煤厂规模大型化、设备大型化、工艺简单化是我国选煤工业发展的必然趋势。虽然最近几年浮选机在大型化方面取得了一定进展,但是,单机最大处理能力只能满足300t/h原煤入选能力(相当于150万t/a选煤厂)的要求。按照发达国家原煤处理能力800t/h的平均规模计算,浮选机的单槽容积应达到60m3,而我国目前最大的机械搅拌式浮选机只有20m3,尚不能满足大型高效选煤生产的需要。选煤厂大型化、高效化、节能化、自动化的发展趋势,迫切需要大型浮选设备。XJM-(K)S系列浮选机属于一种自吸空气机械搅拌式浮选机(简称机械搅拌式浮选机),它是在上世纪60年代我国自行研制的XJM-4型浮选机基础上,通过几代人数十年的不断改进和创新,逐渐发展起来的、煤炭科学研究总院唐山研究院具有全部自主知识产权的新一代选煤用浮选机。目前,XJM-(K)S系列浮选机已经应用于选煤厂的有4、6、8、12、14、16和20m3七种规格,共有800余台,占我国选煤厂浮选设备总量的70%以上。1槽内浮选,提高精煤产率(1)采用假底下吸、周边串流的矿浆通过方式,提高了浮选机对入料量和可浮性变化的适应能力。XJM-(K)S系列浮选机通常由3~4槽串联为一组,待处理的矿浆通过槽间隔板上的浸没式中矿箱进入后续浮选槽。中矿箱的入料口位于泡沫层以下的浮选分离区域,防止中矿和尾矿带走已矿化的气泡。如图1,假底与槽体构成的矿浆流道实现假底下吸、周边串流的通过方式。入料进入假底后,一部分矿浆直接通过吸浆管被叶轮汲取进入浮选槽,当入料量大于叶轮吸浆能力时,多余的矿浆从假底周边上溢进入浮选搅拌区域,不发生矿浆短路,矿浆通过量不受限制;当入料量小于叶轮吸浆能力时,不足部分由槽内矿浆循环补充,通过假底周边进入假底下部循环浮选,保持浮选机工况稳定。因此,该浮选机对入料量变化具有较强的适应能力,能满足直接浮选矿浆量波动大的要求。同时,对于可浮性好、易浮选的物料,满足了大通过量的需要,处理能力大;对于难浮选物料所需浮选时间长,通过槽内矿浆循环浮选,满足了提高精煤产率的要求。因此,该浮选机对煤质变化和生产波动的适应能力强。(2)双层伞形叶轮及组合式定子产生的“W”形流态符合浮选过程要求,能耗低、充气效能高。双层伞形叶轮与定子及假底上稳流板的组合,形成有利于浮选的合理流态。沿伞形叶轮圆周斜下和切线方向以一定速度流出的矿浆,依次经过定子上的叶片和假底上的稳流板导流后,呈斜下方向、辐射状向假底流动,矿浆由假底反射后再向斜上方朝槽壁流动,从而产生“W”形矿浆流态,加速矿化气泡上浮,提高浮选速度;下部剧烈搅拌,促进气泡矿化;上部液面平稳,加强精矿二次富集作用,提高处理能力和浮选选择性。此外,伞型叶轮的另一特点是能耗低,充气效能高,排流量大,制造方便。(3)矩形槽体结构,占地省。采用矩形断面的槽体结构,搅拌和捕捉区域容积大,处理能力高,占地面积省。实践表明,矩形槽不降低浮选选择性。分选槽之间通过浸没式中矿箱衔接,使矿化气泡与排出的矿浆逆向运动,提高了分离精度。(4)自吸空气使得系统简单。该浮选机无需外部风源供风,系统简单。采用循环套筒单气道进气,叶轮轮毂上开环形气道,将空气引入下层叶轮腔,解决了空心轴易堵塞的问题,浮选机运行时可“在线”调整充气量,灵活方便。(5)多点加药,操作灵活。每个浮选槽均设有加药漏斗,可根据入料性质方便地实现各种不同的加药制度和加药方式。(6)带有预矿化器,实现了简化浮选工艺和强化浮选机制。XJM-KS型浮选机(图2)带有射流式预矿化器,取消了常规浮选流程中单独设置的矿浆准备作业,简化了浮选工艺;提高了浮选工艺系统的集成度,占地面积节省了30%以上;通过设置在入料管中的射流式预矿化器,不仅实现了浮选剂的弥散,而且具有微泡预选功能,强化了浮选效果。预矿化器利用湍流分散和微泡矿化原理完成浮选剂弥散和被选物料预选,形成的矿化气泡直接进入浮选机精选。带压的浮选入料经异径管扩大管径稳压,为喷射器提供了稳定的工作压力。喷射器将矿浆的静压转换为动压形成射流,利用射流产生的真空度,一方面溶解于矿浆中的气体以微泡优先在疏水性矿粒表面选择性析出,提高疏水性矿粒浮选活性;另一方面,通过进气管将空气和浮选剂吸入混合室。喷射器射出的矿浆和吸入的空气及浮选剂通过喉管引射到扩散管,利用高强度湍流的能量把空气弥散成微泡;添加的浮选剂在负压作用下产生气溶效果,在湍流作用下把浮选剂充分分散到矿浆中,捕收剂从而高效地吸附在疏水性矿粒表面。在扩散管和浮选机入料下导管中,随湍流涡漩高速运动的活化矿粒与微泡发生剧烈紊流碰撞,疏水性矿粒粘附于微泡,实现微泡矿化和预选后,经浮选机入料下导管引入浮选机,完成浮选入料预处理。2浮选机结构参数模拟放大电路XJM-(K)S系列浮选机采用模拟放大方法确定主要技术参数。除搅拌机构遵从几何相似外,运用相似理论并结合浮选机的工作原理,提出了浮选机结构参数模拟放大计算公式;制定了运动相似准则——叶轮圆周速度恒定,保证了相似的固-液悬浮状态;制定了动力相似准则——功率数恒定和气流数恒定,保证相似的搅拌强度和充气速率。实践证明,制定的相似准则适用于XJM-(K)S系列浮选机的设计。3xjm-ks系列浮选机的主要参数XJM-(K)S系列浮选机主要参数见表1。4煤炭纤网的选XJM-(K)S型浮选机主要技术经济指标先进,已在全国广泛应用于烟煤和无烟煤的浮选,对易浮或难浮煤均可获得较为理想的分选效果。设备运行可靠,操作与控制方便,工人劳动强度低,投资省。与其他型号的浮选机相比,一般来说,单位处理能力可提高20%~40%,精煤产率提高3~10个百分点,浮选剂消耗减少20%,电耗降低20%以上。5研究5.1浮选槽动力参数设计目前正在研究开发的浮选机单槽容积分别为28m3和45m3,矿浆处理能力可分别达到900m3/h和1500m3/h,搅拌功率分别为40kW和57kW,可满足大型选煤厂生产和发展的需要。煤炭科学研究总院唐山研究院在多年从事浮选机的理论研究和工业实践基础上,采用模拟放大方法设计大型浮选机的关键参数。28m3浮选机具体设计方法如下:(1)结构参数设计。利用几何相似准则确定28m3大型浮选机的主要结构参数:{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为叶轮直径,m;De为槽体当量圆面积直径,m;H为槽体深度,m;V为槽体容积,m3。式中常数为XJM-S型浮选机的经验系数。当浮选槽容积V=28m3时,由方程组(1)解得:D=1.050m,De=4.430m,H=1.860m。浮选槽水平断面采用正方形结构,则槽体计算边长为L=3.926m。(2)动力参数设计。利用运动相似和动力相似准则确定28m3大型浮选机的动力参数:{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为叶轮圆周线速度,m/s;NQa为气流数,无因次;Qa为充气量,m3/s;N为叶轮转速,rad/s;Np为功率数,无因次;P为搅拌功率,kW;ρ为矿浆的密度,kg/m3;式中常数为XJM-S型浮选机的经验系数。将结构参数值带入式(2),解得:N=U2/(πD)=2.698rad/s,Qa=0.075×ND3=0.234m3/s,P=1.60×(ρN3D5)=40.1kW。计算得单位面积充气速率qa=4Qa/(πD22)×60=0.91m3/(m2·min)。将以上关键参数计算结果汇总,如表2所示。5.2浮选机的放大算法及操作实例选煤工业发展迫切需要大型浮选机,这就使得浮选机容积增大的速度比研究进展要快得多。迄今为止,浮选机的设计和按比例放大仍然是以经验公式为基础,尚未形成具体、统一、精确的大型浮选机放大方法。煤炭科学研究总院唐山研究院在研究设计XJM-S型浮选机的技术基础上,利用计算流体力学软件,对XJM-S型浮选机浮选槽内流场进行数值模拟计算和分析,研究分析