国内外浮选设备的工作原理及主要特点介绍

　　浮游选煤是当前精选细粒级煤泥最有效的分选方法，也是世界上许多产煤国家广泛采用的方法。浮游选煤的过程是在浮选设备中实现的，结构合理、性能优良的浮选设备是保证分选效果的关键。自1910年泡沫浮选技术问世以来，世界各国出现了型号规格众多的浮选设备。我国从1965年开始研制适合国情特点的浮选机，成功开发了XJM型（伞叶轮），XJX（斜叶轮）型和XJM-S型（双层伞叶轮）等机械搅拌式以及XPM型喷射式浮选机，广泛应用于各大选煤厂。同时，国外的浮选设备在我国也有一些应用，本文将目前在选煤厂中还存在的国内外浮选设备各自的工作原理及主要特点做一下简单介绍，旨在说明XJM-S机械搅拌式浮选机最符合我国煤泥特点及选煤国情。

1、IF浮选机

图1  IF浮选机工作原理示意图

IF浮选机为平底、圆柱形单槽式结构。工作原理为预处理后的矿浆进入槽体上部密闭的给料箱后形成垂直向下的煤浆液流；压缩空气从空心轴一端进入另一端排出，煤浆和空气沿叶轮的叶片，由定子导向抛出，在搅拌、抛射和上升过程中气泡完成矿化过程，并逐步上升至液面形成三相泡沫层，溢出后由槽体上部的溜槽排出，尾矿由底部中心的尾矿室排出。

2、PNEUFLOT（普浮乐）浮选机

PNEUFLOT浮选机属于充气式浮选机，其核心部件为空气反应器，空气反应器类似于文丘里管。工作原理为浮选入料经过空气反应器后形成负压，空气被吸入与矿浆迅速混合，之后从分配盘上的喷嘴喷出，此时压力骤降，在疏水性的颗粒表面析出大量微小气泡，低灰分的疏水性颗粒随气泡上浮，排出后成为浮选精煤；高灰分的亲水性颗粒从尾矿管流出成为浮选尾煤。

 

图2  PNEUFLOT浮选机工作原理示意图

3、JAMESON（詹姆森）浮选柱

 

图3  JAMESON浮选柱工作原理示意图

JAMESON浮选柱工作原理示意图如图3，药剂和矿浆由入料泵打入下导管的混合头内，通过喷嘴形成高速射流后吸入空气。药剂、矿浆和空气在下导管内形成三相混合物，之后快速向下流动，这样气泡在下降流作用下，在下导管内高密度聚集形成大量微泡，疏水性好的颗粒很快被捕获，气泡则从下导管底口排出。三相矿浆流垂直向下排入柱体底部，矿化气泡随后沿柱体上升富集成泡沫层，经喷水冲洗降灰后流入精矿溜槽，疏水性差的颗粒与气泡粘附力弱，汇集于柱体底部形成尾矿，通过尾矿口排出。

4、WEMCO（威姆科）浮选机

图4  WEMCO浮选机工作原理示意图

WEMCO浮选机工作原理示意图如图4，转子在扩散器内高速旋转，产生负压并吸入空气，同时矿浆由导流管进入转子—定子混合区，空气、矿浆混合物在转子和扩散器高速剪切的双重作用下充分碰撞混合，经扩散器径向孔后气泡被进一步粉碎，这样疏水性好的矿浆颗粒粘附在气泡上，上浮到液面，未矿化的颗粒由假底经导流管进入转子区再次循环碰撞，定子盖罩的作用是防止转子旋转后对三相泡沫的二次富集产生干扰。

5、HUMBOLD（洪堡特）浮选机

 

水平圆盘离心式叶轮

 

单偏摆倾斜叶轮
 

双偏摆倾斜叶轮

图5  HUMBOLT 浮选机的三种叶轮结构

HUMBOLD浮选机属于自吸式浮选机，其发展主要是叶轮形式的改进，大体经历了三个阶段，圆盘式、单偏摆式和双偏摆式，如图5所示。后来在大型浮选机中又出现了多偏摆式，多偏摆叶轮由数块固定在相邻直板上的倾斜板构成，叶轮每旋转一次，叶轮和定子之间的空间就会不断发生变化，进而引起压力的周期性变化，从而不间断地析出微泡。在叶轮周围及上面铺设格板，将湍流区和层流区分开，以达到稳定矿浆流和增加泡沫层的二次富集作用，但同时这种隔板也会影响矿化气泡的正常上浮，降低精煤产率。HUMBOLD浮选机的主要特点是处理量大、电耗小、能处理较高浓度的矿浆。

6、FJC系列喷射式浮选机

 

图6  FJC喷射式浮选机工作原理示意图

FJC喷射式浮选机主要是利用微泡析出原理来强化煤泥分选过程的。工作原理示意图如图6，预处理后的煤浆进入浮选机的入料箱后，疏水性好的细颗粒直接与气泡粘附，上浮至液面积聚成泡沫层；大部分煤浆通过假底下的循环口进入循环泵，加压后打入充气搅拌装置的混合室，从喷嘴高速喷出，空气和药剂被吸入混合室，经喷射流冲击切割后被粉碎成微小油滴颗均匀分布于煤浆中。煤浆流由喷嘴喷出后通过喉管向下喷射到浮选机假底上，然后向四周反射，完成煤粒和气泡的碰撞过程。疏水性好、粒度细的颗粒粘附在气泡上，上升至液面聚集成泡沫层；疏水性差的、粒度粗的颗粒不能与气泡粘附，其中一部分随矿浆流再次通过假底下面循环口进入循环泵，打入充气搅拌装置实现分选；另一部分随矿浆流进入下一个槽箱继续分选，过程同前，直至最后一个槽箱，疏水性差的高灰杂质由尾矿箱排出。

7、浮选柱

图7 旋流—静态微泡浮选柱工作原理示意图

旋流—静态微泡浮选柱组成主要包括三部分柱体、微泡发生器和尾矿，柱体段又可分为三段：精选段、粗选段和扫选段。柱体的顶部设有精矿收集槽和喷淋水消泡装置，入料管位于柱体高约2/3处，尾煤由柱体底部的尾矿箱排出，柱体段的液位由尾矿箱调节。微泡发生器位于柱体外部，它是浮选柱实现煤泥分选的核心部件。位于粗选段底部的循环煤浆，用泵加压后射入微泡发生器，同时吸入空气和药剂，当煤浆喷出微泡发生器时，由于压力的急剧降低，析出大量气体微泡，煤粒、药剂和空气以切线形式喷入扫选段，形成强烈的漩涡搅动，含气、液、固三相的煤浆在离心力的作用下迅速向中心和上方运动进入粗选段，气泡与由上部给入的煤浆实现逆向碰撞，疏水性好的细颗粒粘附在气泡上形成矿化气泡完成粗选过程。扫选的作用是回收粗选段末及时分选的精煤颗粒，是粗选过程的补充。矿化气泡上浮到柱体顶部积聚形成厚厚的泡沫层，喷淋水的作用是降低泡沫层中精煤的灰分，进一步强化二次富集作用，提高精煤质量。

8、微泡浮选机

 

图8  微泡浮选机工作原理示意图

微泡浮选机工作原理示意图如图8，预处理后的矿浆以一定的压力打入矿浆分配器，然后均匀分配到各矿化器中，空气和药剂被吸入，气、液、固三相在矿化器中充分碰撞混合后喷出进入浮选桶，此时，压力骤然降低，矿浆中析出大量微泡，疏水性好的煤粒形成矿化气泡上浮至液面，溢出后进入精矿槽，成为浮选精煤，尾矿由U型管的底部排出。

9、XJX系列机械搅拌式浮选机

 

图9  XJX型机械搅拌式浮选机结构示意图

XJX型浮选机叶轮被一个与水平成7度夹角的斜圆盘分成上下两层，上下两层各有六个高度不同对称排列的辐射状直叶片，在下叶片底部还有一个封闭盖板，板上设有循环矿浆的循环孔。定子上分布着24块导向板，定子上面设有圆盖板，在圆盖板上开有内外两排循环孔，在两排循环孔之间借鉴了丹佛D-R型浮选机的特点增设了倒锥循环桶，供浮选槽中部未矿化的煤粒有机会返回叶轮腔再行矿化。当双偏摆倾斜叶轮旋转一周时，叶轮圆盘与上下盖板和叶片所造成的空间发生周期性变化，矿浆受到碾压或扩展后析出大量微泡，煤粒与微泡碰撞吸附完成矿化过程。

10、XJM-S系列机械搅拌式浮选机

XJM-S系列浮选机改进了XJM型浮选机的部分结构形式和技术参数，同时借鉴WEMCO浮选机增设假底，采用模拟放大的方法开发研制而成的。煤浆以一定压力给入到浮选机第一室的假底下，叶轮旋转在轮腔中形成负压，矿浆、空气和药剂被吸进叶轮腔并在这里充分混合。受叶轮离心力的作用，吸入的空气被剪切成气泡，与煤粒充分接触，在定子和紊流板的作用下，均匀地分布于槽体截面，之后向上移动富集成泡沫层，由刮泡机构排出。假底上面未被矿化的煤粒通过循环孔和上吸口吸入叶轮。槽内未及时矿化的矿浆，通过中矿箱进入第二室的假底下，过程同前，最后形成尾矿。

主要工艺特点：

（1）“W”型循环

煤浆和空气经叶轮腔甩出后，以斜向下的方式冲击到浮选机假底上，再折向斜上方，形成了“W”型运动形式，这种形式能加煤粒与气泡的碰撞强度，降低叶轮的浸水深度，增加充气量，减少功率消耗；有助于气泡再次被粉碎；减缓粗粒沉淀；利于液面稳定。

（2）增设假底

增设假底是为了使槽体中未被矿化的煤粒有机会经过叶轮腔与空气混合，增加矿浆循环量，加强矿化作用。对于直流式浮选机，其矿浆是由前一槽直接流入下一个槽的，其流动方式并不像吸入式浮选机那样，所有的矿浆量均由叶轮吸入，因此增加循环量对提高可浮性差的和粗颗粒的选择性就显得尤为重要。

（3）整流板的设置

在浮选机的底部通常要设置整流板，它的作用是将叶轮甩出来的矿浆沿槽底均匀分布，防止矿浆旋转，使浮选机保持合理的流态分布形式，即：混合区剧烈碰撞，颗粒与气泡充分吸附；升浮区流态稳定，气泡平稳上升。

（4）浅槽设计

通常情况下，随着叶轮浸水深度的减小，浮选机的功率消耗随之降低，而充气量则会逐渐增加，同时气泡上浮路线也相对缩短，加速了浮选过程，改善了浮选机的各项性能指标。XJM-S型浮选机的伞形叶轮结构和假底的设置决定了槽体的这种独特浅槽设计形式。

图10  XJM-S系列浮选机工作原理示意图

最后指出，在不同类型的浮选机中矿粒与气泡的碰撞有着各自不同的特点，从而表现出不同的浮选效果。在XJM-S型浮选机中，矿浆与气泡在叶轮内部或边缘以及假底和整流板相碰撞时，碰撞的力相对较大，有利于二者之间水化层的破裂而粘着，促进了气泡的矿化作用。而在其他国内外各浮选设备中，煤粒与气泡的碰撞力很小，或是强度不够，导致分选时尾煤灰分低，一些粒度较粗的和可浮性差的煤粒浮不上来。另外我们从分析XJM-S型机械搅拌式浮选机结构特点和工作原理可知，与其他国内外浮选机比较，XJM-S型浮选机的最主要特点是对煤质的适应性强，表现为既能对粒度较粗的颗粒有一定的处理能力，又能对可浮性差的颗粒具有一定的回收效果，同时又能对浓度的变化有很好的适应性。国内外浮选设备性能列表对比如下表。

 

从本文分析可知，国外的浮选设备虽然在结构上和工作原理上有差别，但基本上都是在围绕着入浮煤粒度组成偏细和可浮性好的回收效果上做文章。引进我国后，由于不适应我国难浮煤泥多、细泥含量高的特殊国情，浮选效果并不理想，跑煤情况甚至非常严重。我国自主开发的浮选柱、喷射式浮选机和斜叶轮型机械搅拌式浮选机也基本上是在国外设备原有技术的基础上，结构形式、技术参数做了部分改进，但工作原理还是没有脱离原设计模型，导致这些国产设备在浮选效果上也不尽人意。为了适应我国煤泥的特点，增加设备的适应性，研制人员做了很多有益的改进。比如为进一步增加煤粒与气泡的碰撞强度，喷射式浮选机将长喉管改成了短喉管；为改变难浮煤粒表面性质，进一步增加疏水性能，在矿浆预处理环节增设表面改质机等，这些方法虽在一定程度上增加了设备的适应性，但还不能完全适应我国国情。XJM-S型浮选机的核心部件叶轮是在借鉴渣浆泵的基础上，根据浮选设备的工作特点，开发研制而成的，这种结构形式能使矿浆和气泡混合充分，且碰撞强度大，另外改进后借鉴美国WEMCO浮选机增设的假底稳流板结构，在一定程度上又强化了难浮煤及粗颗粒与气泡的矿化概率，大大提高了设备对煤质的适应能力，在我国大部分炼焦煤选煤厂和部分无烟煤及动力煤选煤厂广泛应用，取得了良好效果。