中煤天津設計公司副總經(jīng)理顧建軍：葫蘆素選煤廠ZWF6500型射流微泡浮選機智能成套裝備應用

2025年11月17日 15:33 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

摘要

為解決動力煤浮選效率低、藥劑消耗大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，中煤天津設計工程有限責任公司研發(fā)了ZWF6500 型射流微泡浮選機及智能化成套裝備，通過湍流強化浮選理論優(yōu)化流場，結合圖像識別與機器學習實現(xiàn)灰分軟測量和智能加藥。該裝備在葫蘆素選煤廠得到應用，包含ZBG型表面改質(zhì)機、ZWF射流微泡浮選機及智能化控制系統(tǒng)。工業(yè)實踐表明，成套裝備取得了浮選尾礦灰分>75%、精煤灰分<9%、抽出率達到64%的生產(chǎn)指標，實現(xiàn)了浮選環(huán)節(jié)的無人值守和遠程控制，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益，促進了優(yōu)質(zhì)動力煤資源的清潔高效利用。

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文章來源：《智能礦山》2025年第10期“煤炭清潔高效利用智能化先進成果專欄”

作者簡介：顧建軍，教授級高級工程師，現(xiàn)任中煤天津設計工程有限責任公司副總經(jīng)理，主要從事煤炭清潔高效利用研究工作。E-mail： padyx@qq.com

作者單位：中煤天津設計工程有限責任公司；中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司

引用格式：顧建軍.葫蘆素選煤廠 ZWF6500 型射流微泡浮選機智能成套裝備應用[J].智能礦山，2025，6(10)：72-78.

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浮選是煤炭提質(zhì)增效的關鍵手段，可有效降低原煤雜質(zhì)含量，提升燃燒效率，減少污染物排放。浮選是一種根據(jù)煤與矸石表面性質(zhì)差異實現(xiàn)分選的方法。動力煤以長焰煤、不黏煤等低變質(zhì)程度煤為主，表面疏水性較弱，難以通過常規(guī)浮選工藝實現(xiàn)高效分離。動力煤浮選普遍存在藥劑消耗量大、浮選產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、浮選回收率低等問題，制約了動力煤浮選的推廣應用，影響了優(yōu)質(zhì)動力煤資源的高效回收與利用，造成了煤炭資源的浪費。

射流微泡浮選機研發(fā)背景

為攻克動力煤浮選難題，國內(nèi)外學者開展了系統(tǒng)性研究。其中，選前預處理技術作為改善浮選效果的核心路徑，已形成包含熱處理、微波處理、超聲波處理、高剪切調(diào)漿處理等在內(nèi)的多元技術體系。但大多數(shù)預處理方法因存在成本高、處理量低等問題，目前仍停留在實驗室階段，難以滿足煤炭工業(yè)的規(guī)模化需求。

在預處理方法中，高剪切調(diào)漿處理更適合工業(yè)推廣應用。高速旋轉的剪切葉輪在礦漿中形成強湍流流場，利用湍流剪切作用對煤顆粒表面進行深度擦洗。在擦洗作用下，煤表面細泥與含氧官能團被清洗，新鮮的煤表面暴露于礦漿中，提升了煤與浮選藥劑的吸附效率，實現(xiàn)了動力煤的浮選強化。藥劑表面改性也是提高動力煤浮選效果的常見手段。向常規(guī)浮選藥劑中添加表面活性物質(zhì)，利用該類物質(zhì)的表面改性作用增強動力煤表面疏水性，提高浮選分離效果。

多種表面活性物質(zhì)的協(xié)同作用比單一物質(zhì)更能提升浮選效果。但由于不同動力煤的煤質(zhì)特性差異較大，適用的表面活性物質(zhì)種類亦存在較大差異，因此表面選擇性改性一直是研究熱點。近年來，高效動力煤浮選藥劑的研發(fā)取得了一定成功，但仍存在局限性：一方面表面活性物質(zhì)使用成本較高，另一方面針對新型藥劑的安全性、化學穩(wěn)定性及對洗水系統(tǒng)長期影響的研究仍有待完善。

浮選裝備是提升浮選效果、實現(xiàn)動力煤高效浮選工業(yè)化的關鍵環(huán)節(jié)。受各方面因素影響，相關理論與技術的研究和應用并不充分。中煤天津設計工程有限責任公司潔凈煤技術研發(fā)團隊針對動力煤粒度細、易泥化、表面性質(zhì)差的特性，深入研究湍流浮選強化理論，提出采用表面改質(zhì)機+射流微泡浮選設備對動力煤進行浮選，研制了國內(nèi)最大的射流微泡浮選機及其智能化成套裝備，并在中天合創(chuàng)能源有限責任公司葫蘆素選煤廠（簡稱葫蘆素選煤廠）開展了示范應用。應用情況表明，該裝備運行良好，實現(xiàn)了浮選系統(tǒng)的無人值守和遠程控制，提升了浮選精煤產(chǎn)率和品質(zhì)，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，推動了優(yōu)質(zhì)動力煤資源的高效回收利用。經(jīng)權威機構鑒定，設備達到國際領先水平。

湍流強化浮選理論研究

浮選作為典型的氣液固三相復雜物理化學反應過程，內(nèi)部三相流場的精確描述與模擬始終是行業(yè)難題，傳統(tǒng)流體動力學和浮選動力學理論，已難以滿足浮選機大型化研發(fā)需求。當前大型浮選機普遍面臨粗粒礦物回收率低、細粒分選效果差、礦漿短路風險高、泡沫輸送效率低等技術難題，阻礙了浮選機大型化與高效化的發(fā)展。

針對上述問題，圍繞大型浮選裝備內(nèi)部流體運動行為進行了系統(tǒng)研究。通過氣液固三相流場分析，明確了影響顆粒-氣泡碰撞過程的關鍵湍流特征參數(shù)，建立了大型浮選機內(nèi)部雷諾數(shù)與顆粒-氣泡碰撞概率的定量函數(shù)關系，實現(xiàn)了氣泡-煤粒碰撞效率的精準預測。

在此基礎上，構建了多因素耦合流體模型，揭示了浮選機內(nèi)部流場的湍流強度、顆粒密度等參數(shù)與碰撞概率間的相互關系，明確了不同粒級顆粒在湍流環(huán)境下的礦化反應規(guī)律及其對浮選指標的貢獻度。研究成果為后續(xù)大型浮選機的結構優(yōu)化與工藝參數(shù)調(diào)控提供了堅實的理論支撐，推動了浮選裝備大型化研究的發(fā)展。

浮選成套裝備研制

3.1 ZBG型表面改質(zhì)機

當前，礦漿與藥劑預處理設備種類多、處理方式混雜，致使浮選系統(tǒng)整體性不足，難以實現(xiàn)高效協(xié)同運作。現(xiàn)有礦漿預處理設備，如煤漿攪拌桶、礦漿準備器等，多為傳統(tǒng)的浮選機配套產(chǎn)品，雖經(jīng)改良，卻仍局限于穩(wěn)定礦漿入料與藥劑預混，不能顯著提升浮選效果。

高剪切調(diào)漿預處理可有效清洗煤表面的含氧官能團與罩蓋細泥，使新鮮煤表面暴露在礦漿中，為浮選藥劑的吸附提供有利條件。根據(jù)此原理，設計了ZBG型表面改質(zhì)機原型，并從流體動力學角度分析強制湍流攪拌環(huán)境中顆粒運動、碰撞過程，揭示了高湍流脈動對礦物顆粒表面細泥罩蓋的擦洗效應，明確了高湍流提高礦物顆粒－捕收劑碰撞效率的作用機制與途徑，并建立了適用于大型表面改質(zhì)機的數(shù)值模擬計算方法與模型。基于該模型，設計了多層葉輪的強力攪拌機構與表面改質(zhì)機筒體結構。通過多次驗證，研發(fā)了ZBG3800型表面改質(zhì)機，設備內(nèi)徑3.8 m，主要由入料口、內(nèi)筒、攪拌機構、錐形槽、藥劑管、圓形槽和出料口等部件組成，ZBG型表面改質(zhì)機如圖1所示。

圖1 ZBG型表面改質(zhì)機

ZBG型表面改質(zhì)機核心機構為攪拌機構軸，軸上共3層葉片，從上向下依次為雙層傘形葉片、徑向葉片和軸向葉片。雙層傘形葉片高速旋轉形成負壓，空氣和藥劑經(jīng)藥劑管進入葉片，經(jīng)強剪切作用充分霧化分散形成藥劑氣溶膠；礦漿經(jīng)入料口、內(nèi)筒、軸向葉片、徑向葉片和傘形葉片，在多級強剪切疊加作用下，實現(xiàn)煤粒表面的清洗；在離心力作用下，藥劑氣溶膠與剪切調(diào)漿改質(zhì)后的礦漿，在改質(zhì)機槽體內(nèi)交叉碰撞混合，完成礦漿的預礦化。預礦化后的礦漿經(jīng)圓形槽內(nèi)溜槽收集，經(jīng)出料口進入浮選機，ZBG型表面改質(zhì)機攪拌機構軸如圖2所示。

圖2 ZBG型表面改質(zhì)機攪拌機構軸

ZBG型表面改質(zhì)機解決了傳統(tǒng)高剪切式表面改質(zhì)機檢修困難、制造復雜，生產(chǎn)成本高等痛點、難點問題。除多級葉片結構外，設備內(nèi)部增設強制下行導向板，通過消除液面旋渦，顯著提高礦漿循環(huán)效率，大幅提升設備容積利用率，確保礦漿預處理的充分性與穩(wěn)定性。

在藥劑分散方面，ZBG 型改質(zhì)機將捕收劑與起泡劑管路獨立設計，捕收劑經(jīng)3級強力攪拌實現(xiàn)深度分散，起泡劑通過1級攪拌精準處理，避免藥劑在分散前互相發(fā)生物理吸附，降低藥劑損耗。經(jīng)該設備處理后，煤顆粒表面細泥覆蓋層明顯減少，分選性能顯著提升；以ZBG3800型為例，設備葉輪線速度為 9.89 m/s，為礦漿高效改質(zhì)提供動力支持，掃描電子顯微鏡圖像如圖3所示。

圖3 掃描電子顯微鏡圖像

3.2 ZWF射流微泡浮選機

機械攪拌式浮選機是我國主流的浮選裝備。空氣在攪拌葉輪高速旋轉形成的負壓作用下進入浮選機，并在葉輪的剪切作用下實現(xiàn)氣泡分散。但長期實踐表明，機械攪拌式浮選機的淺槽式裝備并不適用于動力煤煤泥浮選，主要包括2個方面原因。

（1）動力煤煤泥粒度細、灰分高，浮選過程中細泥夾帶現(xiàn)象較為嚴重，而機械攪拌式浮選機泡沫層較薄，精煤產(chǎn)品灰分無法保證。

（2）動力煤煤泥疏水性差，在氣泡上黏附的煤顆粒易在機械攪拌式浮選機的攪拌作用下發(fā)生脫附，影響精煤產(chǎn)率及可燃體回收率。浮選柱的高柱型設備具有更加靜態(tài)的分選環(huán)境，設備內(nèi)較厚的泡沫層對精煤中夾帶的細泥具有更強的濾析作用，對微細粒物料有更好的分選效果。因此，學界普遍認為此類設備更適合于動力煤浮選。

基于湍流強化界面改質(zhì)與顆粒－氣泡礦化反應機制理論研究成果，開展了ZWF型射流微泡浮選機的研制工作。借助計算機流體力學計算方法，分析了設備結構參數(shù)對流場特性的影響，并優(yōu)化了計算模型。成功研制出新型氣泡發(fā)生器，優(yōu)化了空氣與礦漿的混合效率，提升了氣泡生成效率與氣泡尺寸的均勻性；開展了浮選單元槽體礦漿循環(huán)路徑優(yōu)化工作，實現(xiàn)了礦漿流場的精準調(diào)控。

針對大型微泡射流浮選機精礦溢流慢，易壓礦的難題，提出內(nèi)外雙溢流泡沫收集方法，結合分配器導流設計、溢流槽梯度布局、導泡錐結構及筒體流道優(yōu)化，成功開發(fā)出ZWF6500型射流微泡浮選機，提升了浮選過程的傳質(zhì)效率與分選精度，為動力煤高效分選提供了先進的裝備支撐，ZWF型射流微泡浮選機如圖4所示。

圖4 ZWF型射流微泡浮選機

ZWF6500型射流微泡浮選機在工作過程中，礦漿首先經(jīng)過浮選入料泵泵入浮選機分配器的礦漿分配腔，礦漿在靜壓≥0.18 MPa的條件下，通過分配器平均分流到射流器，經(jīng)射流器噴嘴組形成強力射流流體，ZWF6500型射流微泡浮選機設備參數(shù)見表1。

表1 ZWF6500型射流微泡浮選機參數(shù)

在射流卷吸作用下，氣泡發(fā)生器內(nèi)形成負壓區(qū)；空氣自分配器空氣腔進入射流器負壓區(qū)，與礦漿一起通過喉管形成強湍動能的氣、固、液三相流場。大量微射流將空氣切割成大量微泡，微泡優(yōu)先吸附到疏水固體表面和空氣析出處表面。

微泡與煤顆粒在不斷碰撞過程中與礦漿一起經(jīng)過喉管進入內(nèi)槽體，并產(chǎn)生大量礦化氣泡，混合礦漿經(jīng)過傘錐板反射上升，穿過穩(wěn)流板，上浮進入礦化氣泡與尾礦的分離區(qū)。最后礦化氣泡經(jīng)過導流板加速上浮至礦漿表面形成泡沫層，泡沫層經(jīng)內(nèi)外溢流沿自溢進入精礦槽形成精礦，浮選尾礦一部分經(jīng)內(nèi)桶體的循環(huán)管進入浮選入料（池）泵，再次循環(huán)，一部分經(jīng)分離區(qū)進入內(nèi)外桶之間的強化分離通道，進入尾礦循環(huán)礦漿導流器，并經(jīng)尾礦管到達尾礦桶，形成浮選尾礦。

智能化控制系統(tǒng)

煤泥浮選作為細粒級煤分選的重要一環(huán)，因缺乏必要的工藝參數(shù)檢測手段與產(chǎn)品灰分檢測方法等問題成為選煤廠智能化建設轉型的瓶頸。國家能源局相關驗收標準僅要求浮選實現(xiàn)自動控制，與高級智能化建設目標存在差距。

圍繞產(chǎn)品指標快速高精度檢測及浮選過程閉環(huán)智能雙向控制的技術難題，展開了系統(tǒng)性攻關，開發(fā)了包含浮選控制系統(tǒng)、智能加藥系統(tǒng)在內(nèi)的智能化控制系統(tǒng)。提出了一種基于圖像識別的浮選產(chǎn)品灰分檢測方法，并以此為核心研發(fā)了智能浮選系統(tǒng)，實現(xiàn)了浮選全流程參數(shù)監(jiān)測與控制。

智能浮選系統(tǒng)通過建立精煤、尾煤圖像實時采集裝置，結合機器學習算法，深度挖掘圖像灰度、顏色等光學特征與浮選工藝參數(shù)間的相關性。利用長短時記憶網(wǎng)絡（LSTM）建立了灰分軟測量模型。在此基礎上，通過融合浮選過程關鍵變量對模型進行動態(tài)修正，進一步提升了灰分預測的穩(wěn)定性與可靠性，為浮選工藝參數(shù)的智能調(diào)控提供了數(shù)據(jù)支撐，推動了煤炭浮選的智能化轉型。

為實現(xiàn)浮選藥劑智能添加，結合專家系統(tǒng)與貝葉斯網(wǎng)絡（BN）設計浮選加藥控制方法。利用專家系統(tǒng)根據(jù)浮選入料情況進行藥劑前饋添加，基于BN 設計藥劑添加量補償模型，結合在線灰分檢測值與工況對前饋加藥量實時修正，對浮選穩(wěn)定控制系統(tǒng)的加藥量、進氣量、噴淋水量和礦漿液位實施智能優(yōu)化控制，實現(xiàn)了浮選全流程智能控制與產(chǎn)品雙向調(diào)控，提升精煤回收率、降低藥劑消耗并減輕人工勞動強度。

硬件系統(tǒng)由上位機、觸摸屏、加藥裝置及濃度計、流量計等傳感器構成。工作流程為：PLC 采集浮選工況數(shù)據(jù)傳輸至上位機，經(jīng)專家規(guī)則計算前饋加藥量并控制加藥裝置執(zhí)行；尾礦槽內(nèi)圖像采集裝置獲取實時尾礦圖像，通過機器學習灰分軟測量技術獲取精煤與尾煤灰分；上位機依據(jù)實時灰分、設定值及藥劑添加量進行 BN 補償計算，實現(xiàn)藥劑精準微調(diào)。

葫蘆素選煤廠智能化成套裝備應用

葫蘆素選煤廠入洗原煤以不粘煤、長焰煤為主，設計處理能力13.0 Mt/a，主要為下游煤化工項目供應原料煤與燃料煤。在投產(chǎn)初期，選煤廠采用塊煤淺槽分選，末煤不入選工藝。隨著生產(chǎn)的進行，受地質(zhì)條件等因素影響，煤質(zhì)與設計初期產(chǎn)生較大差異，礦井產(chǎn)能較長時間內(nèi)無法突破 10.0 Mt/a。導致每年需調(diào)入約335萬t低灰、低水精煤，與本礦精煤、混煤摻配，以滿足下游化工項目的原料煤、燃料煤的數(shù)量和質(zhì)量要求，剩余大量低品位混煤需要地銷，增加了運輸成本，降低了產(chǎn)品收益，為此，選煤廠規(guī)劃建設混煤洗選系統(tǒng)。

參考GB/T 4757—2013煤粉（泥）實驗室單元浮選試驗方法等相關標準，對葫蘆素煤泥進行了浮選試驗研究，葫蘆素煤泥浮選試驗結果見表2。

表2 葫蘆素選煤廠煤泥浮選試驗結果

由表2可見葫蘆素選煤廠煤泥灰分約35%。經(jīng)浮選后可獲得灰分6%~7%的浮選精煤，精煤產(chǎn)率>50%。但試驗結果表明，葫蘆素選煤廠煤泥浮選所需藥劑量偏高，浮選精煤產(chǎn)率、浮選尾煤灰分等指標，與常規(guī)煉焦煤生產(chǎn)指標相比仍有提升空間。

參考GB/T 36167—2018選煤實驗室分步釋放浮選試驗方法，對煤泥進行分步釋放試驗，并參考GB/T 30047—2013煤粉（泥）可浮性評定方法對煤泥可浮性進行評價，葫蘆素選煤廠煤泥分步釋放試驗結果如圖5所示。

圖5 葫蘆素煤泥分步釋放試驗結果

分步釋放結果表明，當煤泥要求灰分為9.00%時，浮選精煤理論產(chǎn)率為65.13%，浮選尾煤灰分為85.57%，可燃體回收率為92.18%，判斷煤泥為易浮煤泥。

結合浮選試驗結果，綜合多方面因素考慮，葫蘆素選煤廠采用了13～0 mm混煤部分洗選，洗選工藝為13～1 mm有壓產(chǎn)品重介旋流器分選，1~0.25 mm干擾床分選機分選、小于0.25 mm細煤泥主再浮的聯(lián)合工藝。

浮選環(huán)節(jié)采用礦漿表面改質(zhì)、一段精選、二段掃選的生產(chǎn)工藝，共建設2套浮選系統(tǒng)。為順應煤炭行業(yè)智能化發(fā)展趨勢，選煤廠同步規(guī)劃應用了智能化控制系統(tǒng)。

葫蘆素選煤廠共建設2套浮選系統(tǒng)，選用了2臺ZBG3800型表面改質(zhì)機和4臺ZWF6500型射流微泡浮選機以及智能浮選控制系統(tǒng)，于2022年6月成功投入使用。

試運行期間，浮選控制系統(tǒng)配合浮選智能加藥系統(tǒng)，實現(xiàn)了射流微泡浮選機液位自適應智能控制以及浮選尾礦灰分反饋控制，滿足浮選系統(tǒng)無人值守、遠程控制的技術要求。浮選系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定。試運行情況統(tǒng)計表明，浮選精煤灰分波動范圍為7.50%～9.88%，浮選尾礦灰分>75%，設備應用現(xiàn)場如圖6所示，智能化控制系統(tǒng)界面如圖7所示，浮選生產(chǎn)現(xiàn)場情況如圖8所示。

圖6 設備應用現(xiàn)場

圖7 智能化控制系統(tǒng)界面

圖8 浮選生產(chǎn)現(xiàn)場情況

穩(wěn)定運行情況表明，ZBG3800型表面改質(zhì)機和ZWF6500型射流微泡浮選機滿足了選煤廠細煤泥提質(zhì)利用的要求，浮選尾礦滿足離層注漿充填的基本條件，實現(xiàn)了煤炭資源的合理利用。經(jīng)計算，葫蘆素選煤廠全年入浮細煤泥約89.6萬t，精煤抽出率64%，浮選精煤產(chǎn)量為57.34萬t/a。按浮選精煤價格為720元/t、煤泥價格為400元/t、浮選藥劑成本費用為36元/t計算，年效益增加2 219.2萬元，經(jīng)濟效益顯著。

總結

（1）針對動力煤浮選效率低、藥劑消耗量大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，研發(fā)了包含ZBG表面改質(zhì)機、ZWF6500型射流微泡浮選機、智能浮選加藥裝置、智能浮選控制系統(tǒng)在內(nèi)的智能化成套浮選裝備。

（2）基于湍流強化浮選理論對設備結構進行了優(yōu)化，結合灰分在線測量與智能浮選加藥系統(tǒng)，實現(xiàn)了動力煤高效浮選，并達到了無人值守、遠程控制的目標。

（3）ZWF6500型射流微泡浮選機及智能化成套裝備在葫蘆素選煤廠進行了應用，取得了良好的生產(chǎn)指標，為煤炭資源清潔高效利用奠定了堅實基礎。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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