中煤天津设计公司副总经理顾建军：葫芦素选煤厂ZWF6500型射流微泡浮选机智能成套装备应用

2025年11月17日 15:33 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

为解决动力煤浮选效率低、药剂消耗大、产品质量不稳定等问题，中煤天津设计工程有限责任公司研发了ZWF6500 型射流微泡浮选机及智能化成套装备，通过湍流强化浮选理论优化流场，结合图像识别与机器学习实现灰分软测量和智能加药。该装备在葫芦素选煤厂得到应用，包含ZBG型表面改质机、ZWF射流微泡浮选机及智能化控制系统。工业实践表明，成套装备取得了浮选尾矿灰分>75%、精煤灰分<9%、抽出率达到64%的生产指标，实现了浮选环节的无人值守和远程控制，提高了企业经济效益，促进了优质动力煤资源的清洁高效利用。

该成果在煤炭清洁高效利用智能化成果发布暨选煤厂智能化建设论坛上进行了发布点击此处链接查看详情

文章来源：《智能矿山》2025年第10期“煤炭清洁高效利用智能化先进成果专栏”

作者简介：顾建军，教授级高级工程师，现任中煤天津设计工程有限责任公司副总经理，主要从事煤炭清洁高效利用研究工作。E-mail： padyx@qq.com

作者单位：中煤天津设计工程有限责任公司；中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司

引用格式：顾建军.葫芦素选煤厂 ZWF6500 型射流微泡浮选机智能成套装备应用[J].智能矿山，2025，6(10)：72-78.

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浮选是煤炭提质增效的关键手段，可有效降低原煤杂质含量，提升燃烧效率，减少污染物排放。浮选是一种根据煤与矸石表面性质差异实现分选的方法。动力煤以长焰煤、不黏煤等低变质程度煤为主，表面疏水性较弱，难以通过常规浮选工艺实现高效分离。动力煤浮选普遍存在药剂消耗量大、浮选产品质量不稳定、浮选回收率低等问题，制约了动力煤浮选的推广应用，影响了优质动力煤资源的高效回收与利用，造成了煤炭资源的浪费。

射流微泡浮选机研发背景

为攻克动力煤浮选难题，国内外学者开展了系统性研究。其中，选前预处理技术作为改善浮选效果的核心路径，已形成包含热处理、微波处理、超声波处理、高剪切调浆处理等在内的多元技术体系。但大多数预处理方法因存在成本高、处理量低等问题，目前仍停留在实验室阶段，难以满足煤炭工业的规模化需求。

在预处理方法中，高剪切调浆处理更适合工业推广应用。高速旋转的剪切叶轮在矿浆中形成强湍流流场，利用湍流剪切作用对煤颗粒表面进行深度擦洗。在擦洗作用下，煤表面细泥与含氧官能团被清洗，新鲜的煤表面暴露于矿浆中，提升了煤与浮选药剂的吸附效率，实现了动力煤的浮选强化。药剂表面改性也是提高动力煤浮选效果的常见手段。向常规浮选药剂中添加表面活性物质，利用该类物质的表面改性作用增强动力煤表面疏水性，提高浮选分离效果。

多种表面活性物质的协同作用比单一物质更能提升浮选效果。但由于不同动力煤的煤质特性差异较大，适用的表面活性物质种类亦存在较大差异，因此表面选择性改性一直是研究热点。近年来，高效动力煤浮选药剂的研发取得了一定成功，但仍存在局限性：一方面表面活性物质使用成本较高，另一方面针对新型药剂的安全性、化学稳定性及对洗水系统长期影响的研究仍有待完善。

浮选装备是提升浮选效果、实现动力煤高效浮选工业化的关键环节。受各方面因素影响，相关理论与技术的研究和应用并不充分。中煤天津设计工程有限责任公司洁净煤技术研发团队针对动力煤粒度细、易泥化、表面性质差的特性，深入研究湍流浮选强化理论，提出采用表面改质机+射流微泡浮选设备对动力煤进行浮选，研制了国内最大的射流微泡浮选机及其智能化成套装备，并在中天合创能源有限责任公司葫芦素选煤厂（简称葫芦素选煤厂）开展了示范应用。应用情况表明，该装备运行良好，实现了浮选系统的无人值守和远程控制，提升了浮选精煤产率和品质，降低了企业生产成本，推动了优质动力煤资源的高效回收利用。经权威机构鉴定，设备达到国际领先水平。

湍流强化浮选理论研究

浮选作为典型的气液固三相复杂物理化学反应过程，内部三相流场的精确描述与模拟始终是行业难题，传统流体动力学和浮选动力学理论，已难以满足浮选机大型化研发需求。当前大型浮选机普遍面临粗粒矿物回收率低、细粒分选效果差、矿浆短路风险高、泡沫输送效率低等技术难题，阻碍了浮选机大型化与高效化的发展。

针对上述问题，围绕大型浮选装备内部流体运动行为进行了系统研究。通过气液固三相流场分析，明确了影响颗粒-气泡碰撞过程的关键湍流特征参数，建立了大型浮选机内部雷诺数与颗粒-气泡碰撞概率的定量函数关系，实现了气泡-煤粒碰撞效率的精准预测。

在此基础上，构建了多因素耦合流体模型，揭示了浮选机内部流场的湍流强度、颗粒密度等参数与碰撞概率间的相互关系，明确了不同粒级颗粒在湍流环境下的矿化反应规律及其对浮选指标的贡献度。研究成果为后续大型浮选机的结构优化与工艺参数调控提供了坚实的理论支撑，推动了浮选装备大型化研究的发展。

浮选成套装备研制

3.1 ZBG型表面改质机

当前，矿浆与药剂预处理设备种类多、处理方式混杂，致使浮选系统整体性不足，难以实现高效协同运作。现有矿浆预处理设备，如煤浆搅拌桶、矿浆准备器等，多为传统的浮选机配套产品，虽经改良，却仍局限于稳定矿浆入料与药剂预混，不能显著提升浮选效果。

高剪切调浆预处理可有效清洗煤表面的含氧官能团与罩盖细泥，使新鲜煤表面暴露在矿浆中，为浮选药剂的吸附提供有利条件。根据此原理，设计了ZBG型表面改质机原型，并从流体动力学角度分析强制湍流搅拌环境中颗粒运动、碰撞过程，揭示了高湍流脉动对矿物颗粒表面细泥罩盖的擦洗效应，明确了高湍流提高矿物颗粒－捕收剂碰撞效率的作用机制与途径，并建立了适用于大型表面改质机的数值模拟计算方法与模型。基于该模型，设计了多层叶轮的强力搅拌机构与表面改质机筒体结构。通过多次验证，研发了ZBG3800型表面改质机，设备内径3.8 m，主要由入料口、内筒、搅拌机构、锥形槽、药剂管、圆形槽和出料口等部件组成，ZBG型表面改质机如图1所示。

图1 ZBG型表面改质机

ZBG型表面改质机核心机构为搅拌机构轴，轴上共3层叶片，从上向下依次为双层伞形叶片、径向叶片和轴向叶片。双层伞形叶片高速旋转形成负压，空气和药剂经药剂管进入叶片，经强剪切作用充分雾化分散形成药剂气溶胶；矿浆经入料口、内筒、轴向叶片、径向叶片和伞形叶片，在多级强剪切叠加作用下，实现煤粒表面的清洗；在离心力作用下，药剂气溶胶与剪切调浆改质后的矿浆，在改质机槽体内交叉碰撞混合，完成矿浆的预矿化。预矿化后的矿浆经圆形槽内溜槽收集，经出料口进入浮选机，ZBG型表面改质机搅拌机构轴如图2所示。

图2 ZBG型表面改质机搅拌机构轴

ZBG型表面改质机解决了传统高剪切式表面改质机检修困难、制造复杂，生产成本高等痛点、难点问题。除多级叶片结构外，设备内部增设强制下行导向板，通过消除液面旋涡，显著提高矿浆循环效率，大幅提升设备容积利用率，确保矿浆预处理的充分性与稳定性。

在药剂分散方面，ZBG 型改质机将捕收剂与起泡剂管路独立设计，捕收剂经3级强力搅拌实现深度分散，起泡剂通过1级搅拌精准处理，避免药剂在分散前互相发生物理吸附，降低药剂损耗。经该设备处理后，煤颗粒表面细泥覆盖层明显减少，分选性能显著提升；以ZBG3800型为例，设备叶轮线速度为 9.89 m/s，为矿浆高效改质提供动力支持，扫描电子显微镜图像如图3所示。

图3 扫描电子显微镜图像

3.2 ZWF射流微泡浮选机

机械搅拌式浮选机是我国主流的浮选装备。空气在搅拌叶轮高速旋转形成的负压作用下进入浮选机，并在叶轮的剪切作用下实现气泡分散。但长期实践表明，机械搅拌式浮选机的浅槽式装备并不适用于动力煤煤泥浮选，主要包括2个方面原因。

（1）动力煤煤泥粒度细、灰分高，浮选过程中细泥夹带现象较为严重，而机械搅拌式浮选机泡沫层较薄，精煤产品灰分无法保证。

（2）动力煤煤泥疏水性差，在气泡上黏附的煤颗粒易在机械搅拌式浮选机的搅拌作用下发生脱附，影响精煤产率及可燃体回收率。浮选柱的高柱型设备具有更加静态的分选环境，设备内较厚的泡沫层对精煤中夹带的细泥具有更强的滤析作用，对微细粒物料有更好的分选效果。因此，学界普遍认为此类设备更适合于动力煤浮选。

基于湍流强化界面改质与颗粒－气泡矿化反应机制理论研究成果，开展了ZWF型射流微泡浮选机的研制工作。借助计算机流体力学计算方法，分析了设备结构参数对流场特性的影响，并优化了计算模型。成功研制出新型气泡发生器，优化了空气与矿浆的混合效率，提升了气泡生成效率与气泡尺寸的均匀性；开展了浮选单元槽体矿浆循环路径优化工作，实现了矿浆流场的精准调控。

针对大型微泡射流浮选机精矿溢流慢，易压矿的难题，提出内外双溢流泡沫收集方法，结合分配器导流设计、溢流槽梯度布局、导泡锥结构及筒体流道优化，成功开发出ZWF6500型射流微泡浮选机，提升了浮选过程的传质效率与分选精度，为动力煤高效分选提供了先进的装备支撑，ZWF型射流微泡浮选机如图4所示。

图4 ZWF型射流微泡浮选机

ZWF6500型射流微泡浮选机在工作过程中，矿浆首先经过浮选入料泵泵入浮选机分配器的矿浆分配腔，矿浆在静压≥0.18 MPa的条件下，通过分配器平均分流到射流器，经射流器喷嘴组形成强力射流流体，ZWF6500型射流微泡浮选机设备参数见表1。

表1 ZWF6500型射流微泡浮选机参数

在射流卷吸作用下，气泡发生器内形成负压区；空气自分配器空气腔进入射流器负压区，与矿浆一起通过喉管形成强湍动能的气、固、液三相流场。大量微射流将空气切割成大量微泡，微泡优先吸附到疏水固体表面和空气析出处表面。

微泡与煤颗粒在不断碰撞过程中与矿浆一起经过喉管进入内槽体，并产生大量矿化气泡，混合矿浆经过伞锥板反射上升，穿过稳流板，上浮进入矿化气泡与尾矿的分离区。最后矿化气泡经过导流板加速上浮至矿浆表面形成泡沫层，泡沫层经内外溢流沿自溢进入精矿槽形成精矿，浮选尾矿一部分经内桶体的循环管进入浮选入料（池）泵，再次循环，一部分经分离区进入内外桶之间的强化分离通道，进入尾矿循环矿浆导流器，并经尾矿管到达尾矿桶，形成浮选尾矿。

智能化控制系统

煤泥浮选作为细粒级煤分选的重要一环，因缺乏必要的工艺参数检测手段与产品灰分检测方法等问题成为选煤厂智能化建设转型的瓶颈。国家能源局相关验收标准仅要求浮选实现自动控制，与高级智能化建设目标存在差距。

围绕产品指标快速高精度检测及浮选过程闭环智能双向控制的技术难题，展开了系统性攻关，开发了包含浮选控制系统、智能加药系统在内的智能化控制系统。提出了一种基于图像识别的浮选产品灰分检测方法，并以此为核心研发了智能浮选系统，实现了浮选全流程参数监测与控制。

智能浮选系统通过建立精煤、尾煤图像实时采集装置，结合机器学习算法，深度挖掘图像灰度、颜色等光学特征与浮选工艺参数间的相关性。利用长短时记忆网络（LSTM）建立了灰分软测量模型。在此基础上，通过融合浮选过程关键变量对模型进行动态修正，进一步提升了灰分预测的稳定性与可靠性，为浮选工艺参数的智能调控提供了数据支撑，推动了煤炭浮选的智能化转型。

为实现浮选药剂智能添加，结合专家系统与贝叶斯网络（BN）设计浮选加药控制方法。利用专家系统根据浮选入料情况进行药剂前馈添加，基于BN 设计药剂添加量补偿模型，结合在线灰分检测值与工况对前馈加药量实时修正，对浮选稳定控制系统的加药量、进气量、喷淋水量和矿浆液位实施智能优化控制，实现了浮选全流程智能控制与产品双向调控，提升精煤回收率、降低药剂消耗并减轻人工劳动强度。

硬件系统由上位机、触摸屏、加药装置及浓度计、流量计等传感器构成。工作流程为：PLC 采集浮选工况数据传输至上位机，经专家规则计算前馈加药量并控制加药装置执行；尾矿槽内图像采集装置获取实时尾矿图像，通过机器学习灰分软测量技术获取精煤与尾煤灰分；上位机依据实时灰分、设定值及药剂添加量进行 BN 补偿计算，实现药剂精准微调。

葫芦素选煤厂智能化成套装备应用

葫芦素选煤厂入洗原煤以不粘煤、长焰煤为主，设计处理能力13.0 Mt/a，主要为下游煤化工项目供应原料煤与燃料煤。在投产初期，选煤厂采用块煤浅槽分选，末煤不入选工艺。随着生产的进行，受地质条件等因素影响，煤质与设计初期产生较大差异，矿井产能较长时间内无法突破 10.0 Mt/a。导致每年需调入约335万t低灰、低水精煤，与本矿精煤、混煤掺配，以满足下游化工项目的原料煤、燃料煤的数量和质量要求，剩余大量低品位混煤需要地销，增加了运输成本，降低了产品收益，为此，选煤厂规划建设混煤洗选系统。

参考GB/T 4757—2013煤粉（泥）实验室单元浮选试验方法等相关标准，对葫芦素煤泥进行了浮选试验研究，葫芦素煤泥浮选试验结果见表2。

表2 葫芦素选煤厂煤泥浮选试验结果

由表2可见葫芦素选煤厂煤泥灰分约35%。经浮选后可获得灰分6%~7%的浮选精煤，精煤产率>50%。但试验结果表明，葫芦素选煤厂煤泥浮选所需药剂量偏高，浮选精煤产率、浮选尾煤灰分等指标，与常规炼焦煤生产指标相比仍有提升空间。

参考GB/T 36167—2018选煤实验室分步释放浮选试验方法，对煤泥进行分步释放试验，并参考GB/T 30047—2013煤粉（泥）可浮性评定方法对煤泥可浮性进行评价，葫芦素选煤厂煤泥分步释放试验结果如图5所示。

图5 葫芦素煤泥分步释放试验结果

分步释放结果表明，当煤泥要求灰分为9.00%时，浮选精煤理论产率为65.13%，浮选尾煤灰分为85.57%，可燃体回收率为92.18%，判断煤泥为易浮煤泥。

结合浮选试验结果，综合多方面因素考虑，葫芦素选煤厂采用了13～0 mm混煤部分洗选，洗选工艺为13～1 mm有压产品重介旋流器分选，1~0.25 mm干扰床分选机分选、小于0.25 mm细煤泥主再浮的联合工艺。

浮选环节采用矿浆表面改质、一段精选、二段扫选的生产工艺，共建设2套浮选系统。为顺应煤炭行业智能化发展趋势，选煤厂同步规划应用了智能化控制系统。

葫芦素选煤厂共建设2套浮选系统，选用了2台ZBG3800型表面改质机和4台ZWF6500型射流微泡浮选机以及智能浮选控制系统，于2022年6月成功投入使用。

试运行期间，浮选控制系统配合浮选智能加药系统，实现了射流微泡浮选机液位自适应智能控制以及浮选尾矿灰分反馈控制，满足浮选系统无人值守、远程控制的技术要求。浮选系统生产稳定。试运行情况统计表明，浮选精煤灰分波动范围为7.50%～9.88%，浮选尾矿灰分>75%，设备应用现场如图6所示，智能化控制系统界面如图7所示，浮选生产现场情况如图8所示。

图6 设备应用现场

图7 智能化控制系统界面

图8 浮选生产现场情况

稳定运行情况表明，ZBG3800型表面改质机和ZWF6500型射流微泡浮选机满足了选煤厂细煤泥提质利用的要求，浮选尾矿满足离层注浆充填的基本条件，实现了煤炭资源的合理利用。经计算，葫芦素选煤厂全年入浮细煤泥约89.6万t，精煤抽出率64%，浮选精煤产量为57.34万t/a。按浮选精煤价格为720元/t、煤泥价格为400元/t、浮选药剂成本费用为36元/t计算，年效益增加2 219.2万元，经济效益显著。

总结

（1）针对动力煤浮选效率低、药剂消耗量大、产品质量不稳定等问题，研发了包含ZBG表面改质机、ZWF6500型射流微泡浮选机、智能浮选加药装置、智能浮选控制系统在内的智能化成套浮选装备。

（2）基于湍流强化浮选理论对设备结构进行了优化，结合灰分在线测量与智能浮选加药系统，实现了动力煤高效浮选，并达到了无人值守、远程控制的目标。

（3）ZWF6500型射流微泡浮选机及智能化成套装备在葫芦素选煤厂进行了应用，取得了良好的生产指标，为煤炭资源清洁高效利用奠定了坚实基础。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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