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宽粒级煤泥浮选机及流体动力学研究

杨润全  
【摘要】:浮选作为细粒矿物分选的主要方法,在选煤厂煤泥分选过程中得到广泛应用。论文针对现有选煤厂煤泥浮选过程中存在的问题,结合粗、细粒矿物浮选特点和流体力学环境,借鉴前人的研究成果,将流态化理论与粗颗粒煤泥浮选过程相结合,设计了集细粒常规浮选与粗粒流态化浮选于一体的宽粒级煤泥浮选机,并采用形状结构相似和流体动力学特性相似的原则,完成了从实验室小型浮选机向工业浮选机的放大设计和工业应用。结果表明,该浮选机可以解决1mm以下煤泥的全粒级浮选问题,为选煤厂煤泥浮选工艺提供了 一种可供借鉴的技术途径。本文对宽粒级煤泥浮选机结构设计和流场数值模拟进行了大量研究工作和理论探索,主要研究内容和创新性工作如下:(1)论文提出粗颗粒煤泥在流态化环境中可实现有效分选,通过对微弱上升流中颗粒-气泡聚集体运动过程的分析,推导计算了不同密度、不同粒度颗粒附着不同大小气泡时,在上升水流作用下保持悬浮时需要的临界上升水流速度,构建了微弱上升流中临界上升水流速度与颗粒粒度、密度以及附着气泡直径大小的关系模型:(?)并对煤泥流态化浮选过程中最大可浮粒度进行预测,揭示了将流态化引入粗颗粒煤泥浮选过程是可以拓宽煤泥浮选粒度上限的理论依据。(2)通过对浮选过程中粗、细粒矿物浮选特点和流体力学环境的分析,同时结合煤泥浮选的特点,设计了一种集细粒常规浮选与粗粒流态化浮选于一体的宽粒级煤泥浮选机,制作了直径150mm、高300mm、容积5L的实验室小浮选机,并采用FLUENT 6.3.26软件进行了流场数值模拟,从速度场和湍流度两个方面对浮选机内部流场进行了分析。结果表明,通过在浮选机内增加格筛板后,格筛板下部形成高速、强湍流区域,可增加细颗粒煤泥与气泡的碰撞、粘附机率,格筛板上部区域,在上升流作用下,形成了粗颗粒煤泥流态化浮选所需的低速、弱湍流条件,为粗粒和细粒煤泥浮选创造了各自所需的流体力学条件。(3)在实验室组建了小型宽粒级煤泥浮选试验系统,并对漳村矿选煤厂-1mm粒级煤泥进行了浮选试验。结果表明,浮选精煤灰分随着入料粒度减小呈现逐渐增大的趋势,而尾煤灰分在0.25-0.5mm粒级高于其它两个粒级(0.5-1mm、0-0.25mm);当浮选机入料量为0.36m3/h、叶轮转速为980rpm、入料矿浆浓度为100g/L时,浮选精煤灰分为10%、产率为85%,浮选尾煤灰分在50%以上,且浮选精煤数量指数和可燃体回收率均在90%以上;当浮选机入料量为0.12m3/h、叶轮转速为980rpm、入料矿浆浓度为200g/L时,浮选精煤灰分为10%以下、产率为85%,浮选尾煤灰分在55%以上,同时浮选精煤数量指数和可燃体回收率均在90%以上。说明该宽粒级煤泥浮选机在大入料量、低浓度和小入料量、高浓度的情况下,均可对-1mm宽粒级煤泥实现有效分选。(4)按照形状结构相似和流体动力学特性相似的原则,设计了直径4.25m、高4m、容积45m3的工业浮选机,并对工业浮选机进行了流场数值模拟。结果表明,放大后的工业浮选机与实验室小浮选机内部流体具有相似的流场,同样可以为粗粒和细粒矿物浮选提供各自所需的不同流体力学环境,同时验证了提出的动力学特征参数进行宽粒级煤泥浮选机放大后的设计结构,与原设计结构具有相似的流体型态,可以在同一浮选机中实现细粒和粗粒矿物的分区浮选。(5)首次在漳村矿选煤厂完成了工业浮选机的安装调试和工业应用。工业运行结果显示,对于常规粒级煤泥浮选,可保证精煤灰分小于8.5%,精煤产率80%以上,尾煤灰分50%以上的分选指标;对于-1mm宽粒级煤泥浮选,可以实现精煤灰分10%以下,精煤产率80%以上,尾煤灰分45%以上的分选指标。论文的创新点如下:(1)基于颗粒-气泡聚集体浮选过程受力分析,构建了微弱上升流中颗粒-气泡聚集体浮选运动学模型并验证了模型的有效性,预测了流态化浮选条件下煤泥粒度与上升流速度的定量关系,证明了流态化浮选提高煤泥浮选粒度上限的可行性,为宽粒级煤泥浮选机设计奠定了理论基础。(2)将流态化原理应用于粗粒煤泥浮选过程,设计制造了在同一台浮选机中,通过分区浮选来实现和控制粗、细粒煤泥浮选所需的不同流体力学环境,完成了-1mm宽粒级煤泥浮选机的结构设计,同时提出了形状结构相似和流体动力学特性相似的放大方法,完成了宽粒级煤泥浮选机的工业放大设计。(3)建立了宽粒级煤泥浮选机工业应用系统,工业试验表明,该新型浮选机可实现-1mm粒级煤泥的有效浮选,论文研究成果为煤泥浮选工艺提供了一种可供借鉴的技术途径。


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