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高强度浮选调浆过程碰撞速率及流体特性研究

李吉辉  
【摘要】:浮选是细粒矿物分选中应用最广、效果最好的分选方法,但是我国很多矿产资源地质条件较差、矿石“贫细杂”化严重,浮选过程的完善程度将直接影响资源的利用效率。然而,目前的浮选过程仍然存在回收率低、精矿质量差、工艺缺乏针对性等缺陷。迄今,为提高浮选效率,国内外学者和工程技术人员在新型药剂、新型浮选设备、浮选工艺优化等方面取得了很大的进展。然而,这些研究大多都集中在分选单元,缺少对高效调浆技术的重视和突破。加强对调浆过程的研究是过程强化与深度分选理念的契合与要求。如果细化整个浮选过程,将破碎和磨碎作为前期准备工作,调浆过程才是浮选作业过程真正的起点。因此改善颗粒的表面物理化学性质是实现细粒、微细粒矿物高效分选回收的先决条件。现有调浆设备和方法难以满足微细矿粒所特需的高分散、强活化、高效碰撞接触的要求,只起到了一定的混合作用。高强度调浆加强调浆设备内的流体特性的改进,使高强度搅拌产生的强紊流流态高效分散烃类油捕收剂、清洗固体颗粒表面粘附的异质细泥,并且可以加大细粒矿物与药滴的碰撞概率,使药剂更多地吸附在颗粒表面,使其疏水活化,达到高效调浆的目的。本文对调浆体系中影响调浆效果的颗粒性质,主要是非极性烃类油捕收剂在高剪切调浆过程中的分散规律进行了探究和总结;分析对比了多种细粒颗粒在高速紊流中的碰撞速率(概率)模型,如速度梯度模型、Sommerfeld模型以及Levich模型,发现Levich模型不仅考虑了颗粒的粒度、密度等惯性力因素,也将由于搅拌叶轮所形成的流体运动速度、黏度等因素考虑在内,是比较适合高强度调浆过程矿物颗粒和非极性烃类油药剂油滴碰撞速率的数学模型。结合经典Levich模型,并对其优化和延伸,得到适应于高剪切调浆过程的颗粒碰撞速率模型,结果显示对于固定结构搅拌槽,在Rep105的判定条件下,流体速度是影响碰撞速率的主要因素;通过PIV测定和CFD模拟,对高强度调浆槽中流场特性进行了分析,结合分析结果和颗粒碰撞速率数学模型对调浆槽的结构进行了改进;通过对开滦矿区焦煤、宁东矿区焦煤、河南矿区钼矿等矿样的实验室以及工业规模试验,得到了各自最佳调浆条件,并与不采用高强度调浆的浮选试验结果进行对比。主要研究内容及结论如下:(1)以0号柴油为对象,对采用机械搅拌方式分散非极性烃类油捕收剂油滴的效果进行试验,对高强度调浆过程中搅拌转速和搅拌时间对药剂油滴的分散影响规律进行了探究,采用激光粒度仪对不同条件下所得捕收剂粒度分布进行测定,发现高转速短时间比低转速长时间能使药剂分散更加细小,能为后续调浆过程创造更有利的条件。对捕收剂平均粒径和搅拌桨转速的关系进行了回归分析,发现在搅拌时间为2分钟条件下其符合如下数学模型:Rf=5.55065·10-5·utip-1.2613式中,Rf为细颗粒即捕收剂药滴的半径,m;utip为搅拌桨叶端线速度,m/s;(2)适合于微细矿粒调浆过程的碰撞概率模型的选用与优化。结合经典Levich碰撞模型,并对其优化和延伸,可认为Rep105条件下颗粒相对流体的跟随性仅与颗粒和液体的密度有关,因此将此模型与试验所用调浆槽结构和操作条件结合,对模型进行了优化:式中,Rc为粗颗粒半径,即为矿物颗粒半径,m;Rf为细颗粒半径,即为捕收剂药滴半径,m;L为搅拌槽直径,m;v为流体运动粘度,m2/s;nc为粗颗粒即矿物颗粒粒子浓度,1/m3;nf为细颗粒即捕收剂油滴粒子浓度,1/m3;ρ为流体密度,kg/m3;ρp为颗粒密度,kg/m3;Ul为流体运动速度,rn/s.此模型对细粒矿物调浆设备的设计给出了方向,即尽可能地增大槽体空间每个区域的液体流动速度,如此可增大槽体空间整体的矿物颗粒与捕收剂油滴的碰撞概率,提高槽体空间利用率,节省捕收剂用量并为后续浮选创造良好的界面环境;(3)用PIV方法对直径T=300mm不同结构调浆槽内流体特性进行了系统的测定,对T=2200mm添加剪切盘的调浆槽内流体特性进行了CFD模拟,结果表明:相比普通具有竖向挡板的圆筒结构搅拌槽,添加横向隔板和剪切盘将搅拌槽分割为多个相对独立的调浆室,在相同搅拌转速下,可以显著提高流体速度值和湍流强度,提高槽体空间利用率;在每个调浆室内,搅拌桨甩出流体向下向外运动不久变分为两股流动,一股触底后急速向上,一股沿槽底(隔板形成假底)流向壁面;挡板处的流动主要为向下流,向下运行一段距离后也分为两股,一股继续竖直向下,一股折向槽体中心,与搅拌桨生成的两股流动汇合形成菱形高速交汇区域;(4)本文通过对开滦矿区焦煤、宁东矿区焦煤、河南矿区钼矿等矿样的实验室以及工业规模试验,得到了特定矿样的最佳调浆条件,并与不采用高强度调浆的实验结果进行对比。结果显示,高强度调浆技术对于提高难选细粒矿物的浮选数质量指标效果明显;对于具有精选的工艺,高强度调浆可以提高粗选段回收率和精选段的除杂效果,最终结果与传统预处理方法相比可以得到精矿回收率和精矿质量同时提高的效果。


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