管段高紊流強(qiáng)化煤泥柱浮選的應(yīng)用及作用機(jī)理

廖寅飛,劉炯天,李樹磊

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇徐州 221116)

管段高紊流強(qiáng)化煤泥柱浮選的應(yīng)用及作用機(jī)理

廖寅飛,劉炯天,李樹磊

(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇徐州 221116)

為了強(qiáng)化煤泥的柱浮選與細(xì)粒級回收,調(diào)整了旋流－靜態(tài)微泡浮選床的管流段長度,分析了不同管流段長度下的煤泥浮選效果、產(chǎn)品特性和承載能力變化規(guī)律,并結(jié)合流體動力學(xué)和浮選動力學(xué)理論探討了其強(qiáng)化作用機(jī)理。結(jié)果表明:管流段長度由1.5 m延長至3.0 m后,在精煤灰分相當(dāng)?shù)那闆r下,精煤可燃體回收率提高6.46%;細(xì)粒級0.074～0.045 mm和＜0.045 mm回收率分別提高7.96%和8.41%,設(shè)備承載能力提高0.09 t/(h·m2);同時(shí)各自增幅都隨入料干煤泥量的增加逐漸變大。管流段延長可以增大管流段的紊流動能值,提高顆粒－氣泡的碰撞速率,促進(jìn)整體浮選指標(biāo)的提升。

管流段;紊流強(qiáng)度;細(xì)粒級;作用機(jī)理

目前泡沫浮選廣泛應(yīng)用于＜0.5 mm級細(xì)粒煤的分選,然而對于細(xì)粒級普遍存在回收能力差、浮選效率低等問題[1－3]。隨著機(jī)械化采煤和礦井開采產(chǎn)量的增加,選煤廠入浮原煤量和原煤中細(xì)粒粒級含量都逐漸加大,導(dǎo)致浮選指標(biāo)明顯下降[4]。

自從詹姆森浮選柱問世以來,管流礦化作為一種新型的高效礦化方式逐漸為業(yè)內(nèi)人士所重視。管流礦化是指由高度紊流的礦漿在狹小的圓形管道空間內(nèi),實(shí)現(xiàn)礦物顆粒與氣泡的高效率碰撞與黏附的過程[5]。國內(nèi)外學(xué)者對管流礦化和礦漿紊流強(qiáng)度都做了大量工作。李國勝等[6]總結(jié)了管流礦化在新型浮選柱中的應(yīng)用,David[7]和Mahshid等[8]研究了管流礦化氣泡與顆粒的相互作用,閆小康等[9]進(jìn)行了旋流－靜態(tài)微泡浮選柱管流段的兩相流數(shù)值模擬,曾克文等[10－11]分析了礦漿紊流強(qiáng)度對鐵精礦脫氟的影響。但對于管段高紊流在強(qiáng)化煤泥柱浮選及作用機(jī)理方面的研究鮮見報(bào)道。本文嘗試通過調(diào)整旋流－靜態(tài)微泡浮選床管流段長度來強(qiáng)化煤泥柱浮選,研究不同管流段長度下的煤泥浮選指標(biāo)、產(chǎn)品特性和承載能力變化規(guī)律,并分析其強(qiáng)化作用機(jī)理,為柱浮選設(shè)備的開發(fā)和強(qiáng)化細(xì)粒煤浮選提高參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)是在河南某選煤廠FCSMC－3 000 mm× 6 000 mm旋流－靜態(tài)微泡浮選床上完成的,試驗(yàn)裝置如圖1所示。本試驗(yàn)研究的管流段為氣泡發(fā)生器下游至旋流切線入口的管段,其以豎直向下方式布置,初始長度為1.5 m,經(jīng)提升延長至3.0 m。采用閥門調(diào)節(jié)入料流量和氣體流量,并用液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)測定。變頻器調(diào)節(jié)底流泵和循環(huán)泵轉(zhuǎn)速,控制浮選床液面高度和循環(huán)泵出口壓力,底流泵和循環(huán)泵功率分別為11 kW和110 kW。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)及原煤性質(zhì)

主要操作參數(shù):循環(huán)泵出口壓力0.28 MPa,充氣量1.0 m3/(m2·min),液面高度5 m,入料質(zhì)量濃度70 g/L,入料干煤泥量0.3～0.6 t/min。捕收劑選用煤油,用量固定為500 g/t;起泡劑選用松醇油,用量固定為100 g/t。試驗(yàn)樣品為正常生產(chǎn)時(shí)的浮選入料,粒度組成見表1。

表1 浮選入料的粒度組成Table 1 Size distribution of the flotation feed

由表1可見,粒級產(chǎn)率隨著粒度的降低逐漸增加,＜0.074 mm含量高達(dá)73.44%,其中＜0.045 mm占52.41%;粗粒級含量低,＞0.125 mm僅占9.66%。因此,入浮原煤中細(xì)粒粒級為主導(dǎo)粒級,且細(xì)粒級所占比例大,細(xì)粒級的回收效果將直接影響整體浮選指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選指標(biāo)對比

管流段延長前后的煤泥浮選指標(biāo)如圖2所示。由圖2可知,管流段延長后精煤可燃體回收率平均提高6.46%。隨著入料干煤泥量的增加,可燃體回收率呈下降趨勢,這主要是因?yàn)樘幚砹吭龃?浮選時(shí)間縮短,但相應(yīng)的可燃體回收率提升幅度逐漸增大,由3.99%增大至8.83%。精煤灰分與延長前基本保持一致,穩(wěn)定在10%左右,符合產(chǎn)品要求。因此,管流段延長可以有效地改善煤泥浮選指標(biāo),并且隨著入料干煤泥量的增加這種優(yōu)勢會更加顯著。

圖2 煤泥浮選指標(biāo)對比Fig.2 Coal flotation index contrast

2.2 產(chǎn)品粒度分析

采集管流段延長前后浮選床的精煤產(chǎn)品,分別經(jīng)濕法篩分后得到精煤產(chǎn)品各粒級回收率,如圖3所示。從圖3可以看到,管流段延長提高了各粒級回收率,但粗粒級變化不明顯,而細(xì)粒級回收率提高顯著;粗粒級0.500～0.250,0.250～0.125和0.125～0.740 mm平均回收率分別提高1.21%,1.76%和2.37%;細(xì)粒級0.074～0.045 mm和＜0.045 mm平均回收率分別提高7.96%和8.41%,因此,粒級回收率的提升幅度隨著粒度的降低逐漸增大。隨著入料干煤泥量的增加,各粒級回收率呈下降趨勢,這主要?dú)w因于處理量增大縮短了浮選時(shí)間,但相應(yīng)的粒級回收率提升幅度均逐漸增大,其中0.074～0.045 mm粒級回收率提升幅度由3.43%增大至11.88%。所以延長管流段能夠提高各粒級回收率,尤其以細(xì)粒級為主;而且隨著粒度的降低和入料干煤泥量的增大,粒級回收率的提升幅度會逐漸增大。

學(xué)生不僅要有豐富的素材積累，同時(shí)也要能夠?qū)λ夭膰@作文主題進(jìn)行靈活運(yùn)用，素材用得巧妙、用得精彩，會給人耳目一新的感覺，讓人拍案稱奇。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生圍繞中心論點(diǎn)選取典型的素材，根據(jù)寫作需要對所積累的素材進(jìn)行鑒別、選取和分析，做到貼合論據(jù)，突出中心論點(diǎn)。

圖3 精煤產(chǎn)品粒級回收率比較Fig.3 Comparison of size fraction recovery for clean coals

2.3 設(shè)備承載能力

承載能力是影響柱浮選設(shè)備回收能力和分選效果的重要參數(shù)[12]。選承載能力是指單位橫斷面積進(jìn)入泡沫產(chǎn)品的固體質(zhì)量流量,即單位時(shí)間單位橫斷面積內(nèi)柱浮選設(shè)備的精煤浮出量[13]。試驗(yàn)中精煤產(chǎn)量除以橫截面積與時(shí)間的乘積即為承載能力,計(jì)算公式[14－15]為

式中,QC,QF分別為單位時(shí)間內(nèi)浮選入料和精煤的干煤泥量,t/min;γC為對應(yīng)的精煤產(chǎn)率,%;Ac為浮選床橫截面面積,m2。

管流段延長前后浮選床承載能力的變化如圖4所示。由圖4可見,管流段延長后浮選床承載能力得到顯著提高,承載能力平均提高0.09 t/(h·m2);隨著入料干煤泥量的增加,浮選床承載能力的提升幅度逐漸增大,由0.04 t/(h·m2)增大至0.16 t/(h· m2)。因此,通過延長管流段可以顯著提升浮選床的承載能力,并且在入料干煤泥量大時(shí)提升幅度更加顯著。

圖4 承載能力變化曲線Fig.4 Curves of carrying capacity

2.4 作用機(jī)理分析

浮選是顆粒－氣泡碰撞、黏附和脫附的過程,礦漿紊流強(qiáng)度對浮選效果具有重要影響。高含氣率、高度紊流的礦漿環(huán)境是管流礦化的典型特征。因此,要研究管段高紊流強(qiáng)化煤泥浮選的作用機(jī)理,必須從流體動力學(xué)和浮選動力學(xué)著手,研究管流段內(nèi)顆粒的浮選行為。

在浮選動力學(xué)方面,R.H.Yoon[10]研究了顆粒－氣泡作用微觀過程,提出了顆粒被氣泡捕獲的概率P是3個(gè)獨(dú)立概率的乘積,即

式中,Pc,Pa,Pd分別為顆粒－氣泡的碰撞概率、黏附概率與脫落概率。

根據(jù)上述模型,朱友益等[16]提出了紊流狀態(tài)下的浮選礦化速率數(shù)學(xué)模型,即

式中,Zpb為顆粒－氣泡的碰撞速率。

(1)碰撞速率。

李琳[17]研究了紊流態(tài)下的顆粒－氣泡碰撞,提出顆粒－氣泡的碰撞速率表達(dá)式為

由式(4)可知,當(dāng)紊流動能k增大時(shí),顆粒－氣泡的碰撞速率Zpb增大;細(xì)顆粒具有較小的碰撞速率,粗顆粒具有較大的碰撞速率。流體掠過氣泡時(shí)流線發(fā)生彎曲(圖5),粗顆粒因慣性力大,不隨流線彎曲,容易與氣泡發(fā)生碰撞;而細(xì)顆粒主要受水的黏滯力作用,易隨流線彎曲而遠(yuǎn)離氣泡[18]。

圖5 顆粒－氣泡的碰撞Fig.5 Collision between mineral particles and bubbles

(2)黏附概率。

顆粒－氣泡的黏附概率[10]為

式中,ti為感應(yīng)時(shí)間;Reb為氣泡雷諾數(shù);ub為氣泡速度。

由式(5)可知,當(dāng)rb和ti一定時(shí),Pa隨rb的增加而降低,即細(xì)顆粒具有較高的黏附概率,而粗顆粒具有較低的黏附概率。

(3)脫附概率。

其中,rmax為最大浮選顆粒粒度半徑。由式(6),(7)可知,細(xì)顆粒具有較低的脫附概率,粗顆粒較高的脫附概率。rmax的計(jì)算公式[10]為

式中,ρp為顆粒密度;ρl為液體密度;γlg為氣－液界面張力;θ為接觸角;bm為紊流加速度,bm=1.9ε2/3r－1/3b。

由式(8)可知,當(dāng)紊流動能k增大時(shí),顆粒最大上浮粒度rmax下降,顆粒的脫附概率Pd增大。從顆粒－氣泡碰撞、黏附、脫附3方面綜合考慮:細(xì)顆粒具有較小的碰撞速率,較高的黏附概率和較低的脫附概率;粗顆粒具有較大的碰撞速率,較低的黏附概率和較高的脫附概率。因此,影響細(xì)顆粒浮選礦化速率的關(guān)鍵是碰撞速率,而影響粗顆粒浮選礦化速率的關(guān)鍵是脫附概率。

綜合上述流體動力學(xué)和浮選動力學(xué)的分析,不難得出管段高紊流強(qiáng)化浮選的作用機(jī)理。管流段延長后,提升了管段的紊流動能,增大了顆粒－氣泡的碰撞速率,同時(shí)增大了顆粒脫附概率。對于具有較小碰撞速率、較低脫附概率的細(xì)顆粒而言,碰撞速率的增大將會起主導(dǎo)作用,從而提高浮選礦化速率,所以管流段延長后細(xì)粒級回收率顯著提升。對于具有較大碰撞速率、較高脫附概率的粗顆粒,雖然管流段延長增大了碰撞速率,但脫附概率增大的影響將會更加顯著,所以管流段延長對粗粒級的作用不如對細(xì)粒級明顯。由于試驗(yàn)入浮原煤是以細(xì)粒粒級為主導(dǎo)粒級(＜0.074 mm占73.44%),因此細(xì)粒級浮選礦化速率和回收率的提高促進(jìn)了整體浮選指標(biāo)的提升。

3 結(jié) 論

(1)管流段長度由1.5 m延長至3.0 m后煤泥浮選指標(biāo)得到明顯改善:在精煤灰分相當(dāng)?shù)那闆r下,精煤可燃體回收率平均提高6.46%,而且增幅隨入料干煤泥量的增加逐漸變大。

(2)管流段長度由1.5 m延長至3.0 m提高了粒級回收率和浮選床承載能力。細(xì)粒級回收率的改善效果比粗粒級顯著,其中0.074～0.045 mm和＜0.045 mm粒級回收率分別提高7.96%和8.41%,承載能力平均提高0.09 t/(h·m2),并且兩者增幅都隨入料干煤泥量的增加逐漸變大。

(3)流體動力學(xué)和浮選動力學(xué)分析表明:管流段的延長可以增大管流段的紊流動能值,提高顆粒－氣泡的碰撞速率,其對細(xì)粒級浮選礦化速率的改善效果要比對粗粒級顯著。

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Application and affect mechanism of high turbulence in pipe unit enhancing coal column flotation

LIAO Yin-fei,LIU Jiong-tian,LI Shu-lei

(School of Chemical Engineering&Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to enhance the coal column flotation and fine size fraction recovery,the pipe unit length of cyclonicstatic micro bubble flotation bed was adjusted.The variation of flotation performance,product features and carrying capacity at different length was analyzed with the affect mechanism also investigated combining hydrodynamics and flotation kinetics theory.It is shown that when the length is extended from 1.5 m to 3.0 m,the combustible recovery increases by 6.46%in the case of equivalent ash and the fine size fraction recovery of 0.074－0.045 mm and＜0.045 mm is also increased by 7.96%and 8.41%respectively at the same time carrying capacity raising 0.09 t/ (h·m2).All of these increase rates increase with the mass flow rate of solids in the feed.The pipe unit length extended improves the turbulent kinetic energy and collision rate between mineral particles and bubbles,which can promote the improvement of the overall flotation index.

pipe flow unit;turbulence intensity;fine size fraction;affect mechanism

TD923

A

0253－9993(2014)03－0549－05

廖寅飛,劉炯天,李樹磊.管段高紊流強(qiáng)化煤泥柱浮選的應(yīng)用及作用機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):549－553.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0245

Liao Yinfei,Liu Jiongtian,Li Shulei.Application and affect mechanism of high turbulence in pipe unit enhancing coal column flotation[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):549－553.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0245

2013－03－04 責(zé)任編輯:張曉寧

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2012CB214900);國家自然科學(xué)基金委員會創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50921002);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXZZ12_0955)

廖寅飛(1986—),男,江西贛州人,博士研究生。E－mail:ruiyin@126.com