射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置吸氣特性及氣泡生成機(jī)理研究

張 勇，朱金波，周 偉，馮岸岸，王海楠，韓有理，王 超，費(fèi)之奎

(安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

浮選是利用浮選機(jī)內(nèi)的礦物與大量微細(xì)氣泡發(fā)生碰撞粘附，并隨氣泡上升至液面泡沫層而實(shí)現(xiàn)礦物分選，因此浮選機(jī)內(nèi)氣泡的特征參數(shù)和成泡機(jī)理是影響浮選機(jī)性能的關(guān)鍵因素[1]。傳統(tǒng)的浮選裝置分為機(jī)械攪拌式浮選機(jī)、噴射式浮選機(jī)和浮選柱，其中機(jī)械攪拌式浮選機(jī)氣泡粒徑分布穩(wěn)定，處理能力大，能耗低，系統(tǒng)簡單，制造方便[2-5]；噴射式浮選機(jī)單機(jī)處理能力大，對浮選入料的適應(yīng)性強(qiáng)，無需任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件，設(shè)備能耗及維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低[6-8]；浮選柱結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，管流礦化中，氣泡與礦粒在高度紊流的礦漿環(huán)境和狹小的管道空間中發(fā)生碰撞與礦化，有利于難浮物料的礦化。管流礦化分選速度快，效率高，主要以分選中等可浮性礦粒的循環(huán)礦漿為主[9-11]。射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式、噴射式浮選裝置的工作原理，是一種可在低能耗、低轉(zhuǎn)速下得到大量氣泡和均勻流場的浮選裝置。朱金波等[8]介紹了該種裝置的自吸氣性能的實(shí)現(xiàn)，射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)攪拌和循環(huán)過程。在此基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步觀察，研究了射流攪拌裝置中氣泡的生成及在不同管徑、壓力和管嘴距等條件下的特征參數(shù)。

1 射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置

射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—主軸；2—耦合吸氣管；3—入料槽；4—噴嘴；5—驅(qū)動輪；6—攪拌吸氣管；7—外筒；8—內(nèi)筒；9—浮選槽；10—錐形異流罩；11—錐形筒；12—攪拌輪；13—假底；14—管道；15—循環(huán)泵

圖1 射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structural sketch of the Jet-agitation integrated fine coal flotation device

該裝置具有雙重吸氣、雙重混合的效果，工作時，有壓礦漿經(jīng)噴嘴高速噴出，沖擊驅(qū)動輪，迫使驅(qū)動輪、主軸和攪拌輪同時旋轉(zhuǎn)；礦漿及空氣在驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動下甩向入料槽內(nèi)壁，在驅(qū)動輪的周邊形成低壓區(qū)；攪拌輪將底部礦漿排擠向周邊區(qū)域，在錐形導(dǎo)流筒與攪拌輪之間形成負(fù)壓區(qū)，空氣由攪拌吸氣管進(jìn)入。

2 不同條件下氣泡的生成及特征參數(shù)

針對裝置的工作過程，建立了以高速動態(tài)攝像儀為核心的測量系統(tǒng)。將裝置置于長80 cm、寬15 mm、高45 mm的長方形槽體中，槽體外接采樣器、壓力表、導(dǎo)流管、循環(huán)水槽等；分別調(diào)整壓力和管嘴距(內(nèi)部噴嘴管出口與外部噴嘴出口間的距離)研究不同工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對浮選過程中的淹沒射流段、射流沖擊段兩個階段內(nèi)氣泡的粒徑和分布的影響；最后通過氣泡的概率密度分布曲線、累積密度分布曲線、Sauter直徑和方差變化曲線分析參數(shù)變量對兩個階段內(nèi)氣泡粒徑的影響。試驗(yàn)測試系統(tǒng)現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測試系統(tǒng)實(shí)體圖

2.1 淹沒射流段氣泡的特征參數(shù)

2.1.1 入流壓力對氣泡粒徑及分布的影響

入流壓力對氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的影響，如圖3、圖4所示。

圖3 入流壓力對淹沒射流段氣泡粒徑的分布影響

圖4 入流壓力對淹沒射流段氣泡擬合方差和氣泡Sauter直徑的影響

由圖3、圖4可知：隨著壓力的增加，氣泡粒徑越小，氣泡粒徑分布集中度高，分布越均勻。隨著入流壓力的增大，氣泡粒徑隨入流壓力衰減先急后緩。其中兩段交點(diǎn)，即0.15 MPa可以作為理想的入流壓力。

2.1.2 管嘴距對氣泡粒徑及分布的影響

管嘴距對氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的影響圖5、圖6所示。

圖5 管嘴距對淹沒射流段氣泡粒徑分布的影響

圖6 管嘴距對淹沒射流段氣泡擬合方差和氣泡Sauter直徑的影響

由圖5、圖6可知：隨著管嘴距的增加，氣泡隨液體在液面下噴射的距離增加，壓力增大，氣泡粒徑降低且分布基本穩(wěn)定，考慮到對小直徑氣泡的需求，通常選取管嘴距為15～20 mm[12]。

2.2 射流沖擊段氣泡的特征參數(shù)

2.2.1 入流壓力對氣泡粒徑及分布的影響

入流壓力對氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的影響圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知：氣泡直徑在0.7～1.2 mm范圍分布較廣，且分布集中度高，隨著入流壓力的增加，氣泡直徑減小趨勢先急后緩，最后趨于穩(wěn)定。

2.2.2 管嘴距對射流沖擊段氣泡粒徑及分布的影響

管徑比對氣泡粒徑分布的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著管嘴距加長，氣泡隨液體在液面下噴射的距離更遠(yuǎn)，壓力增大，氣泡粒徑減小且分布基本穩(wěn)定，為了滿足對小直徑氣泡的需求，通常選取較大的管嘴距，這一情況與淹沒射流段基本相似。

圖7 入流壓力對射流沖擊段氣泡粒徑的分布影響

圖8 入流壓強(qiáng)對射流沖擊段氣泡擬合方差和氣泡Sauter直徑的影響

圖9 管徑比對氣泡粒徑分布的影響

2.3 淹沒射流段與射流沖擊段對比

(1)由圖6和圖9對比可知，入流壓力對淹沒射流段和射流沖擊段的影響不明顯，射流沖擊段氣泡累計密度分布達(dá)到平衡時的氣泡直徑比淹沒射流段小。

(2)射流沖擊段和淹沒射流段在不同的管嘴距下，氣泡直徑都隨著管嘴距的增大而減小，但在流場穩(wěn)定的情況下，射流沖擊段的氣泡直徑比淹沒射流段更小，穩(wěn)定性更好。

3 結(jié)論

通過改變?nèi)肓鲏毫凸茏炀鄥?shù)研究射流-攪拌耦合式浮選機(jī)射流沖擊段和淹沒射流段的氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的不同，結(jié)論如下：

(1)針對參數(shù)變量在對氣泡粒徑和分布的影響，射流沖擊段與淹沒射流段具有相同的影響規(guī)律，即參量值增加，氣泡粒徑越小，氣泡粒徑分布集中度越高，分布越均勻。

(2)通過對比淹沒射流段與射流沖擊段氣泡粒徑和分布表明：射流沖擊氣泡的粒徑較淹沒射流段有較明顯的減小，但射流沖擊段對氣泡粒徑的調(diào)控作用小于淹沒射流段，對氣泡的粒徑調(diào)控能力較弱。

(3)淹沒射流段和射流沖擊段的氣泡直徑與分布相當(dāng)，且都沒有大直徑的氣泡產(chǎn)生，從入流壓力的概率密度分布及累計密度分布得出，在壓力為0.15 MPa時，氣泡的產(chǎn)生量最多，為入流壓力的設(shè)置提供了較好的參考價值。