KYZ-B浮选柱捕收区的动力学特性研究.pdf

2 0 1 6 年第3 期有色金属 选矿部分 7 7 d o i l o ．3 9 6 9 ／j ．t s s m1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 1 8 K Y Z B 浮选柱捕收区的动力学特性研究 沈政昌，史帅星，张明，樊学赛，姚明钊 北京矿冶研究总院矿物加工科学与技术国家重点实验室北京市高效节能 矿冶技术装备工程技术研究中心，北京1 0 0 1 6 0 摘 要介绍K Y Z ．B 浮选柱捕牧区基于。浮选柱元”理论的设计思路和基于该思路稳流橱板和分区板的结构特点。稳流 栅板为锥形多孔板可强化浮选柱内气相弥散；分区板将捕收区分为若干个独立单元。通过C F D 方法研究了引入分区板区及 稳流栅板后各独立分区内的气液两相流的流动特征。仿真结果表明，分区内回旋流大橱减弱，柱塞流特征明显。稳流栅板对 气相有导向作用，使气相在整个截面内均匀分散。基于“浮选柱元”理论设计的三种规格的K Y Z ．B 型浮选柱在德兴铜矿工业 应用取得了良好的选矿指标。 关键词K Y Z - B 浮选柱；捕收区；分区；稳流栅板；流体动力学 中圈分类号T D 4 5 6 ；T D 9 2 3文献标志码A 文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 6 0 3 - 0 0 7 7 - 0 6 H y d r o d y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c sI n v e s t i g a t i o no fC o l l e c t i n gZ o n ei nK Y Z - BF l o t a t i o nC o l u m n S H E NZ h e n g c h a n g ，S H IS h u a i x i n g ，Z H A N G 胁，l g ，F A NX u e s a i ，Y A Ol 虮n g z h a o B e i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro nE j g i c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q 却m e n to fM i n e r a lP r o c e s s i n g 。 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，B e 彬n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g a n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t I ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ea t t a c h m e n tz o n ei nK Y Z - Bf l o t a t i o nc o l u m na n d t h es t r u c t u r eo ft h es t e a d yf l o wp l a t ea n dt h es e p a r a t i o nf l o wp l a t ea c c o r d i n gt ot h ef o r m e rd e s i g np r i n c i p l e ．’n l e s t e a d yf l o wp l a t ew h i c hi sam u l t i - h o l ep l a t ew i t hat a p e rc o u l de n h a n c et h ea i rd i s p e r s i o n ．A n dt h es e p a r a t i o nf l o w p l a t e sd i v i d et h ef l o t a t i o nc o l u m ni n t os e v e r a li n d e p e n d e n tu n i t s ．T h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a sa n dl i q u i df l o ww e r e s t u d i e di nt h ef l o t a t i o nc o l u m nw i t ht h es t e a d yf l o wp l a t ea n dt h es e p a r a t i o nf l o wp l a t eu s i n gC F Ds i m u l a t i o n ．I ti s i n d i c a t e dt h a tt h ec i r c u l a t i n gf l o w sw e r eo b v i o u s l yd e c r e a s e da n dt h ep l u gf l o ww e r ei n c r e a s e d ．T h es t e a d yf l o wp l a t e w h i c hg u i d et h ef l o wo ft h ea i rb u b b l e sm a k e st h ea i rd i s p e r s i o nm o r eu n i f o r m ．T h r e es p e c i f i c a t i o n so ft h eK Y Z B f l o t a t i o nc o l u m n sw h i c hf o l l o wt h ep r i n c i p l eo f “f l o t a t i o nc o l u m nu n i t ’’a c h i e v eg o o dm e t a l l u r g i c a lp e r f o r m a n c e si n D e x i nC o p p e rM i n e ． K e yw o r d s K Y Z - Bf l o t a t i o nc o l u m n ；a t t a c h m e n tz o n e ；d i v i d e dp a r t ；s t e a d yf l o wp l a t e ；f l u i dd y n a m i c s 浮选是最重要的矿物分选的方法之一，广泛应 用于有色金属及黑色金属的选别。近年来，随着矿 产资源品位降低、嵌布粒度粗细分布不均、矿物组成 复杂导致设备选别性能变差等问题日益显著，浮选 工艺、浮选设备的研究面临严峻的挑战J 。浮选柱 是浮选设备的重要组成，浮选柱不同于浮选机之处 是柱体内没有搅拌系统，因其占地面积小、结构简 单、适合于选别细粒级矿物等特点，在选矿厂有大量 的应用悼J 。近些年来，柱浮选设备的发展方向主要 是多样化、大型化，而且在流程配置方面，浮选柱全 短 流程得到了较好地推广，应用范围不断扩大。 比如，K Y Z ．B 型浮选柱，已经发展到直径5 ．6m ，应用 于多种有色金属矿物的选别，超过2 0 0 多台套应用 于国内外矿山企业【3J 。不同的浮选机类型有其不同 的技术特点，表l 介绍了主流应用的浮选柱。 表l 中的浮选柱技术特点各不相同，为了实现 良好的选别效果，根据各自的结构和工作原理进行 不同的动力学分区。K Y Z ．B 型浮选柱主要结构如图 l 所示。 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 0 7 A A 0 6 2 1 2 7 ；国家自然科学基金资助 5 1 0 7 4 0 2 7 ，5 1 4 7 4 0 3 2 收稿日期2 0 1 6 - 0 3 - 0 9修回日期2 0 1 6 - 0 3 1 7 作者简介沈政昌 1 9 6 0 一 ，男，江苏常熟人，博士，研究员，主要从事浮选设备设计、优化等方面的研究。 万方数据 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第3 期 矿箱 图l浮选柱系统结构示意图 F i g ．1 S k e t c hs t r u c t u r eo ff l o t a t i o nc o l u m ns y s t e m 1 一风机；2 一风包；3 一减压阀；4 一转子流量计；5 一总水管； 6 一总风管；7 一充气器；8 排矿阀；9 一尾矿箱；1 0 气动调节阀； 1 l 一仪表箱；1 2 一给矿管；1 3 一推泡器；1 4 一喷水管；1 5 一测量筒 图2 浮选柱动力学分区 F i g ．2H y d r o d y n a m i c sa r e ai nf l o t a t i o nc o l u m n 压缩空气通过气泡发生器的作用产生微小气 泡，并从下部逐渐上升到上部区域。给矿位置在浮 选柱上部区，大约离顶部1 ．2m 处。浮选柱的矿化 主要是逆流碰撞矿化。矿化气泡进入泡沫区后，在 泡沫区进行二次富集作用，而尾矿在底部排走。该 浮选柱由捕收区和泡沫区组成。在捕收区内，上升 的气泡与矿物颗粒碰撞、黏附、脱附等浮选动力学行 为；泡沫区为脉石颗粒与矿化气泡可充分分离，通过 二次富集作用提升泡沫品位到设计指标，通过竖直 和水平输送将目的矿物顺利地流人泡沫槽。K Y Z ．B 型浮选柱动力学分区如图2 所示。 浮选柱设计反过来要满足动力学特性。设计内 容首先必须包括柱体结构与型式，气泡发生效率和 性能、给矿器结构与分布等，其次还包括一些与柱内 流体动力学无关的结构，如排泡方式、冲洗水方式和 冲洗水流量、尾矿阀门的形状等，另外除了优异的分 选性能外，浮选柱在设计方面应该简化结构设计，特 别是直接与矿浆接触的部分，如空气发生器、给矿管 等。设计中要保证这部分零件数量少、简单、容易更 换。但无论怎样，捕收区的设计在浮选柱系统设计 占据有核心地位。 1 浮选柱捕收区设计 捕收区作为浮选柱浮选行为发生的核心单元， 是浮选柱研究设计的重点。设计要求必须满足下述 条件 1 压缩空气通过充气器作用形成高速射流气 泡必须快速充满浮选柱截面积。充气器出口处空气 流速可达到超音速状态，空气流与矿浆流存在巨大 的速度梯度，将空气流切割成适宜矿物浮选的微小 气泡；疏导气泡快速分散，达到高气泡表面积通量的 目的； 2 捕收区的矿浆流型应接近柱塞流特征。需 保证上升气泡与下降的疏水性颗粒形成纯净的逆流 矿化条件，减少回旋流的出现，使有用矿物可被携带 至泡沫区富集排出时间最短。K Y Z B 浮选柱以“浮 选柱元”理论设计原则，稳流栅板和分区板的设计促 进了浮选柱元动力学性能的实现。 万方数据 2 0 1 6 年第3 期沈政昌等K Y Z B 浮选柱捕收区的动力学特性研究7 9 ． 1 ．1 稳流栅板 K Y Z B 浮选柱设计了强化气泡分散的稳流栅 板，不仅要考虑流体的过流面积，防止中间过流孔处 气体流量过大，而且，稳流栅板的倾斜角度对气液分 散性能影响显著。稳流栅板为多孑L 的锥形板，安装 在浮选柱充气器的上部。其结构如图3 所示。 稳流栅板 空气 图3 稳流栅板结构和位置 F i g ．3 S t r u c t u r ea n dl o c a t i o no ft h es t e a d yf l o wp l a t e 试验表明倾斜角度以3 0 。为佳。稳流栅板的倾空气分散效果，如图4 。稳流栅板可以对充气器喷出 斜度过小或过大，对气泡起不到导向作用；不合理的的空气流起到导向的作用，使气泡具有径向流动，保 倾斜度还可能造成中部过流孔气体流量过大，恶化证气相在径向、圆周方向分散均匀。 图4 不同稳流栅板配置气相分散效果 F i g ．4 D i f f e r e n ts t e a d yf l o wp l a t ec o n f i g u r a t i o ng a sp h a s ed i s p e r s i o ne f f e c t 1 ．2 分区板 K Y Z B 浮选柱的矿浆挡流板，将大直径的浮选 柱柱内空间划分成多个单独作用的区域，降低捕收 区内大尺度涡流出现概率，避免回旋流∽j 。大型浮 选柱由于给矿口面积相较于柱体横截面过小，矿浆 会在横截面方向混合，形成回旋流。将捕收区进行 分区，使每个分区具有较为“独立”的小浮选柱的分 选特性，有利于产生稳定分选环境，从而奠定大型浮 选柱高效选别的基础。根据“浮选柱元”设计理论， 各独立分区的过流面积相等，4m 直径的浮选柱捕收 区分为S 。一S 。的9 个面积相等的分区，如图5 。 2 浮选柱捕收区流体动力学性能的仿 真研究 以直径2 ．6m 、高度1 3m 浮选柱作为物理模型， 研究浮选柱内流体动力学环境，重点研究浮选柱捕 收区内的气液两相流体动力学特性，如图6 浮选柱 物理模型。 应用C F D 方法研究有无稳流栅板及分区板对浮 选柱内流体动力学特性的影响。对浮选柱物理模型 进行六面体网格化，气液两相流的模拟采用欧拉一 欧拉方法，空气进口边界为速度入口，空气出口为 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第3 期 d e g a s s i n g 边界即只允许气泡逸出，矿浆进口为速度进口，出口为压力出口。 图5 浮选柱捕收区分区 F i g ．5 D i v i s i o ni nf l o t a t i o nc o l u m nc o l l e c t i o nz o n e 图6 浮选柱物理模型 F i g ．6 F l o t a t i o nc o l u m np h y s i c a lm o d e l a i rV b l u m eF r a c t i o n 阿 图7 各截面气含率分布 有稳流栅板 F i g ．7 G a sh o l d u pd i s t r i b u t i o n w i t hs t e a d yf l o wp l a t e 图7 和图8 比较了有无稳流栅板及柱体分区后 柱体内各截面的气含率分布。可看出2 、4 、6 、8 、1 0m 各横截面的气含率在引入稳流栅板和柱体分区后得 以改善，浮选柱内的空气弥散更均匀，各个截面气含 率相当。尤其在2 、4 、6m 横截面，有稳流栅板会使 气体径向方向分散更好。然而，在没有稳流栅板的 柱体内，由于空气射流受到矿浆的阻力，气泡的径向 分布受阻。 a i r ．V o l u m eF r a c t i o n C o N t o u r6 图8 各截面气含率分布 无稳流栅板 F i g ．8 G a sh o l d u pd i s t r i b u t i o n w i t h o u ts t e a d yf l o wp l a t e 浮选柱分区板将浮选柱的捕收区分隔成若干独 立区域，流动状况不会相互干扰。从图8 和图9 可 看出，分区板对气泡的流线能够起导向作用，K Y Z ．B ，1 ， 1 1 1 1 1 2 2 帕 0 0 O 0 O 0 0 0 0 0 K 旬m 国旬m m m m ∞∞K e e e e e e e e e e e O O O O O O O 0 O 0 O O 0 0 0 O 0 O O O O 0 0 6 2 8 4 0 6 2 O 0 0 4 3 3 2 2 2 1 ，8 4 0 万方数据 2 0 1 6 年第3 期沈政昌等K Y Z B 浮选柱捕收区的动力学特性研究 8 l 浮选柱内空气流线光滑，各独立分区内的空气流向 上，能够更为有效的与向下运动的矿物颗粒逆流碰 撞矿化。然而，没有分区板及稳流栅板罩时，矿浆流 由于给矿的不均匀性，会在横截面发生径向混合，导 致浮选柱内形成回旋流。加之，矿浆三相流中气相 主要受曳力作用，气泡会受到矿浆流的干扰，流线紊 乱，如图1 0 至图1 2 所示。 图9 有分区板浮选柱气相流线 F i g ．9 G a sp h a s ef l o w w i t hs e p a r a t i o np l a t e s 6 0 3 e 0 0 0 6 5 3 e 0 0 4 图1 0 有分区板浮选柱矿浆流线 F i g ．1 0S l u r r yf l o w 【w i t hs e p a r a t i o np l a t e s 0 9 5 e 0 0 2 图l l无分区板浮选柱气相流线 F i g ．1 1 G a sp h a s ef l o w1w i t h o n ts e p e r a t i o np l a t e s w a t e rS u p e r f i c i a l S t r e a m l i n e1 ．2 2 8 e O o o 6 3 4 ．e C 1 0 0 9 9 5 e 一0 0 2 ／ m ‘s 一1 1 图1 2 无分区板浮选柱矿浆流线 F i g ．12 S l u r r yf l o w1w i t h o n ts e p e r a t i o np l a t e s 3 浮选柱分选性能 德兴铜矿泗洲选矿厂处理能力为3 ．8 万t ／d ，共 分两个系统。2 0 1 0 年精选段进行技术改造，采用浮 选柱和替代了原有的小型精选浮选机。用K Y Z - B 浮选柱取代原有G F ／J J F - 8 浮选机。每个系统精选 段选用科．3X1 5 浮选柱2 台，①3 ．6 1 2 浮选柱1 台，∞．0 9 ．0 浮选柱1 台，分别在一步粗选，二步 粗选、精选I 、精选Ⅱ和精选Ⅲ作业使用。在精扫选 作业采用G F ／J J F _ 2 8m 3 浮选机1 1 台。浮选柱的稳 流板和挡流板的设计见表2 。 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第3 期 表2 不同型号浮选柱中稳流栅板和分区板的设计 T a b l e2D e s i g no fs t e a d yf l o wp l a t ea n ds e p a r a t i o n p l a t e si nd i f f e r e n tf l o t a t i o nc o l u m n 一步粗选浮选柱精矿与二步粗选浮选柱精矿合 并进入精选I 和精选Ⅱ，生产最终精矿。运行中的 浮选柱见图1 3 所示。 流程考察和工业实践表明”3 ，浮选柱铜精矿品 位为2 5 ．7 7 ％，二段铜回收率为9 8 ．3 3 ％，在原来分 选指标的基础上增加了0 ．3 5 和0 ．8 7 个百分点。在 铜精矿品位方面也有0 ．3 7 个百分点的增加。实践 证明，浮选柱在金和钼原矿品位有所降低的情况下， 还使回收率比之前有显著的提高。 图1 3 运行中的浮选柱 F i g ．13 F l o t a t i o nC o l u m n si nO p e r a t i o n 4结论 K Y Z ．B 浮选柱稳流栅板设计不仅要考虑流体的 过流面积，防止中间过流孔处气体流量过大，而且， 稳流栅板的倾斜角度对气相分散也有显著影响。试 验研究表明，倾斜角度3 0 0 为最佳。根据“浮选柱元 设计”理论，捕收区每个分区具有较为“独立”的小浮 选柱的分选特性，有利于产生稳定分选环境，从而奠 定整个大浮选柱高效选别的基础。 浮选柱内的捕收区是实现矿物颗粒矿化的重要 区域，捕收区的流体动力学环境应保证矿浆流尽可 能接近柱塞流特征，气泡相在不同区域分散均匀。 K Y Z ．B 浮选柱，特殊设计了捕收区分区和稳流板。 C F D 仿真表明，较之无分区、无稳流栅板的设计，矿 浆流线明显规整，气泡分散更为均匀。结合大型浮 选柱的工业研究，论证了基于“浮选柱元”的放大理 论的可靠性。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌，史帅星，卢世杰．K Y Z B 型浮选柱系统的设计 研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 6 4 2 0 - 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