恒定流态下即时浓缩装置的浓缩试验研究.pdf

第3 2 卷第5 期 2 0 1 2 年1 0 月 矿冶工程 ～ⅡN 】N GA N DM 毗T A L L U R G l C A LE N G 姗E R I N G V o J ．3 2 №5 O c t o b e r2 0 1 2 恒定流态下即时浓缩装置的浓缩试验研究① 肖红，唐达生，阳宁，金星，王英杰 长沙矿冶研究院有限责任公司深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要为了达到海南保定海锆钛砂矿选矿矿浆浓度4 0 ％的要求，在实验室建立了一套浓缩实验装置，在不同管径的浓缩管中进 行浓缩实验，研究了来砂浓度、浓缩管外形及尺寸对浓度的影响。结果表明，浓缩管内颗粒的即时速度随输送浓度的增大而增大。 管径较小时，浓缩管内颗粒滑移滞留现象不明显，浓缩提升不明显；管径较大时，浓缩管内颗粒滑移滞留现象明显，浓度提升明显。 且不同管径的浓缩管都有一个极限浓度，管径大，极限浓度高。 关键词浓缩；砂矿；矿浆浓度；浓缩管 中图分类号T D 8 2 5 ．6文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 5 0 0 1 9 0 4 S t u d vo nC o n c e n t r a t i o nT e s tf I o rI n s t a n tC o n c e n t r a t i o nD e v i c e a tC o n s t a n tF l o wP a t t e r n s x I A 0H o n g ，7 r A N GD a s h e n g ，Y A N GN i n g ，J I Nx i n g ，W A N GY i n g - j i e 5 ￡o 抛研k 6 0 m ￡o ∥点却如沈￡i o 凡伽，d 眈i Z 如Ⅱ￡i o no 厂眈e p 咄n 心n e m ZR ∞o “嬲，G 危口，w s 玩肚e n r c ，船疵M 把旷 施乃啦n n d 讹刎M 彤c 0 厶d ，饥n 拶危口4 1 0 0 1 2 ，肌n 口儿，吼i n Ⅱ A b s t r a c t I no r d e rt oo b t a i n4 0 ％w e i g h tc o n c e n t r a t i o nf 西m i n e r a ls e p a r a t i o nr e q u i r e m e n ti nt h ed e v e l o p m e n to fZ r T i p l a c e rf 而mH a i n a nB a o d i n gs e a ，al a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a lc o n c e n t r a t i o n 印p a m t u sw a ss e tu p ．T h ec o n c e n t r a t i o nt e s t s w e r ec o n d u e t e dw i t hp i p e so fd i f f 芒r e n td i a m e t e r ．T h ei n n u e n c eo ff b e dc o n c e n t r a t i o n ，p i p e6 9 u r a t i o na n dd i m e n s i o n so n t h ew e i g h tc o n c e n t r a t i o nw a si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h ei n s t a n ts p e e do fp a r t i c l e si nt h ec o n c e n t L a t i o np i p e i n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s ei nt r a n s p o r t a t i o ns p e e d ．T h e r e ’sn e i t h e rr e t e n t i o no fp a n i c l e ss l i d i n gi nt h ep i p e ，n o ro b v i o u s i n c r e a s ei nt h ew e 唔h tc o n c e n t r a t i o ni np i p e so fs m a l l e rd i a m e t e r ，b u to b V i o u sr e t e n t i o no fp a r t i c l e sa n dac o n c e n t r a t i o n i n c r e a s ec a nb eo b s e n r e di np i p e so fl a r g e rd i a m e t e r ． H o w e v e r ，e a c hc o n c e n t m t i o np i p e l i n eh a sal i m i t e dc o n c e n t r a t i o n v a l u e ，w h i c hi n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei np i p ed i a m e t e r ． K e yw o r d s c o n c e n t r a t i o n ；p l a c e r ；w e i g h tc o n c e n t r a t i o n ；c o n c e n t r a t i o np i p e l i n e 在我国滨海砂矿矿产资源的开发利用中，基于采 集后矿浆浓度偏低 一般质量浓度不超过3 0 ％ ，应用 浆体在输送过程中固．液两相流产生滑移运动的特性 即浆体在输送过程中固体颗粒与液体之间存在速度 差 ，通过特定的装置可以使浆体浓度局部、瞬时提高 的原理，研究开发一种结构简单、适用于此环境条件下 的新型在线连续浓缩装置具有十分重要的意义。此装 置也可用于提高管道输送浓度，解决砂矿采集后长距 离低浓度输送造成的运营费用高、能耗大等问题⋯。 在温度、矿砂粒度不变的情况下，浓缩装置内部流 场是三维问题1 ，流场的变化对浓度有很大影响∞o 。 海南滨海砂矿在初选时要求给矿质量浓度要达到 4 0 ％，针对该要求在实验室建立了一套浓缩实验装置， 综合研究矿砂浆体在浓缩管内的流场变化及滑移浓缩 特性，在原矿砂浓缩试验的基础上，分析浓缩装置的结 构和砂浆浓度对浓缩的影响，总结出适用于本项目的 合理浓缩参数。 1 实验材料及方法 1 ．1 实验材料 本文研究的浆体是海南保定海原矿砂，实验物料 为密度为26 0 0k g ／m 3 ，其筛分结果见表1 。实验时搅 拌槽内每次投料量相等，保证搅拌槽内造出浆体的体 积浓度按设计规律变化。实验所需的矿砂质量与浓度 关系见表2 。整个实验系统为软管连接，浓缩装置由 无缝钢管制成。 1 ．2 实验方法及装置 设计了浓缩管径分别为5 0 、1 0 0 和1 5 0m m 的3 个 浓缩模型进行试验，在试验中采用变频器调节动力系 统的电机转速，保证进口流量为所需的值；并对螺杆泵 ①收稿日期2 0 1 2 ．0 5 - 1 9 作者简介肖 红 1 9 8 3 一 ，男，四川西昌人，硕士研究生，主要从事深海矿产资源产开发利用技术扬矿及管道输送技术研究。 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 表1 原始砂矿筛分结果 体积浓度／％砂量／k g 进行调频控制，从而改变取样流量。达到不同浓度效果 的目的。分析对比各装置在同一浓度、不同流量条件 下的浓缩效果以及同一装置在不同流量、不同浓度下 的浓缩效果。 浓缩实验系统如图l 所示。试验系统包括搅拌造 浆系统、循环输送系统、浓缩系统、动力系统及其变频 调节装置、数据测量及采集系统。其中搅拌槽直径为 图1 试验装置 1 输送管；2 搅拌槽；3 输送管4 阀门；5 泥浆泵； 6 流量计；7 压力计；8 浓度计；9 浓缩装置；1 0 压力 计；l l 螺杆泵；1 2 流量计；1 3 浓度计；1 4 输送管； 1 5 沉降管；1 6 溢流管 1 ．，2m ，高1 ．5m ，容积为1 ．7m 3 ，搅拌电机功率5 ．5 k w ；使用电机功率1 8 ，5k w 、流量4 0 疗／h 、扬程2 lm 的泥浆泵作为输送动力装置；采用功率为1 8 ．5k w 的 变频器调节泵转速；电机功率2 ．2k w 、流量5m 3 ／h 、出 日压力0 ，6k P a 、电机转速9 6 9r ／m i n 的G 3 0 一】型单螺 杆泵作为取样动力装置；使用功率5 ．5k w 的变频器 调节电机转速；采用电磁流量计测量流量，其量程为 O ～5 0o ／h ，普通压力计测量压力，其测量范围为 0 ～4 0 0k P a 。 2 颗粒运动状态 2 ．1 浓缩装置中颗粒的滑移 固体颗粒在流体中运动时，由于密度的不同导致 颗粒与流体之间存在速度差。由于颗粒的速度小于流 体的速度，在管道中存在颗粒的滞留现象，因此垂直管 中浆体的实际浓度c 。7 大于输送浓度c 。。c l o e t e [ 4 1 曾 利用7 射线浓度计对管道中直径为0 ．1 7 8 ～0 ．7 Im m 的砂粒和玻璃颗粒的浓度进行了测量，结果表明，当输 送浓度在4 5 ％～5 3 ％之间时，管中即时浓度约为5 3 ％ 一6 l ％，浓缩率c 。7 ／e 最大可达1 ．2 。而本文的目的 就是要浆体在浓缩装置中达到最大的即时浓度。 即时浓度与输送浓度之间的关系由质量守恒方程 推得∞1 。由浓缩装置进出口的固体颗粒质量相等M o 可得 | 4 矽。C ，J p ； A ’可，C 。’p 。 1 由装置进出口流体流量相等1 可得 A 1 一C 。 w 护 A ’ 1 一C 。’ “ ，p 2 由式 1 ～ 2 及％ 吩一啡，可得 c 。， 丢一丢砉≥”c 小号兰 3 式中A 、月7 分别为进口截面面积和浓缩管段截面面积， m 2 ；C 。、C 。7 分别为进口和浓缩段体积浓度；口。、“ 。叶、z J ，分 别为浓缩段浆体速度、进口浆体速度、流体速度和颗粒 滑移速度，∥s 炉和珙分别为流体与颗粒密度，k g ／m 3 。 2 ．2 浓缩装置内流场分布 最小浓缩输送速度就是浓缩管中矿砂颗粒的不沉 速度，此速度下的浆体颗粒在浓缩管中不会沉降两破 坏矿砂颗粒在浓缩管中的连续运动状态。浓缩过程 中，虽然装置内部流态复杂，但是流体的连续性没有被 破坏，仍然可以看成连续介质，所以不可压缩流体的连 续性方程仍然可用，且流动过程必须满足质量守恒方 程、能量守恒方程1 。通过F 1 u e n t 软件模拟，进口速 度2 ．4 4 Ⅱ∥s 时，浓缩装置内颗粒的流态如图2 所示。 由图2 可见①固一液两相流在浓缩管内的速度分布 明显，溢流管速度很小，使固体颗粒不会被溢流水带 卯弭乳mⅢ地瑚m粥孺 万方数据 第5 期 肖红等恒定流态下即时浓缩装置的浓缩试验研究 出；②浓缩管中的速度介于0 ．5 2n ∥s 之间，固体颗 粒不会在浓缩管中沉降；③浓缩管出口的速度较大， 这有利于高浓度浆体的输送，且减少固体颗粒在浓缩 管中滑移聚集后的停留时间；④浆体在浓缩管中会形 成漩涡，这增加了浆体在浓缩管中的流动时间，有利于 固体颗粒在浓缩管中的滑移输送。 图2 浓缩装置内颗粒流态 a 轴截面速度云图； b 浓缩管内流线图 3 实验结果及分析 不同管径条件下即时浓度c 。’与取样流量Q 的关 系如图3 所示。由图可知，浓缩管中的即时浓度C 。，’的 计算值与实测值的吻合度较高，均在误差允许范围内； 浓缩管管径及进口浓度均对浆体的浓缩效果有影响，且 每个管径的浓缩管都有一个最大浓度，由管径的尺寸决 定。试验中取样管流量不断增大，溢流管流量不断减 小，颗粒滑移速度减小。由式 3 可知，浓缩管内浆体中 固体颗粒的滑移速度减小，则即时浓度c 。’减小。 管径为5 0m m 时，进口浓度3 ％条件下，浓缩管的 浓度随取样浓度的减小而减小，在取样流量为3 ．8m 3 ／h 时达到最大体积浓度4 ．6 7 ％，此时浓缩率为1 ．5 6 ；进口 浓度为5 ％时，浓缩管浓度随取样流量增大而变化的趋 势不明显，浓缩管内的即时体积浓度最大值为6 ．3 ％，而 此时浓缩率只有1 ．2 7 。这主要是因为，5 0m m 的管径偏 小，在浆体进入浓缩管流量不变的情况下，增大取样流 量，浓缩管内流体流速增大与颗粒的滑移速度减小的 墨 U 趟 蛙 鲁 岳 - c ，2 3 ％实测值c - 2 3 ％计算值 。C 2 s ％实测值⋯⋯c - 2 s ％计算值 ‘c r ．7 ％实测值e 7 ％计算值 ，c r - 9 ％实测值⋯c - 9 ％计算值 34S67 取样流量Q ／ m ’．h 。1 取样流量Q ／ m ，h _ - 图3即时浓度与取样流■的关系 a 管径5 0m m ； b 管径1 0 0m m ； c 管径1 5 0m m 速率不明显，并且在较大流速下浓缩管中的固体颗粒 被直接输送到沉降管内并在沉降管内沉降。在试验中 发现，由于管径偏小、流速较大，颗粒之间、颗粒与水流 之间的相互作用较小，在管壁的壁面作用下，部分颗粒 随溢流水进入沉降管并且沉降于过渡段。 管径为1 0 0m m 时，进口体积浓度为3 ％的最大即 时浓度为5 ．8 ％；进口体积浓度为5 ％时最大即时浓度 为9 ．5 ％左右；当进口体积浓度分别为7 ％和9 ％时， 浓缩后即时体积浓度为1 2 ．5 ％和1 3 ．5 ％。在这个管 径下，随着进口浓度的提高，浓缩后的浓度率c 。，’／C 。 减小，这主要是因为浓度对浆体的性能有显著的影响， 表现为浆体的黏度随着浓度增大而增大，而流速会随 浓度的增大而减小。并且在低浓度下浆体中固体颗粒 问的距离较大，颗粒间水流的紊动对颗粒的影响较大， 紊流使颗粒的流态复杂化且使固体颗粒速度减小，所 以浓缩率较大；在高浓度时进口浆体流量随取样流量 小} 铲 z { | 1 ● ● ≯一 ．I 玉 ．； ， ～ ， - 氕 ．I ，Z ‘ ～ - - n 一 ． u ～ 二．p 『『． ．-___Lr____--____-____Lr____-____Lr____Lr_．．．．--1．Lr．．．．Lrt-．--____．r____-r【Z 4 2 0 8 6 4 2 0 零＼．o避艇笛岳 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 的减小而降低，会形成一个动态的“稳定结构”，表现 为浓缩管中固体颗粒急剧增加，使固体颗粒在浓缩管 中聚集形成管道的局部堵塞，导致进口流量减少，随后 聚集的颗粒由取样口抽走，浓缩管管道阻力减小后进 口流量变大，进入浓缩管中多余的固体颗粒聚集后又 局部堵塞管道。 当浓缩管管径增大到1 5 0m m 时，浓缩管内滑移 速度增大，在进口浓度分别为5 ％和7 ％时，浓缩后浓 度比管径5 0m m 和1 0 0m m 时大，此时的即时浓缩率 c 。’／c 。均达到2 ．0 左右；在进口体积浓度为7 ％时，浓 度提高速率很大，最高浓缩后浓度达到2 2 ％，计算此 时的C 。7 ／C 。高达2 ．5 ，这说明在此时浓缩管的浓缩效 果最好，将进口浓度提高到1 5 ％时，测得此管径的浓 度最高可以达到2 7 ％。 综上所述，可见浓缩管管径及进口浓度是影响浓 缩效果的主要因素。当浓缩管管径增大时浓缩效率 高，其原因主要是管径增大，颗粒在浓缩管中的滑移速 度增大，不断输送上来的浆体颗粒受到已浓缩颗粒群 的重力挤压作用，使颗粒浓缩在一起，浓缩率最大可以 达到2 ．5 。进口浓度影响提高后的浓度值，进口浓度 越大，浓缩后的体积浓度越高，但都不超过管径的最大 浓缩浓度，管径5 0m m 时最大浓缩浓度为6 ％，管径 1 0 0m m 时最大浓度为1 3 ．5 ％，管径1 5 0m m 时最大体 积浓度可以达到2 7 ％。 在此实验条件下，在达到选矿质量浓度4 0 ％ 即 体积浓度2 0 ．4 1 ％ 的要求下还需考虑溢流水中矿砂 颗粒的含量，这是为了考虑溢流水对环境的影响，最大 限度的减小环境污染。故此取浓缩管径1 5 0m m ，进口 砂浆浓度9 ％，取样流量4m 3 ／h 的实验条件下基本可 以达到设计要求。 4 结语 对密度为26 0 0k ∥m 3 的矿砂进行了3 种浓缩管 径 5 0 ，1 0 0 和1 5 0m m 的浓缩实验，可得到以下结论 1 浓缩管的即时浓度随输送浓度的增大而增大， 在管径较小的浓缩管内颗粒的滑移滞留现象不明显，浓 缩提升不明显；大管径浓缩管内颗粒的滞留滑移现象明 显，浓缩管直径越大，其滑移速度大，浓度提升明显。输 送体积浓度为9 ％时，管径1 0 0m m 和1 5 0m m 的浓缩 管均有较好的浓缩效果，最佳进口体积浓度取9 ％。 2 各个管径的浓缩管都有一个极限浓缩浓度，由 管径制约，管径大，极限浓度高。在本文的实验条件 下，浓缩管径5 0m m 时最大即时体积浓度为6 ％，浓缩 管径1 0 0m m 时最大即时体积浓度为1 3 ．5 ％，浓缩管 径1 5 0m m 时最大即时体积浓度为2 7 ％。 3 在本文中建议使用管径1 5 0m m 的浓缩管以达 到选矿质量浓度4 0 ％的要求，为了得到较稳定的进口 浆体浓度，可以在浆体进入浓缩装置前先行造浆，且浆 体体积浓度建议取9 ％。 参考文献 [ 1 ]曾轩，阳宁．保定海锆钛砂矿资源开发与利用方案[ J ] ．中 南大学学报 自然科学版 ，2 0 1 l ，4 2 2 2 7 7 2 8 4 ． [ 2 ]倪晋仁，黄湘江．高浓度固液两相流的运动特性研究[ J ] ．水利 学报，2 0 0 2 7 9 1 5 ． [ 3 ]程从礼，李静海．气固垂直并流向上两相流流体动力学模型 [ J ] ．化工学报，2 0 0 I ，5 2 8 6 8 4 6 8 9 ． [ 4 ] c o l e t eFLD ，M i u e rAI ，s t r e a tM ．D e n s ep h a s en o wo fs o l i d s w a t e r m i x t u r e st h m u g hv e r t i c a lp i p e s [ J ] ．T r a n sI n s l nc h e mE n g r s ，1 9 6 7 ， 4 5 3 9 2 4 0 0 ． [ 5 ] N e w i t tDM ，R i c h a r d s o nJF ，G l i a d o nBJ ．H y d 舢l i cc 叩v 8 y i n go f s o l i d si nv e n i c a lp i p e s [ J ] ．T r m l sI n s t nc h e mE “g r s ，1 9 6 1 ，3 9 9 3 1 0 0 ． [ 6 ]费祥俊．浆体与颗粒物料输送水力学[ M ] ．北京清华大学出版 社，1 9 9 4 ． [ 7 ] 李炜，徐孝平水力学[ M ] ．武汉武汉水利水电大学出版社， 2 0 0 0 ． [ 8 ] 李晓光，徐德龙大颗粒流化床中颗粒受力的数值模拟[ J ] ．西 安交通大学学报，2 0 0 6 ，4 0 7 8 3 6 8 4 0 ． 关于检测学术不端的公告 为弘扬良好学术风气，保护知识产权，防止抄袭、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、一个学术成果多 篇发表等学术不端行为，本刊与中国学术期刊 光盘版 电子杂志社合作，由中国学术期刊 光盘版 电 子杂志社学术不端文献检测中心对本刊网络版刊登的文章进行系统检测，并按照“中国学术期刊网络 出版总库删除学术不端文献暂行办法”，对出现以上学术不端行为的文章作出严肃处理。 特此公告 矿冶工程杂志编辑部 2 0 1 2 年1 0 月 万方数据