浮选柱技术发展与应用现状_宋子翔.pdf

浮选柱技术发展与应用现状 宋子翔 1 韩继康 1 王伟之 1， 2 张润虎 1 李想 1 （1. 华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063009； 2. 河北省矿业开发与安全技术实验室， 河北 唐山 063009） 摘要随着矿产资源的大量开采， 品位低、 嵌布粒度细、 矿物组成复杂的难选矿石资源日益增多， 一种结构 简单、 高效节能的分选设备浮选柱逐渐受到了选矿界的广泛重视， 其开发和应用成为近年来矿业领域研究和 关注的焦点。在对浮选柱发展历程及优势进行分析的基础上， 总结了国内浮选柱在赤铁矿、 铜矿、 钨矿、 金矿、 银 矿、 铅锌矿、 煤矿、 磷矿、 硫及石墨等主要金属、 非金属矿选矿中的应用现状， 通过与浮选机浮选指标对比得出， 在处 理微细粒难选矿物方面， 浮选柱具有常规浮选机不可比拟的优势； 在今后研究中， 浮选柱气泡发生器的优化、 控制 系统的完善、 柱内流体力学理论的深化及加速新兴领域的工业化进程将是浮选柱的发展方向。 关键词柱浮选技术选矿应用现状 中图分类号TD923文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-020-07 DOI10.19614/ki.jsks.201906004 Development and Application Status of Flotation Column Technology Song Zixiang1Han Jikang1Wang Weizhi1， 2Zhang Runhu1Li Xiang12 （1. College of Mine engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China； 2. Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province， Tangshan 063009， China） AbstractWith the large-scale exploitation of mineral resources， the mineral resources are increasingly difficult to sep- arate because of low grade，fine dissemination size and complex mineral composition. A kind of separation equipment with simple structure and high efficiency and energy saving-flotation column has gradually attracted extensive attention in the min- eral processing field， and its development and application have become the focus of research and attention in the mining field in recent years. After briefly introducing the development process of flotation column，the current application of flotation col- umn in hematite， copper ore， tungsten ore， gold ore， silver ore， lead-zinc ore， coal mine， phosphate ore， sulfide ore， graph- ite and other major metal and nonmetal mineral processing in China was summarized. The development direction of flotation column in the future is proposed optimization of bubble generator， improvement of control system， deepening of hydrodynam- ics theory in column， and accelerating the transation of industrialization in emerging fields. KeywordsColumn flotation technology， Concentration， Application status 收稿日期2019-04-15 基金项目河北省自然科学基金项目 （编号 E2017209214） 。 作者简介宋子翔 （1997） ， 男， 本科在读。通讯作者王伟之 （1974） ， 女， 教授， 博士。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 我国矿产资源生产总量位居世界首位。据国家 统计局最新统计结果， 2018年15月钢铁生产总量 3.2亿t、 煤炭生产总量14亿t、 十种有色金属生产总量 2 220.4万t ［1］。随着矿产资源的大量开采， 易采、 易选 的矿产资源储量日益减少， 难采、 难选资源日益增 加， 矿产资源日益呈现贫、 细、 杂的特点， 加之人们环 保意识逐渐增强， 社会对矿业提出了新要求， 为此， 需要更加绿色环保的选矿设备 ［2］。上世纪80年代， 浮选柱被应用于选矿浮选作业， 浮选经济技术指标 得到了提升 ［3-5］。虽然我国在上世纪70年代开展过不 少浮选柱技术研究， 但是鉴于当时技术水平， 没有解 决浮选柱内气泡发生器结构上的缺陷和柱体偏高等 问题， 导致浮选柱浮选指标不稳定， 阻碍了我国浮选 柱技术的发展。近些年， 我国对浮选柱的研究越来 越深入， 改善了其许多性能上的不足， 国内的浮选柱 技术日益成熟， 具有良好的应用市场 ［6］。 1浮选柱进展及优势 1. 1浮选柱发展历程 20世纪初， Owen ［7］设计了直径0.3 m、 高0.9 m的 柱形浮选设备， 叶轮安装在柱体的下部， 空气通过位 20 ChaoXing 于叶轮附近的小口径注入， 其实就是浮选柱的雏 形。1916年到1920年Towne和Flinn ［7］研发了第一台 喷气式浮选柱并进行了工业试验， 工业运行时， 厚泡 沫层能得到较高的精矿品位， 但气泡发生器易堵塞， 粗颗粒分选效果不佳， 且缺乏自动控制系统， 这些综 合因素导致浮选柱技术未得到推广应用。 20世纪60年代， 加拿大Pierre Boutin ［8］发明了带 泡沫冲洗装置的逆流型浮选柱， 并在加拿大谢菲维 尔铁选厂进行了工业试验； 后续以中、 苏、 美、 澳为首 的国家也相继开展了关于浮选柱的研究， 但鉴于当 时技术尚不完善， 柱中气泡发生器 （以下简称发泡 器） 充气不均匀且易堵塞、 设备运转不稳定、 缺乏自 动控制技术等一系列问题没有得到有效解决， 浮选 柱技术停滞不前， 再一次进入低潮。 20世纪80年代， 研究人员从发泡器的材质和安 置方式 ［9］、 充填介质［10］、 柱体高度［11］、 矿浆停留时间、 模拟放大、 给矿排矿方式、 数学建模等方面入手开展 浮选柱研究， 相继攻破各个难题后， 一批新型浮选柱 相继涌现。国外有澳大利亚的詹姆森浮选柱， 美国 的Flotaire浮选柱、 MTU型充填介质浮选柱， 加拿大的 CPT浮选柱， 苏联的乌克兰浮选柱等 ［12-14］。国内有中 国矿业大学的旋流-静态微泡浮选柱 （以下简称FC- SMC浮选柱） 、 北京科技大学的LHJ浮选柱、 北京矿冶 研究总院的KYZ浮选柱和长沙有色研究总院的CCF 浮选柱 ［15-18］。浮选柱的冲洗水自动控制系统、 液位自 动控制系统、 气量自动控制系统、 泡沫图像自动识别 系统等逐步走向成熟。截至2016年， 浮选柱在世界 各地区累计安装数量统计 ［19］如图1所示。除了北非 部分地区， 浮选柱的使用已非常普遍， 我国是世界上 安装和使用浮选柱最多的国家。目前我国柱浮选技 术已成功用于铁、 铜、 钼、 铅、 金等金属矿浮选领域和 煤、 石墨、 磷、 钾肥等非金属矿浮选领域。 1. 2浮选柱的优势 浮选柱 （图2） 相比于传统机械搅拌式浮选机 （图 3） 具有结构简单、 占地面积小和无机械运动部件等 结构上的优势， 在性能方面同样具有不可比拟的优 势， 主要体现在以下几点。 （1） 大量均匀的微气泡。传统机械搅拌式浮选 机产生的气泡群平均直径为1.2～2.9 mm， 而浮选柱内 可以产生大量平均直径为0.4～0.6 mm的微气泡。微 细粒矿物 （嵌布粒度＜45 μm） 的选别需要更小的气 泡， 机械搅拌式浮选机难以产生小气泡， 故在微细粒 浮选方面浮选柱更具优势 ［20-22］。 （2） 较高的设备容积利用率。传统机械搅拌式 浮选机其矿化区仅在转子周围， 在浮选柱中， 从给料 口到浮选柱底部整个容积都是矿化区， 具有较高的 容器利用率。 （3） 具有高倍矿化几率。在传统机械搅拌式浮 选机中， 转子产生高紊流速度差实现气泡与颗粒的 碰撞， 高度紊流不仅消耗了大量浮选机内能而且易 宋子翔等 浮选柱技术发展与应用现状2019年第6期 21 ChaoXing 使粗粒从气泡脱落 ［23］。在浮选柱内， 气泡与颗粒逆 向运动， 具有较高的相对速度， 紊流度低， 矿粒不易 从气泡上脱落， 因此提高了颗粒的附着率。 （4） 喷淋水精选作用强。浮选机作业中， 高灰细 泥往往随入料水以泡沫间夹杂水的方式进入精矿产 品， 严重污染精矿， 影响浮选指标， 而浮选柱顶部安 有喷淋水装置， 冲洗水迫使入料水进入矿浆， 随尾矿 排走， 从而提高精矿品位。 2浮选柱技术应用实例 2. 1在金属矿选矿中的应用 2. 1. 1在赤铁矿选矿中的应用 随着铁矿资源的大量开采， 目前我国的铁矿资 源呈现出贫、 细、 杂的特点， 对于赤铁矿的分选， 弱磁 强磁反浮选的选矿工艺现已不能实现赤铁矿的 高精度分选， 主要原因是该流程使用的传统浮选机 对微细粒赤铁矿获得的浮选指标差。而浮选柱对微 细粒浮选具有浮选机不可比拟的优势， 使其在微细 粒赤铁矿选别设备中成为关注的焦点。 付国龙等 ［24］在南芬选矿厂进行赤铁矿的反浮选 研究， 浮选设备选用FCSMC浮选柱， 采用1粗2扫的 反浮选工艺流程， 通过工艺条件优化试验， 反浮选精 矿铁品位达到65以上， 尾矿铁品位降至16以下， 浮选指标全面超过浮选机的处理效果。这是国内首 次将浮选柱成功应用于赤铁矿反浮选的实例， 具有 重要意义。 王伟之等 ［25］将一种新型浮选柱微泡逆流接 触式浮选柱（简称 ZGSYF）用于冀东某 TFe 品位 39.89的赤铁矿混磁精矿反浮选试验。结果表明， 使 用ZGSYF浮选柱， 以淀粉为抑制剂、 GE-609为捕收 剂， 最终可以获得铁精矿品位和回收率分别达到 66.07和69.82的良好指标， 可见该设备可高效回收 微细粒矿物， 并且简化了浮选流程、 降低了浮选成本。 2. 1. 2在铜矿选矿中的应用 我国已探明的铜矿资源中铜主要以硫化铜的形 式存在， 嵌布粒度细、 矿石性质复杂是其主要特点， 且矿石中可浮性脉石含量较高， 严重影响铜精矿的 质量。 邓禾淼等 ［26］利用CCF浮选柱的分选优势， 在冬 瓜山铜矿选厂进行了2个阶段CCF浮选柱精选铜的 半工业试验。结果表明， 在铜粗精矿铜品位10.61 的生产条件下， 采用浮选柱1次精选可取得铜品位大 于21的铜精矿产品， 且选别指标优于原现场生产工 艺。 羊拉铜矿选矿厂2010年将更适于处理细粒级 的浮选设备CPT 浮选柱应用到现场生产流程 中 ［27］。经过试验、 论证、 改进、 试生产， 到2011年6月 达到了稳定生产， 铜精矿铜品位 17.68、 回收率 82.97， 与之前的浮选机工艺相比， 精矿铜品位和回 收率分别提高了2.34和5.31个百分点。 谢杰 ［28］将细磨浮选柱浮选机联合工艺运用 到某复杂硫化铜镍矿的选矿工业实践中， 镍和铜的 回收率分别提高了0.27和0.34个百分点， 可见柱 机联合既实现了中矿细磨单独分选处理， 又使细颗 粒矿物在系统中的循环量减少， 工业应用效果显著。 从国内铜矿选矿厂浮选柱应用情况来看， 浮选 柱具有分选精度高、 浮选机回收能力强等优点， 浮选 柱有效地提高了铜精矿品位和回收率， 为矿山企业 带来了可观的经济收益。 2. 1. 3在钨矿选矿中的应用 细粒级钨矿泥的回收以传统的机械搅拌式浮选 机为主， 传统机械搅拌式浮选机自动化程度低、 工艺 流程繁琐， 难以获得合格的回收指标。而近年来新 兴的浮选柱在微细粒钨矿回收方面所具有的优势弥 补了浮选机的不足， 目前在钨矿工业上获得了成功 应用。 李爱民 ［29］对洛坑钨矿选厂进行技术改造和工艺 流程的优化后， 选用钨细泥两段预处理脱泥常温 浮选柱浮选浮选机浮选离心机分级精选工艺， 最终钨回收率提高至 76.52， 大幅降低了生产成 本。 张兆金等 ［30］将CCF浮选柱用于栾川三道庄白钨 矿浮选流程中， 原精选作业中浮选机全部用浮选柱 代替， 在粗精矿WO3品位1.26的条件下， 经1粗2精 2 扫柱浮选流程， 获得的白钨精矿 WO3品位达 28.09， 较原采用BF-4浮选机提高了3个百分点， 回 收率也提高了1个百分点。 2. 1. 4在黄金选矿中的应用 黄金选别通常使用氯化法和浮选法 ［31］。金矿中 常伴生As、 Cu、 S、 Ti等杂质元素， 传统的氰化法浸出 效果不理想， 而浮选法有较好的适应性。黄金选别 中， 浮选设备以浮选机为主。近几年， 国内出现了使 用浮选柱分选黄金并用于工业的案例。 山东省三山岛金矿选厂浮选采用1粗1精1扫流 程 ［32］， 粗选和精选的浮选设备均采用FCSMC浮选柱， 扫选则选用充气机械搅拌式浮选机， 以保证尾矿品 位达到生产要求。浮选柱实现了对低品位金矿的有 效分选， 浮选指标有了较大提升， 获得的金精矿品位 高于50 g/t。同时， 浮选机与浮选柱的配合使用， 使尾 矿金品位低至0.12 g/t以下， 柱机联合工艺实现了 对低品位金矿的分选， 提高了金矿回收率。 金属矿山2019年第6期总第516期 22 ChaoXing 2. 1. 5在铅锌矿选矿中的应用 自然界的铅锌矿石矿物种类繁多且成分复杂， 主要存在于硫化矿床中。工业化的进程导致铅锌资 源日益贫瘠， 如何从低品位铅锌矿中选别出合格的 精矿是各铅锌企业关注的热点问题。面对含泥量 大、 氧化程度高的铅锌矿， 以浮选机为主的浮选工艺 在生产应用中凸显出了缺陷和不足。 南京栖霞山铅锌矿Pb品位为1.56、 Zn品位为 2.47、 S含量为29.92、 C含量为4.61， 其高硫高碳 导致在选别时上浮量大， 可浮性变差， 严重影响浮选 指标。陈如凤 ［33］针对该矿存在的问题将FCSMC浮选 柱应用于铅锌硫的快速选别， 铅、 锌、 硫、 银回收率分 别提高了1.15、 2.28、 2.35、 1.11个百分点， 浮选指标良 好， 实现了柱机的联合浮选。 长沙有色金属研究院和多家矿业企业共同合 作， 将CCF浮选柱应用于盘龙的低品位铅锌矿和凡 口高品位铅锌矿 ［34］。在盘龙铅锌矿， 用1次浮选柱作 业代替2～3次浮选机作业， 比浮选机工艺减少了9次 分选作业， 最终得到的铅精矿Pb品位和锌精矿Zn品 位分别提高了5.27和2.88个百分点， 回收率分别提 高了0.54和1.27个百分点； 在韶关凡口高品位铅锌 矿的浮选工艺有13个浮选作业浮选机共有79台， 应 用浮选柱后浮选机减少了38台， 铅精矿和锌精矿的 回收率分别提高了19.56和31.73个百分点， 既提高 了浮选效率又节约了生产成本。 2. 2在非金属矿选矿中的应用 随着柱浮选技术的快速发展， 浮选柱不再局限 于金属矿的选别， 浮选柱在煤炭、 磷矿、 硫化矿、 石墨 及工业矿物 （主要为钾盐矿和硫酸盐矿） 等非金属矿 物分选中都得到了应用。国外浮选柱在非金属领域 应用比较广泛， 澳大利亚的煤炭行业和美国的磷酸 盐行业浮选柱几乎占据浮选设备的主导地位， 国内 浮选柱在非金属选矿领域的应用也有不少成功的案 例。 2. 2. 1在选煤中的应用 2010年以来， 龙煤矿业集团鹤岗分公司新一选 煤厂的原煤出现煤质持续恶化、 泥化严重、 可浮性变 差等问题， 原设计的2台浮选机处理量明显不够， 导 致浮选效果不理想。汲言国等 ［35］通过现场考察后， 在流程中新加入1台FCMC-4500浮选柱， 经过2年的 使用、 调整， 在同等煤质下， 与原浮选机相比， 使用浮 选柱后精煤回收率和尾矿灰分分别提升了3和7个 百分点， 浮选效果得到有效改善。 山西东曲选煤厂原煤处理能力400万t/a， 选煤的 主要工艺流程为三产品重介质旋流器精选TBS分 选煤泥浮选， 原采用XJX-T12型四室浮选机对原 尾煤进行回收 ［36-37］。由于设备的常年运行， 设备老化 腐蚀， 对于尾煤回收和浮选所得精煤回收具有一定 的影响。针对该问题， 选厂将4台FCMC-4000I型微 泡浮选柱和2台微泡浮选机引入流程代替XJX-T12 浮选机， 实现了尾煤有效回收， 提高了精煤产率， 同 时降低了煤泥水浓度， 经济效益显著。 2. 2. 2在磷矿选别中的应用 我国磷矿资源主要分布在西南地区。目前， 国 内磷矿贫矿多且成分复杂， 需要通过选矿富集、 去杂 后才能有效利用， 随着低品位磷矿资源开发的需要， 作为高效浮选设备的浮选柱得到了应用。 王立军 ［38］对某硅钙质低品位磷矿分别采用浮选 机、 浮选柱和柱机联合3种流程处理。研究表明， 采用柱机联合工艺相比其余2种流程， 磷精矿品位 和回收率显著提高。采用浮选柱进行1次粗选1次 精选、 浮选机进行扫选和中矿浮选流程， 在原矿P2O5 品位为 17.93％时， 可获得 P2O5品位为 32.28％的精 矿， 回收率也提高至81.24％， 同时简化了流程， 实现 了资源的高效利用。 李靖等 ［39］采用柱式浮选流程分选贵州某中低品 位磷矿石， 考察了充气量、 入料位置、 矿浆浓度等工 艺条件对分选指标的影响。结果表明， 在原矿P2O5含 量22.88的条件下， 调节合适的浮选操作参数可获 得P2O5含量为32.07、 P2O5回收率达92.79、 MgO含 量为1.57的磷精矿， 达到了酸法加工磷肥用磷矿石 二类标准。 2. 2. 3在重晶石选别中的应用 重晶石是工业中重要的钡原料矿物， 工业应用 对重晶石精矿品位 （ωBaSO 4） 要求极高， 浮选机精选次 数需6次以上才能获得合格重晶石精矿， 因此传统工 艺存在流程长， 设备占地面积大等问题。 肖骏 ［40］以广西盘龙BaSO 4含量21.54的锌硫重 晶石多金属矿为研究对象， 采用柱机联合工艺， 经 过连续72 h运转， 获得的重晶石精矿BaSO4品位为 95.56、 回收率为78.41。 2. 2. 4在硫浮选中的应用 针对某选厂硫浮选系统存在原矿含泥量大、 粒 度分布不均匀等问题， 龙朝晖等 ［41］对选硫流程进行 考察设计后， 对原有精选作业的CCF浮选柱进行配 置与改造。将粗选流程中的BF型浮选机用浮选柱代 替， 在保持精矿产率持平的情况下， 精矿硫品位提高 了4.78个百分点、 回收率提高了7.67个百分点， 指标 明显高于同期的浮选机生产指标， 为选厂创造了更 多的经济价值。 宋子翔等 浮选柱技术发展与应用现状2019年第6期 23 ChaoXing 2. 2. 5在石墨选别中的应用 传统机械搅拌式浮选机对石墨的浮选效率低且 工艺流程复杂， 而浮选柱分选精度高、 占地面积小、 成本低， 能较好地解决此问题。 四川某石墨有限公司设计规模为年产2.5万t石 墨精矿， 2011年选厂引进XZWXJ20浮选柱作为浮选 主要设备 ［42］， 浮选柱稳定运行5个月的生产实践表 明， 在浮选给料粒度为0.075～0.35 mm、 浮选柱入料浓 度为80 g/L、 充气表观速率为1～3 cm/s的条件下， 石 墨精矿品位、 产率均达到工艺系统要求， 浮选柱对于 高灰细粒级的石墨浮选具有显著优越性。 2. 2. 6在氯化钾生产中的应用 浮选法广泛应用于国内氯化钾的生产中， 其主 要浮选设备为浮选机， 浮选柱在氯化钾的生产中使 用较少。 青海某钾肥有限公司将CPT浮选柱引入浮选车 间 ［43］。研究发现， 在给矿速度为0.6 L/min、 冲洗水流 量为0.6 L/min、 空气流速为1 L/min的条件下， 精矿 KCI的品位和回收率指标最优。采用1粗2精的浮选 柱开路试验取得的工艺指标与原浮选机工艺指标对 比， KCI精矿品位提高了13.29个百分点。 3浮选柱发展思路 真正意义上的浮选柱发展至今只有50多年时 间， 虽然在无数科研人员的砥砺钻研下， 浮选柱的研 究在短时间内有了质的飞跃， 但浮选柱的结构和分 选效果仍需完善和提高， 相关柱浮选理论研究仍需 深入探讨。 （1） 气泡发生器的应用研究。作为浮选柱的核 心部件， 气泡发生器的结构直接决定着浮选柱内空 泡份额的大小和气泡尺寸分布， 且直接关系到气泡 发生器的性能。研究出更加先进、 能适应恶劣环境 的高品质发泡装置， 才能从根本上改进浮选柱的浮 选性能。 （2） 控制系统的完善。现阶段浮选柱控制系统 多是基于浮选柱稳定控制思路 ［44］， 未来柱式浮选自 动控制可采用稳定控制与优化控制的分层结构， 通 过模糊控制、 专家规则与系统、 多变量模型预测控 制、 神经网络等现代智能控制理论与技术实现优化 控制 ［45-46］。 （3） 柱内流体动力学的深入探索 ［47-49］。目前， 国 内外对于浮选柱内部流态没有完全掌握， 对于泡沫 在柱内停留所需时间、 气液混合状态和泡沫流态以 固液颗粒流场等动力学过程还需进一步的深入研 究。 （4） 加速柱浮选技术在新兴领域的工业化。随 着柱浮选技术的不断成熟， 浮选柱在国内选矿领域 广泛应用， 无论是在金属还是非金属矿领域均有突 破。而在含油废水分离、 废纸脱墨等新兴领域， 虽然 国内一些学者开展了不少浮选柱应用的基础研究， 并取得一定的进展， 但是并没有实现工业化。如何 利用浮选柱的工作特点实现浮选柱在新兴领域的工 业化是我国科研人员将要面临的重大考验。 4结语 随着我国矿产资源的不断减少， 如何提高矿产 资源的利用率是亟待解决的难题。浮选柱实现了微 细粒嵌布矿物的高效分选， 是我国选矿设备研究的 一大进步。与此同时， 柱浮选工艺还需不断完善， 逐 步扩大应用范围， 对于不同类型的矿产资源能通过 改变操作参数进行高精度浮选。浮选柱的发展离不 开配套设施的完善， 这需要社会各领域的学者不断 探索， 研发出性能优越， 适用范围更广的浮选柱工艺 设备， 来改善我国未来矿产资源发展的前景。 参 考 文 献 苏轶娜. 2018年矿产资源形势分析与展望 ［J］ . 矿产保护与利 用， 2018 （5） 79-85． Su Yina. 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