絮凝剂溶液制备与投加系统研制.pdf

。6 8 ‘ 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第5 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．0 5 ．0 1 9 絮凝剂溶液制备与投加系统研制 李传伟，方文，徐宁，赵建军 北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京1 0 0 1 6 0 摘 要絮凝剂溶液的高效制备及准确投加是关系到选矿浓缩生产过程效率的一个重要环节。在分析絮凝剂特性的基 础上，研制出一套絮凝剂制备与投加系统，具有制备效果好、投加精度高、自动化程度高等优点。该系统已经成功产品化， 具有广泛的推广前景。 关键词絮凝剂；药剂制备；加药系统；选矿 中图分类号T D 9 2 8 ．9文献标志码A 文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 3 0 5 瑚6 8 0 6 D e V e l o p m e n to fm p a m 6 伽a n dD 0 s i n gS y s t 咖f o rF I o c c u l 锄tS o l I n i o n Ⅱ饥“n n 加e { ，础ⅣG 耽，l ，Ⅺ厂肼叼，z Ⅱa om 删l l n ∞咧唧恩wL n 6 0 r n t o 聊。厂尬n z 叼m c e s SA u t D ”Ⅺt 记C o n 加{ ‰h n D Z 吲，B 喇叼G e n e m Z R e S e n 砌I n s 饿u t eo 厂尬n i 叼册d 胁t 以Z I l 嘲，B e 彬叼】D D I6 D ，饥t n n A b s t r a c t T h en o c c u l a n tr e a g e n te m c i e n d ym a k i n gu pa n da c c u r a t ed o s i n gi sa ni m p o r t a n tl i n kt o “琵c tt h ee m c i e n c yo ft h i c k e n i n gp r o c e s s ．B a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so fp r 叩e n yo fn o c c u l a n t ， ar e a g e n t m a k i n gu pa n dd o s i n gs y s t e mw a sd e v e l 叩e d ， w h i c hh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sw e Up r e p a r { l t i o n ，a c c u R l t e d o s i n g ，h i g ha u t o m a t i o n ， e t c ．T h es y s t e mh a ss u c c e s s f u lr e a l i z e dp r o d u c t i z a t i o n ，a n dh a sag o o dp r o s p e c tf o r 印p l i c a t i o n ． K e yw o r d b n o c c u l a n t ；r e a g e n tm a k i n gu p ；d o s i n gs y s t e m ；I I l i n e r a lp r o c e s s i n g 在选矿浓缩生产过程中，为了使物料在浓密机 中达到更好的沉降、浓缩效果，絮凝剂已经得到广 泛的应用。絮凝剂高效制备及准确投加是关系到浓 缩生产过程效率的一个重要环节。絮凝剂是一种黏 度较高且不易溶解的高分子物质，必须按照絮凝剂 的特性进行制备及添加才能充分发挥絮凝效能。在 国内，一些浓缩过程的絮凝剂制备和添加手段还比 较落后，靠人工将絮凝剂直接投入到搅拌槽中进行 制备，然后进行开环添加，造成絮凝剂制备效果、 投加精度均较差。国内已有的絮凝剂制备与投加系 统，也普遍存在制备效果不好、制备能力不足、设 备故障率高等问题。国外已有比较成熟的制备与投 加设备，但价格昂贵，制约了其在国内的推广[ 1 ] 。 这些问题造成了当前絮凝剂制备与投加的效果不 佳，影响到我国选冶浓缩生产过程的生产效率。 有机高分子絮凝剂具有用量少，絮凝效果好， 收稿日期2 0 1 2 0 9 一1 3修回日期2 0 1 3 - 0 7 3 0 作者简介李传伟 1 9 8 l 一 ，男，山东潍坊人，硕士，工程师。 种类繁多，且产生的絮体粗大，沉降速度快，处理 速度快，处理过程时间短，污泥易于脱水，产品性 能稳定等优点，是我国目前使用最多的絮凝剂[ 2 ] 。 本文针对高分子絮凝剂特性，研制一套高效的絮凝 剂制备与投加系统，满足国内选冶过程对絮凝剂制 备与投加设备的需要。 1 高分子絮凝剂特性及溶液制备技术 1 ．1 絮凝剂特性 1 ．1 ．1 絮凝机理 絮凝作用是在悬浮液中添加高分子化合物，使 颗粒相互凝集，也称絮团作用。有机高分子絮凝机 理分为两种一种为高分子吸附架桥作用，另一种 为电中和作用。产生絮凝作用是基于它的两种特 点长链 线 状的分子结构和分子中含有大量的 活性基团。聚丙烯酰胺 P A M 是直链状聚合物， 万方数据 2 0 1 3 年第5 期 李传伟等絮凝剂溶液制备与投加系统研制 6 9 因每个分子是由十万个以上的单体聚合构成，分子 链相当长。由于它的分子长而细，会弯曲或卷曲成 不规则的曲线形状。这个长分子链向外侧伸出许多 化学活性基团酰胺基及羧基。这种线性高分子可以 同时黏结几个颗粒，引起颗粒聚集，这种黏结作用 类似架桥，因此称为桥键作用。 气 ＼一 图1 桥键作用示意图‘3 ] F i g ．1 F u n c t i o nd i a g r a Ⅱl I n a t i cs k e t c ho fb r i d g e b o n d 絮凝剂的大分子容易受到外界因素的影响而破 坏，使它的性能下降。絮凝剂在不良条件下发生的 导致絮凝性能下降的变化，通称为降解作用，具体 表现为分子量下降、溶液黏度降低、絮凝性能变差 甚至失效。必须十分重视这个问题，否则再好的絮 凝剂也不能取得良好效果。高速搅拌或在溶液中施 加强烈的机械剪切，会使大分子断裂，是导致溶液 黏度和絮凝效能降低的最常见因素。 1 ．1 ．2 絮凝剂溶解特性 絮凝剂溶液制备的好坏对絮凝效能有很大影 响。高分子絮凝剂的溶解过程一般比较缓慢，需经 历两个阶段溶胀和溶解 在溶剂中先溶胀后溶 解 。由于高分子的尺寸比溶剂分子的尺寸大得多， 两者的扩散速度相差悬殊，溶剂小分子扩散速度很 快。高分子链很长，高分子间相互缠结，作用力很 大，不易移动，所以高分子与溶剂接触初期，高分 子不会向溶剂中扩散。但是高分子链具有柔性，链 段由于热运动而产生空穴，这些空穴很快就被从溶 解扩散出来的溶剂分子占据，高分子体积膨胀，称 为溶胀。随着溶胀的继续进行，溶剂分子不断向高 聚物内层扩散，必然就有越来越多的链单元与溶剂 分子混合，使得高分子链间的距离逐渐增大，链间 的相互作用力逐渐减小，致使越来越多的链单元松 动，高分子链就可以逐渐扩散到溶剂中，最后完成 溶解过程[ ] 。 豳曩一霞 。＼_ ．一 彳式 高分子先溶胀后溶解 撵甓蓼翟诫二 图2 高分子与低分子物质溶解过程比较示意图⋯ F i g ．2C o m p a r i s o nd i a g 阻mo fc o u r s eo fd i s s o l u t i o n a b o u tp o l y m e ra n dl o wm o l e c u l e 高分子絮凝剂遇水立刻溶胀，如几个颗粒聚在 一起落入水中，表层溶胀后颗粒不易再分开，造成 絮凝剂溶解不完全，必须保证每一个颗粒进入水中 都立刻被水包裹。 1 ．1 ．3 絮凝剂溶液浓度 絮凝剂形成桥键的必要条件是微粒上存在空白 表面，如果溶液中的高分子物质浓度很大，微粒表 面已全部被所吸附的有机高分子物质所覆盖，则微 粒不会再通过架桥连接而絮凝，相反，此时高分子 物质反而对颗粒起到稳定保护作用，因此要得到良 好的絮凝效果，必须保证絮凝剂制备浓度。 1 ．2 制备方法研究 通过对高分子絮凝剂特性的研究，可以得出制 备絮凝剂溶液最重要的是确保絮凝剂完全溶解、防 止大分子降解及保证制备浓度。 1 ．2 ．1 分散、预溶方法 由高分子絮凝剂的溶解特性可知，为防止块状 物形成，絮凝剂颗粒的预分散极为重要，预分散越 好，溶解效果越好[ 7 ] 。本系统设计专用水粉混合器 及给料方式，絮凝剂干粉物料通过给料器进入输送 管道，干粉通过风力输送，在输送过程中被充分吹 散，进入水粉混合器，水粉混合器的特殊结构设计 保证了干粉进入后每个颗粒可以迅速被水包裹，然 后在溶解槽中进行溶解。 1 ．2 ．2 搅拌方法 为避免高分子降解，一般降低搅拌速度及输送 泵转速，但这种方案只是在一定程度上减小剪切 力，并且使生产效率降低。本系统设计了专用搅拌 方式，在保证混合效果的基础上，保证了制备溶液 的效果。 1 ．2 ．3 粉料投加计量方法 同类设备的絮凝剂干粉添加一般采用体积给料 的方式，通过控制给料时间实现给料量控制，但随 蘸 ，羹一 万方数据 7 0 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第5 期 着设备运行，加料器腔体由于积料导致计量误差， 造成制备浓度偏差。本系统研制了高精度称重装 置，实时计量给料量，保证了絮凝剂溶液浓度的制 备精度。 2 系统研制方案 本系统以江铜集团某选矿厂水处理站絮凝剂添 加要求为设计依据，该厂原有一套制备与投加系 统，由于制备效果差、制备能力不足已经不能满足 现场需要。本系统由干粉投加装置、溶解制备装 置、溶液投加装置、二次稀释装置、控制系统等部 分构成。整体构成如图3 所示。 等构成。溶液投加装置主要功能将制备好的溶液定 量输送到工艺流程中。 2 ．1 ．4 二次稀释装置 絮凝剂溶液通过二次稀释后达到工艺需求的溶 液浓度，主要由静态混合器、流量计、气动阀等 组成。 2 ．2 控制系统研制 该系统通过P L C 控制系统实现了絮凝剂溶液 自动制备过程，并根据现场实时投加量要求进行溶 液投加的闭环控制。本系统集成了絮凝剂制备与投 加系统的整个生产过程信息，通过本地的触摸屏实 现了对整个生产过程监控，并通过以太网实现了该 系统的远程监控，如图4 所示。 管理层 图3 整体构成图 控制层 F i g ．3 O v e r a J ls t m c t W e 2 ．1 主体设备研制 絮凝剂制备系统由干粉投加装置、溶解制备装 置、溶液投加装置、二次稀释、控制系统等组成。 2 ．1 ．1 干粉投加装置 该装置主要由给料器、料斗、称重装置、搅拌 装置、鼓风机、粉料流量开关等构成。主要功能将 絮凝剂粉料定量投加、输送到溶液制备装置中。干 粉投加采用专用给料器 风力输送的方案。其中专 用给料器、加热器、称重装置等核心部件为自主研 制，保证下料精度及可靠性。 2 ．1 ．2 溶解制备装置 该装置主要由制备槽、水粉混合器、快充管 路、液位计、流量开关、压力传感器、气动阀、循 环／输送泵等构成。主要功能将絮凝剂充分溶解， 制备成一定浓度的溶液，然后将溶液输送到投加装 置中。溶解制备装置针对絮凝剂特性，分别采用了 预溶技术和防降解搅拌技术，保证了絮凝剂的充分 溶解和高分子结构不被破坏。其中，水粉混合器为 自主研发，特殊结构设计保证了干粉的溶解效果。 2 ．1 ．3 溶液投加装置 该装置主要由储槽、液位计、投加泵、流量计 图4 控制系统结构图 F i g ．4 S t m c t u r eo fc o n t m ls y s t e m 该控制系统控制内容主要包括连锁控制和过程 控制。 2 ．2 ．1 电气连锁控制 循环／输送泵采用一用一备设计，工作泵和备 用泵进行互锁，防止两台泵同时运行造成没备损坏。 投加泵采用一用一备设计，工作泵和备用泵进 行互锁，防止两台泵同时运行造成设备损坏。 循环阀和输送阀进行互锁，两个阀门不能同时 关闭，保证循环与输送管路的畅通；两个阀门不能 同时打开，保证当前制备过程运行正常。 2 ．2 ．2 设备连锁控制 粉料料位连锁对料斗中的粉料料位进行检 测。当低于设定位置时停止制备新批次的溶液，并 通过报警灯进行报警。 万方数据 2 0 1 3 年第5 期李传伟等絮凝剂溶液制备与投加系统研制 7 1 粉料流量连锁在制备过程中检测粉料输送管 路无粉料时，暂停制备过程，停止鼓风机、给料 器、振动器，关闭预溶阀，并通过报警灯进行报警。 预溶流量连锁检测预溶管路无水流时，暂停 制备过程，停止鼓风机、给料器、振动器，关闭预 溶阀，并通过报警灯进行报警。 快充流量连锁检测快充管路无水流时，暂停 制备过程，停止鼓风机、给料器、振动器，关闭快 充阀，并通过报警灯进行报警。 2 ．2 ．3 安全连锁控制 循环／输送泵保护连锁制备槽液位低于报警 值时，工作泵停止运行，并禁止泵的启动操作，防 止工作泵在无溶液时运行损坏泵体；检测循环／输 送泵出口压力大于设定值时，工作泵停止运行，保 护工作泵防止损坏。 投加泵保护连锁储存槽液位低于报警值时， 工作泵停止运行，并禁止泵的启动操作，防止工作 泵在无溶液时运行损坏泵体；检测投加管路流量小 于设定值时，停止工作泵，保护工作泵正常运行； 投加泵安装有安全阀，防止管路堵塞或阀门开关异 常造成工作泵损坏。 2 ．2 ．4 溶液投加流量控制 根据进入浓密机的碱性水量、酸性水量、絮凝 剂单耗量、絮凝剂使用浓度计算出絮凝剂溶液投加 流量，通过P I D 闭环控制实现投加流量控制。溶液 投加流量控制见图5 。 图5 投加流量控制框图 F i g ．5 C o n t I _ 0 lb l o c kd i a g 阻mo fd o s i n gn o w 图6 絮凝剂添加历史曲线 F 谤6H i s t o r yc u r v eo fn o c c u l a n td o s i n g 万方数据 7 2 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第5 期 3 工业应用效果 该套系统已在江铜集团投入使用，通过近2 年 的现场应用，取得良好效果。 1 絮凝剂溶液制备效果好，所制备溶液的黏 度高，沉降效果好。本系统制备的絮凝剂溶液与原 系统制备溶液及清水的对比数据见表1 所示。黏度 测量方法在相同测试条件下，采用乌氏黏度计测 量溶液流经时间，时间越长表明黏度越高。 表1不同溶液测量时间表 T a b l e1M e a s u r e m e n ts c h e d u l eo fd i 珏色r e n ts o l u t i o n 取样点流经时间平均雠 本系统制备溶液 原系统制备的溶液 工业水 8 2 0 ．2 4 6 0 2 ．3 6 1 3 4 ．7 3 表1 数据为多次取样求得平均值，从流经时间 可以看出，制备相同浓度的絮凝剂溶液，该系统制 备出的溶液黏度高于原制备系统3 0 ％以上。 2 制备浓度、投加量精度高，避免药剂浪费， 臻霆攘警l _ _ №_ - _ - _ - - _ _ _ 一 剽到 为企业节约了成本。 图6 为2 0 1 1 年4 月1 9 日3 1 2 至6 1 2 的 絮凝剂添加历史曲线。从历史曲线中可以看出，絮 凝剂溶液实际添加量基本同絮凝剂溶液设定用量曲 线重合，表明了絮凝剂添加自动控制有着很好的控 制精度和可靠性。 3 集絮凝剂溶液的自动制备、自动投加于一 体，实现无人看守全自动运行，用户只需定期向料 斗中添加物料即可，大大降低的工人的劳动强度。 4 该系统的故障检测、报警信息齐全，系统 易于维护；设备部分故障率低，维护成本低。 4 结论 通过工业应用表明，本文基于絮凝剂特性研制 的絮凝剂制备与投加系统，具有制备效果好、投加 精度高、自动化程度高及可靠性高等优势。目前该 系统已经产品化，不仅适用于选矿行业的絮凝剂添 加，在石油、水处理、造纸等使用高分子聚合物的 场合，具有广泛的推广前景。 该套系统的成功研制不仅满足了国内选冶过程 对絮凝剂溶液制备与投加的需求，对促进国内浓 器 絮凝刹制备与投加系统嚣2 掰茗 图7 系统监控画面 F i g ．7S y s t e mm o n i t o r i n gp i c t u r e 下转第7 7 页 剖剖蛋一一蚕 万方数据 2 0 1 3 年第5 期陶坤等新型铜硫分离有机抑制剂B K Y 一1 的机理研究 7 7 理，其结果显示，B K Y 一1 与黄铜矿和黄铁矿的表 面作用均存在吸附作用；从相互作用能绝对值大小 来看，药剂与黄铁矿的相互作用能 一l9 0 4 ．1 7 95 k J ，m 0 1 要远高于黄铜矿 一2 2 5 ．6 6 33k J ，m 0 1 。从 二者的正负以及绝对值的关系来看，抑制剂B K Y 一 1 在黄铁矿表面的吸附远胜于黄铜矿。 3 红外光谱分析结果显示B K Y 一1 在黄铁矿上 存在较为牢固的吸附，而在黄铜矿上吸附较弱，这 进一步验证了其作用机理。 参考文献 [ 1 ] 王淀佐，林强．选矿与冶金药剂分子设计[ M ] ．长沙 中南工业大学出版社，1 9 9 6 ． [ 2 ] 张泾生，阙煊兰．矿用药剂[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 普拉蒂普．浮选药剂的分子模拟及合理设计[ J ] ．国外金 属矿选矿，2 0 0 4 1 0 2 8 3 4 ． [ 4 ] 陶坤，魏明安．巯基乙酸选择性抑制机理的分子模拟研 究[ J ] ．矿冶，2 0 1 1 ，2 0 2 1 5 1 9 ． [ 5 ] h t t p ／m a t a b a s e ．i e m ．a c ．r u ，m i n c r y s t ，． [ 6 ] 汪正然，陈武．矿物学[ M ] ．上海上海科学技术出版 社，1 9 6 5 ． [ 7 ] P r e t s c hE ，B u h l I I l 卸nP ，A 肋l t e rC ．波谱数据表[ M ] ．上 海华东理工大学出版社，2 0 0 2 2 4 5 3 1 2 ． 、 岔 岔 命 命 命 仓 岔 岔 岔 仓 岔 岔 岔 岔 岔 岔 岔 岔 命 岔 岔 岔 仓 仓 仓 仓 夼 仓 仓 命 仓 岔 岔 信 上接第6 3 页 率高。 4 实验室试验 采用该永磁高梯度磁选机对山东某含铁钾长石 进行了实验室湿式分选试验，分选介质采用钢板网 和钢毛相结合结构，在确定好设备工艺参数后进行 了分选，原矿品位0 ．4 3 ％，经过一次分选精矿降至 0 ．2 ％，除铁率达到6 5 ％。除铁效果满足了客户对 于精矿中铁品位的要求。 5 结论 1 该永磁高梯度磁选机具有背景磁场高、分 选区梯度大、整机自动控制、可操作性高等优点， 适宜分选非金属湿式矿浆中的弱磁性矿物，除铁 2 该设备采用永磁作为磁源，节能环保，且 设备投资、使用成本低。 参考文献 [ 1 ] Z e z u l k aV ， S t r a t eP ，M u c h aP ．T h ep e n I l a n e n tN d F e B m a g n e t si n t h ec i r c u i t sf o rm a g n e t i cf i l t e ra n dt 1 1 e 矗r s t t e c h n o l o g i c a lt e s t s [ J ] I n tJ Mi n e rP r o c e 髓，2 0 0 5 ，7 8 1 3 1 3 9 ． [ 2 ] 冯定五，彭世英，孙仲元，等．永磁带式高梯度磁选机的 研制[ J ] ．矿冶，1 9 9 6 ，5 1 5 0 一5 3 ． [ 3 ] 刘晨敏，刘鹏，何权富，等．对极式永磁磁选机的数值 模拟研究[ J ] ．矿山机械，2 0 1 0 ，1 3 3 8 9 6 一1 0 0 ． [ 4 ] 王常任．磁选设备磁系设计基础[ M ] ．北京冶金工业出 版社，1 9 9 0 9 1 8 2 0 0 ． 、 仓 仓 岔 仓 岔 仓 仓 命 ，佘 岔 岔 岔 岔 岔 仓 岔 岔 岔 岔 岔 金 个 岔 岔 岔 命 命 岔 岔 岔 岔 岔 岔 岔 上接第7 2 页 缩生产过程控制水平的提高，加快矿山企业提高生 产效率、降低药剂消耗、节能减排都有着重要的 意义。 参考文献 [ 1 ] 马继忠，宋鸿飞．絮凝剂制备及自动添加系统研究[ J ] ． 煤炭加工与综合利用，2 0 0 3 5 2 6 2 8 ． [ 2 ] 庞新宇．絮凝剂制备及自动添加系统研究[ D ] ．太原太 原理工大学，2 0 0 4 3 _ 4 ． [ 3 ] 蔡璋．选煤厂固一液、固一气分离技术[ M ] ．北京科学 出版社，1 9 9 2 9 8 一1 0 2 ． [ 4 ] 韩哲文．高分子科学教程[ M ] ．上海华东理工大学出版 社，2 0 0 1 2 5 6 ． [ 5 ] 石少波．水溶性高分子溶液粘度的研究[ D ] ．青岛中国 海洋大学，2 0 0 5 2 5 ，3 9 ． [ 6 ] 董炎明，张海良．高分子科学教程[ M ] ．北京科学出版 社，2 0 0 4 ． [ 7 ] 张明旭．选煤厂煤泥水处理[ M ] ．徐州中国矿业大学出 版社，2 0 0 5 ． 万方数据