浮选柱内紊流强度对气泡与颗粒碰撞概率的影响.pdf

2 0 1 6 年第4 期有色金属 选矿部分 8 1 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 6 ．0 4 ．0 1 9 浮选柱内紊流强度对气泡与颗粒碰撞概率的影响 史帅星，韩登峰，张跃军，樊学赛 北矿机电科技有限责任公司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 摘要文章首先介绍了K Y Z ．B 型浮选柱的动力学分区，论述了矿物颗粒所需矿化环境与浮选柱紊流区的特点。借助 计算流体力学及气泡紊流雷诺数和碰撞概率模型，分析三种不同尺寸颗粒与气泡的碰撞概率，表明l i dI x m 颗粒的碰撞概率 整体分布都较7 4p , m 和3 7 ‘L m 颗粒的大，3 7I ．L m 颗粒的碰撞概率整体最小。研究了4 个充气速度l i d 、1 4 0 、1 8 0 、2 2 0m ／s 条件 下，距充气入口2 0 0 、4 0 0 、6 0 0 、8 0 0 、10 0 0i n l l l 的不同位置直线上气泡雷诺数和颗粒碰撞概率的分布。结果表明，相同充气速度 条件下，充气紊流区内气泡紊流雷诺数、颗粒的碰撞概率明显大于其他区域；浮选柱给矿F I 区域由于矿浆流的冲击，增大了气 泡运动能量；相同位置充气速度的增大会增加充气紊流区的气泡湍流雷诺数和颗粒与气泡碰撞的概率，为细粒矿物的矿化创 造了条件。 关键词浮选柱；紊流强度；细粒；碰撞概率 中图分类号T D 4 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 6 0 4 - 0 0 8 1 - 0 6 E f f e c t so fT u r b u l e n c eI n t e n s i t yo nB u b b l e sa n dP a r t i c l e sC o l l i s i o nP r o b a b i l i t y i nF l o t a t i o nC o l u m n S H IS h u a i x i n g ，H A ND e n g f e n g ，Z H A N GY u e j u n ，F A NX u e s a i B e 彬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 箩；．c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q u i p 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 G R I M MM a c h i n e r ya n dA u t o m a t i o n T e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e 彬n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t F i r s t l y ，d i f f e r e n td y n a m i cz o n e si nK Y Z Bf l o t a t i o nc o l u m na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nf i n ep a r t i c l e sm i n e r a l i z a t i o nc o n d i t i o na n da e r a t e dt u r b u l e n tz o n ec h a r a c t e r i s t i c si sd e m o n s t r a t e di n t h i s p a p e r ．T h e n ，t h r e ed i f f e r e n ts i z e so fp a r t i c l e sh a v eb e e na n a l y z e db yt h eC F Dm e t h o d ，b u b b l e st u r b u l e n tR e y n o l d s n u m b e ra n dt h em o d e lo fp a r t i c l ec o l l i s i o np r o b a b i l i t y ，i ti n d i c a t e st h a tt h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yo f10 0 斗mp a r t i c l e si s t o t a l l yl a r g e rt h a nt h a to f3 7 斗ma n d7 4I ．L mo n e s ，a n dt h ec o l l i s i o np r o b a b i l i t yo f3 7 斗mp a r t i c l e si sg e n e r a l l yt h e s m a l l e s t ．F u r t h e r ，b u b b l e st u r b u l e n tR e y n o l d sn u m b e ra n dp a r t i c l ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ya r es t u d i e dh e r ew i t h d i f f e r e n ta i ri n l e ts p e e d 1 0 0 ，1 4 0 ，1 8 0 ，2 2 0m ／s a n dd i f f e r e n td i s t a n c e 2 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 ，10 0 0n l n l ．I t t u r n so u tt h a tt h eb u b b l e st u r b u l e n tR e y n o l d sn u m b e ra n dp a r t i c l ec o l l i s i o np r o b a b i l i t y ，a tt h es a m ea i ri n l e ts p e e d ， i so b v i o u s l yl a r g e rt h a nt h a ti nt h eo t h e rz o n e s ．I nt h ez o n e ，R e a l “ t h es l u r r yf e e d i n g ，t h ea i rt u r b u l e n c ei se n h a n c e d b yt h es l u r r y ．W i t ht h ea i r i n l e ts p e e di n c r e a s i n g ，t h eb u b b l e st u r b u l e n tR e y n o l d sn u m b e ra n dp a r t i c l ec o l l i s i o n p r o b a b i l i t y ，w h i c hc o n t r i b u t e st ot h er e c o v e r yo ff i n ep a r t i c l e s ，i si m p r o v e di nt h es a m ep o s i t i o n ． K e yw o r d s f l o t a t i o nc o l u m n ；t u r b u l e n c ei n t e n s i t y ；f i n ep a r t i c l e s ；c o l l i s i o np r o b a b i l i t y 空气直充产生气泡是目前国内外应用较为广泛 的一种浮选柱充气方式，自发明以来经过不断的技术 改进，最终以其优良的经济性和便捷的操作性受到各 类选矿厂的青睐J 。浮选柱多用于精选段，用以提高 精矿品位，而单体解离要求精选粒度更细，浮选柱细 粒浮选成为必须要面对的问题。细粒浮选同时也是 处理复杂、贫细矿产资源所要面对的问题。矿物过细 则会影响到分选效果，不仅会使浮选回收率降低，还 会显著影响到精矿品位。细粒矿物由于质量小、动量 低，与气泡碰撞、黏附几率小，浮选速率低，回收率低， 质量小还会引起细粒混杂而使品位降低旧J 。有学者 认为有效细粒浮选应能够强化细矿粒与气泡之间的 碰撞作用和黏附作用，浮选槽内的矿浆既要适当紊流 以克服脉石夹杂，又要相对静止以利于矿化气泡和矿 浆的有效分离口J 。矿粒与气泡的碰撞概率随粒度降 低而减小，而在紊流条件下，碰撞概率会增加。浮选 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 5 7 4 0 3 5 收稿日期2 0 1 6 - 0 3 - 1 8 修回日期2 0 1 6 - 0 5 - 2 4 作者简介史帅星 1 9 7 7 一 ，男，河南平顶山人，研究员，从事矿物加工设备研究及工程转化方面的研究。 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第4 期 柱不同于浮选机，没有搅拌机构，对于浮选柱而言，捕 收区处于一个静态环境中，气泡与目的矿物颗粒主要 进行逆流碰撞矿化。对于空气直充式浮选柱，在气泡 发生器喷嘴处气泡流高速喷出，可达超音速HJ ，在气 泡流喷出的初始区域形成高紊流状态，这种高紊流状 态为微细粒的进一步碰撞矿化提供了可能。 1 K Y Z ．B 型浮选柱动力学分区 微细粒级颗粒矿化需要高紊流环境，与现有柱 浮选设备内湍动能低的现实相矛盾，为此K Y Z ．B 型 浮选柱根据粒级差异化对浮选动力学环境的不同要 求，创建紊流矿化区主要强化微细粒级回收，逆流矿 化区主要回收常规粒级矿物 如图1 ，以满足不同 粒级矿物矿化对动力学环境的需要。 给 常规粒级捕集区 l ／夕1 二二二、h 蕊瓦森i 图2 充气紊流区 F i g ．2 A e r a t e dt u r b u l e n tz o n e 为了在浮选柱内创造高紊流矿化区，开发了高 气泡表面积通量的空气直喷式气泡发生技术。所采 用的气泡发生器基于拉瓦尔喷管的气体增速原理， 通过改变空气发生器喷嘴收缩段、喉径、扩张段参数 来实现高速出流并与矿浆间相互作用，营造了大速 度梯度环境，强化了矿浆流对高速气流的剪切作用 见图2 。形成了局部高紊流动能和高能量耗散率 区域，增大颗粒与气泡的碰撞、黏附概率，提升微细 粒矿物的矿化效果。 2 浮选柱动力学研究 2 ．1 理论分析及模型 浮选不仅要求矿物单体解离，而且需要矿物粒 度符合要求。泡沫浮选的最佳粒度范围因矿物种 类、浮选工艺要求及浮选设备的不同而有所差异。 根据卢寿慈对矿粒粒级范围的划分，颗粒粒级范围 在7 1 0 0 斗m 内可定义为细粒”J 。矿物颗粒与气泡 的碰撞概率在一定程度上决定了浮选过程矿物回收 的效果。然而，对于细粒而言，由于其自身动能过 小，难以实现碰撞矿化。因此，K Y Z - B 浮选柱建立了 强紊流的充气区域，以加强细颗粒矿物的碰撞矿化。 本文以K Y Z ．B 浮选柱为研究对象，浮选柱结构 见图3 ，应用C F D 方法首先研究了相同充气速度、气 泡直径2m m 条件下，三种颗粒粒度的碰撞概率分 布，继而研究不同充气速度条件 1 0 0 、1 4 0 、1 8 0 、2 2 0 m ／s 的浮选柱内动力学环境。研究基于C F D 仿真， 应用了气泡紊流雷诺数与碰撞概率模型，见表1 、 表2 。 图3K Y Z ．B 浮选柱示意图 F i g ．3 K Y Z Bf l o t a t i o nc o l u m ns t r u c t u r e 一凰驿__ 登曩一P 涵闸铆． 秽 万方数据 2 0 1 6 年第4 期史帅星等浮选柱内紊流强度对气泡与颗粒碰撞概率的影响 8 3 表l符号说明№1 T a b l el S y m b o l sI n s t r u c t i o n 符号表示意义 也气泡直径，i n l n 如颗粒直径。m m v 矿浆动力粘度 魄 气泡紊流脉动速度，m ／s s 紊流耗散率，m 2 ／s 3 R e s气泡雷诺数 ， 紊流强度 只碰撞概率 表2公式说明M 】 T a b l e2F o r m u l a sI n s t r u c t i o n 气泡相对脉冲速度 卟号 寺严 气泡紊流雷诺数 紊流强度 碰撞概率 胁6 d b U b ， 0 ．1 6 R e 一l ／s 耻㈤s 吉舻，鲁 研究过程中作了必要假设，因浮选柱充气喷嘴 几何尺寸远小于其它结构，网格化难度极大。而且， 实际过程喷嘴处出气流速为超音速，此时马赫数大 于1 ，气体的可压缩性则不能忽略，这对于C F D 计算 带来了极大挑战。因此，本研究进气流速低于实际 流速，重点考察不同紊流强度对细粒级颗粒碰撞概 率的影响。 气泡紊流脉冲速度表示气泡相对于矿浆相的脉 冲速度，气泡紊流雷诺数表示气泡相流动情况的无 量纲数，高气泡紊流雷诺数反应了气泡运动更为强 烈，紊流强度越大。 w a t e rT u r b u l e n c eE d d yD i s s i p a t i o n C O r l t O L l f3 。- 。- 。。。。。。。。。。。。。- 。。- - 。 图4 紊流耗散率 F i g ．4 T u r b u l e n c ee d d yd i s s i p a t i o n 紊流耗散率占是指在分子黏性作用下由紊流动 能转化为分子热运动动能的速率。通常以单位质量 流体在单位时间内损耗的紊流动能来衡量。高紊流 充气区域内，由于受到矿浆的剪切作用，产生了高气 泡速度梯度，紊流耗散率较其他区域更大，如图4 所示。 颗粒与气泡的碰撞概率只与气泡紊流雷诺数、 气泡直径、颗粒直径和矿浆黏度有关。其中气泡紊流 雷诺数和气泡直径的大小及分布由设备性能决定。 2 ．2 不同颗粒直径对碰撞概率影响 紊流矿化区域，空气充气器喷嘴附近气含率较 大，气泡紊流雷诺数明显大于其它区域，颗粒的碰撞 概率较大。逆流矿化区域，由于稳流栅板和分区板 的设计，柱体内气含率分布较为均匀，保持了较为平 稳的流体动力学环境，有利于常规粒级矿物与气泡 a 沪V o l u m eF r a c t i o n C o t T o I I r ， 图5 气含率分布 F i g ．5 A i rv o l u m ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o n 3 7 斗m 颗粒7 4 斗m 颗粒1 0 0 斗m 颗粒 图6 不同粒径颗粒碰撞概率分布 F i g ．6P r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o nd i s t r i b u t i o n f o rd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e s 实现逆流碰撞矿化，如图5 所示。对比1 0 0 斗m 、7 4 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 K 0 0 0 0 O 0 O O 0 0 虻 0 0 0 0 0 O O O 0 O 吒 e e e e e e e e e e e O 0 0 O O O O O 0 O O 0 O 0 0 0 0 0 0 0 O 0 O 8 6 4 2 O O 0 0 0 0 K 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 K O 0 0 0 0 O 0 0 0 O “m mⅢⅢ∞加旬m加m e e e e e e e e e e e 0 3 7 7 3 O 6 9 6 ，O 4 O 9 1 5 0 0 4 O 8 5 0 盯O 4 0 6 ，0 7 5 2 5 5 o 1 5 3 1 9 5 2 1 8 4 2 只咖■I■■■■■■阿融U w∞∞∞∞∞”砼M强Ⅺ怒嚣删嚣；|{}曩钯铯处驰雠殆鼬糖孙拈船们盯舛∞帽玎∞砌们盼强 万方数据 8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第4 期 斗m 及3 7 斗m 三种颗粒在充气速度2 2 0m ／s 条件下 的碰撞概率分布，1 0 0 斗m 颗粒的碰撞概率整体分布 都较7 4 和3 7 斗，n 颗粒的大，3 7 斗m 颗粒的碰撞概率 整体最小。而且，对于以上三种粒度均在气体进1 5 附近区域出现了碰撞概率的峰值。因此，对于细颗 粒矿物，碰撞矿化主要集中在充气器附近高紊流充 气区域。 2 ．3 不同充气速度对碰撞概率影响 对K Y Z B 浮选柱进行了不同充气速度的C F D 仿真，并利用表2 中模型，研究了4 个充气速度1 0 0 、 1 4 0 、1 8 0 、2 2 0m ／s 条件下，距充气人口2 0 0 、4 0 0 、6 0 0 、 8 0 0 、10 0 0m m 的不同位置直线上气泡雷诺数和颗粒 碰撞概率的分布，不同位置直线见图7 。 f 2 6 5 0 给矿f 1 气体人口 图7 不同位置直线 F i g ．7 L i n e si nd i f f e r e n tp o s i t i o n 浮选柱内不同动力学分区，最显著的差异是紊 流强度的差异，而紊流强度与雷诺数密切有关。浮 选柱不同的充气速度会导致气泡雷诺数不同，即充 气紊流区内的紊流强度不同。因此，气泡紊流雷诺 数可表征紊流强度，颗粒的碰撞概率可在一定程度 上表征细粒级矿物的矿化概率。 不同进气速度，不同位置直线处 见图8 ，距进 气口高度方向距离越小，气泡紊流雷诺数越大，颗粒 碰撞概率越大；充气紊流区内气泡紊流雷诺数明显 大于逆流矿化区，颗粒碰撞概率也有相同的趋势。 图8 所示为不同进气速度条件下船。及P 。的分 布。相同进气速度，由于在气泡发生器出口处，存在 气体的强烈射流，所以越靠近浮选柱壁面，距壁面 2 0 0m m 内，气泡紊流雷诺数越大。径向方向距离超 过2 0 0m m 后，气泡紊流雷诺数区域稳定。浮选柱内 距进气I E I 高度2 ．2m 出现了气泡雷诺数的峰值，该 位置为稳流栅板区域，稳流栅板锥形结果促进了气 泡的径向分布。气泡在2 ．2 8 ．2m 范围内，气泡湍 流雷诺数基本恒定，该区域为浮选柱内逆流矿化区， 主要针对于常规粒级颗粒矿化，不需要非常大的紊 流强度，否则，会导致颗粒的不必要脱落。8 ．9m 处 气泡雷诺数出现了较为明显的骤升，该区域接近给 矿口，矿浆的冲击流、形成的涡流及高强度紊流使气 泡运动受到了较大影响，然而，由于距壁面10 0 0m m 处，位置离给矿口较远，这一现象并不明显。充气紊 流区颗粒的碰撞概率明显大于其他区域，因此，为了 保证细粒级颗粒的回收，浮选柱的充气紊流区应有 较大的气泡紊流雷诺数。 在浮选柱相同位置直线6 0 0m i n 处，进气速度不同 条件下，可看出随着充气速度的变大，气泡紊流雷诺数 增加，颗粒的碰撞概率也增大，见图9 。因此，浮选柱气 泡发生器的流道设计需保证气体进入浮选柱有高速射 流，一方面，促进气泡在浮选柱内的径向分布，另一方 面，提高气泡湍流雷诺数，增大了细粒级的碰撞概率，见 图1 0 ，为强化细粒级矿物的回收创造了条件。 图9 6 0 0m m 不同进气速度气泡紊流雷诺数 F i g ．9R e 6i n6 0 0m ml i n e o fd i f f e r e n ta i ri n l e t s 图1 06 0 0m m 不同进气速度碰撞概率 F i g ．10P 。i n6 0 0m ml i n eo fd i f f e r e n ta i ri n l e t s 万方数据 3结论 进气速度1 0 0m ／s 高度，m 高度，m 进气速度1 4 0I I I ，。 高度，m 高度，“ 进气速度1 8 0m ／s 高度／m 高度／m 进气速度2 2 0m ／s 图8 不同进气速度R e 。及P 。的分布 高度／m F i g ．8 R e 6a n dP 。d i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n ta i ri n l e t s 浮选柱内以柱塞流为主，多是通过矿粒下降与 气泡上升发生逆流碰撞矿化，而对于细粒微细粒矿 物来说，由于自身动量较小，气泡矿粒间无法形成足 够的速度梯度，限制了细粒矿物与气泡的碰撞。细 万方数据 颗粒矿物碰撞主要集中在充气器附近高紊流强度充 气区域，充气紊流区颗粒的碰撞概率明显大于其他 区域。因此，为了保证细粒级颗粒的回收，浮选柱的 充气紊流区应有较大的气泡紊流强度。 4 志谢 C F D 计算在国家超级计算中心 天津 “天河一 号”超级计算机完成，研究受国家自然科学基金面上 项目 5 1 5 7 4 0 3 5 、北京矿冶研究总院科研基金项目 Y J 一2 0 1 4 ．1 6 资助。 参考文献 N o v e lf l o t a t i o nd e v i c e sfJ ] 6 5 8 7 - 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2 5 6 ． [ 8 ] P O W E L LMS ，N U R I C KGN ．As t u d yo fc h a r g em o t i o ni n r o t a r ym i l l sP a r t1 一e x t e n s i o no ft h et h e o r y [ J ] ． M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，1 9 9 6 ，9 2 2 5 9 2 6 8 ． [ 9 ] 卢建坤．基于离散单元法的大型球磨机介质运动分析及 参数优化[ D ] ．河南洛阳河南科技大学，2 0 1 3 ． f1 0 ] C L E A R YPW ．R e c e n ta d v a n c e si nD E Mm o d e l l i n go f t u m b l i n gm i l l s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，1 4 1 0 1 2 9 5 一1 3 1 9 ． [ 11 ] D J O R D J E V I CN ，S t I IFN ，M O R R I S O NR ．D e t e r m i n a t i o n o fl i f t e rd e s i g n ，s p e e da n df i l l i n ge f f e c t s i nA Gm i l l sb y3 D D E M [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，1 7 1 1 1 1 3 5 - 1 1 4 2 ． [ 1 2 ] 刘宇，万卉，刘丽萍，等．球磨机内单个研磨介质运 动的理论分析[ J ] ．中国粉体技术，2 0 1 0 ，1 6 4 6 1 - 6 4 ． [ 1 3 ] 胡励，胡国明，万卉，等．球磨机工作参数的离散元 法分析与改进[ J ] ．武汉大学学报 工学版 ，2 0 1 0 ，4 3 6 7 6 2 - 7 6 5 ． [ 】4 ] 孙军锋，董为民，张建勇，等．填充率与转速率对球磨机 功率影响的研究[ J ] ．矿山机械，2 0 0 9 ，3 7 9 7 6 - 7 8 ． [ 1 5 ] 田秋娟．基于离散元方法的大型球磨机工作性能研究 [ D ] ．长春吉林大学，2 0 1 1 ． [ 1 6 ] 史国军．基于三维离散单元法的球磨机介质工作参数研 究[ D ] ．昆明昆明理工大学，2 0 0 8 ． [ 1 7 ] D O N GH ，M O Y SMH ．L o a db e h a v i o ra n dm i l lp o w e r [ J ] ． I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，2 0 0 3 ，6 9 1 1 1 2 8 ． [ 1 8 ] 邹声勇，赵魏，陈松战，等．基于介质运动轨迹分析的 磨机转速研究[ J ] ．矿山机械，2 0 1 4 ，4 2 3 5 1 - 5 5 ． [ 1 9 ] M I S H R ABK ，R A ] f A M A N IRK ．M o t i o na n a l y s i si n t u m b l i n gm i l l sb yt h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d [ J ] ．K O N A P o w d e ra n dP a r t i c l eJ o u r n a l ，19 9 0 ，8 9 2 - 9 8 ． [ 2 0 ] A G R A W A L AS ，R A J A M A N IRK ，S O N G F A C KP ，e ta 1 ． M e c h a n i c so fm e d i am o t i o ni n t u m b l i n g m i l l sw i t h3 D d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ， 1 0 2 2 1 5 2 2 7 ． [ 21 ] M O R R E L LS ．P r e d i c t i o no f 酣n d i n g - m i l lp o w e r [ J ] ． I n s t i t u t i o no fM i n i n ga n dM e t a l l u r g yT r a n s a c t i o n s S e c t i o n C M i n e r a lP r o c e s s i n ga n dE x t r a c t i v eM e t a l l u r g y ，1 9 9 2 ， 1 0 l 2 5 3 2 ． 万方数据