射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置吸氣特性及氣泡生成機理研究

張 勇，朱金波，周 偉，馮岸岸，王海楠，韓有理，王 超，費之奎

(安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

浮選是利用浮選機內的礦物與大量微細氣泡發生碰撞粘附，并隨氣泡上升至液面泡沫層而實現礦物分選，因此浮選機內氣泡的特征參數和成泡機理是影響浮選機性能的關鍵因素[1]。傳統的浮選裝置分為機械攪拌式浮選機、噴射式浮選機和浮選柱，其中機械攪拌式浮選機氣泡粒徑分布穩定，處理能力大，能耗低，系統簡單，制造方便[2-5]；噴射式浮選機單機處理能力大，對浮選入料的適應性強，無需任何運轉部件，設備能耗及維護保養費用低[6-8]；浮選柱結構簡單，操作方便，管流礦化中，氣泡與礦粒在高度紊流的礦漿環境和狹小的管道空間中發生碰撞與礦化，有利于難浮物料的礦化。管流礦化分選速度快，效率高，主要以分選中等可浮性礦粒的循環礦漿為主[9-11]。射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結合傳統機械攪拌式、噴射式浮選裝置的工作原理，是一種可在低能耗、低轉速下得到大量氣泡和均勻流場的浮選裝置。朱金波等[8]介紹了該種裝置的自吸氣性能的實現，射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的結構易于實現攪拌和循環過程。在此基礎上，通過進一步觀察，研究了射流攪拌裝置中氣泡的生成及在不同管徑、壓力和管嘴距等條件下的特征參數。

1 射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置

射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結構如圖1所示。

1—主軸；2—耦合吸氣管；3—入料槽；4—噴嘴；5—驅動輪；6—攪拌吸氣管；7—外筒；8—內筒；9—浮選槽；10—錐形異流罩；11—錐形筒；12—攪拌輪；13—假底；14—管道；15—循環泵

圖1 射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結構示意圖

Fig.1 Structural sketch of the Jet-agitation integrated fine coal flotation device

該裝置具有雙重吸氣、雙重混合的效果，工作時，有壓礦漿經噴嘴高速噴出，沖擊驅動輪，迫使驅動輪、主軸和攪拌輪同時旋轉；礦漿及空氣在驅動輪的轉動下甩向入料槽內壁，在驅動輪的周邊形成低壓區；攪拌輪將底部礦漿排擠向周邊區域，在錐形導流筒與攪拌輪之間形成負壓區，空氣由攪拌吸氣管進入。

2 不同條件下氣泡的生成及特征參數

針對裝置的工作過程，建立了以高速動態攝像儀為核心的測量系統。將裝置置于長80 cm、寬15 mm、高45 mm的長方形槽體中，槽體外接采樣器、壓力表、導流管、循環水槽等；分別調整壓力和管嘴距(內部噴嘴管出口與外部噴嘴出口間的距離)研究不同工況參數和結構參數對浮選過程中的淹沒射流段、射流沖擊段兩個階段內氣泡的粒徑和分布的影響；最后通過氣泡的概率密度分布曲線、累積密度分布曲線、Sauter直徑和方差變化曲線分析參數變量對兩個階段內氣泡粒徑的影響。試驗測試系統現場圖如圖2所示。

圖2 試驗測試系統實體圖

2.1 淹沒射流段氣泡的特征參數

2.1.1 入流壓力對氣泡粒徑及分布的影響

入流壓力對氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的影響，如圖3、圖4所示。

圖3 入流壓力對淹沒射流段氣泡粒徑的分布影響

圖4 入流壓力對淹沒射流段氣泡擬合方差和氣泡Sauter直徑的影響

由圖3、圖4可知：隨著壓力的增加，氣泡粒徑越小，氣泡粒徑分布集中度高，分布越均勻。隨著入流壓力的增大，氣泡粒徑隨入流壓力衰減先急后緩。其中兩段交點，即0.15 MPa可以作為理想的入流壓力。

2.1.2 管嘴距對氣泡粒徑及分布的影響

管嘴距對氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的影響圖5、圖6所示。

圖5 管嘴距對淹沒射流段氣泡粒徑分布的影響

圖6 管嘴距對淹沒射流段氣泡擬合方差和氣泡Sauter直徑的影響

由圖5、圖6可知：隨著管嘴距的增加，氣泡隨液體在液面下噴射的距離增加，壓力增大，氣泡粒徑降低且分布基本穩定，考慮到對小直徑氣泡的需求，通常選取管嘴距為15～20 mm[12]。

2.2 射流沖擊段氣泡的特征參數

2.2.1 入流壓力對氣泡粒徑及分布的影響

入流壓力對氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的影響圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知：氣泡直徑在0.7～1.2 mm范圍分布較廣，且分布集中度高，隨著入流壓力的增加，氣泡直徑減小趨勢先急后緩，最后趨于穩定。

2.2.2 管嘴距對射流沖擊段氣泡粒徑及分布的影響

管徑比對氣泡粒徑分布的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著管嘴距加長，氣泡隨液體在液面下噴射的距離更遠，壓力增大，氣泡粒徑減小且分布基本穩定，為了滿足對小直徑氣泡的需求，通常選取較大的管嘴距，這一情況與淹沒射流段基本相似。

圖7 入流壓力對射流沖擊段氣泡粒徑的分布影響

圖8 入流壓強對射流沖擊段氣泡擬合方差和氣泡Sauter直徑的影響

圖9 管徑比對氣泡粒徑分布的影響

2.3 淹沒射流段與射流沖擊段對比

(1)由圖6和圖9對比可知，入流壓力對淹沒射流段和射流沖擊段的影響不明顯，射流沖擊段氣泡累計密度分布達到平衡時的氣泡直徑比淹沒射流段小。

(2)射流沖擊段和淹沒射流段在不同的管嘴距下，氣泡直徑都隨著管嘴距的增大而減小，但在流場穩定的情況下，射流沖擊段的氣泡直徑比淹沒射流段更小，穩定性更好。

3 結論

通過改變入流壓力和管嘴距參數研究射流-攪拌耦合式浮選機射流沖擊段和淹沒射流段的氣泡粒徑、擬合方差、氣泡Sauter直徑的不同，結論如下：

(1)針對參數變量在對氣泡粒徑和分布的影響，射流沖擊段與淹沒射流段具有相同的影響規律，即參量值增加，氣泡粒徑越小，氣泡粒徑分布集中度越高，分布越均勻。

(2)通過對比淹沒射流段與射流沖擊段氣泡粒徑和分布表明：射流沖擊氣泡的粒徑較淹沒射流段有較明顯的減小，但射流沖擊段對氣泡粒徑的調控作用小于淹沒射流段，對氣泡的粒徑調控能力較弱。

(3)淹沒射流段和射流沖擊段的氣泡直徑與分布相當，且都沒有大直徑的氣泡產生，從入流壓力的概率密度分布及累計密度分布得出，在壓力為0.15 MPa時，氣泡的產生量最多，為入流壓力的設置提供了較好的參考價值。