郭柄霖 楊潤全 王懷法

(太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030024)

★煤炭科技·加工轉化★

葉輪轉速與通氣量對寬粒級煤泥浮選影響的研究?

郭柄霖 楊潤全 王懷法

(太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030024)

以小于1.0 mm的粗煤泥為研究對象,利用實驗室自制的充氣攪拌式浮選機進行單元浮選試驗,探討了葉輪轉速和充氣量對寬粒級煤泥浮選的影響。研究結果表明,當充氣量為400 L/h及葉輪轉速為1000 r/min時,浮選精煤產率和可燃體回收率最大,并可以利用MATLAB數(shù)值計算軟件擬合出浮選參數(shù)的關系。同時從顆粒與氣泡碰撞和附著概率的角度分析了葉輪轉速和通氣量對浮選過程的影響,在一定范圍內充氣量和轉速的增大有助于寬粒級煤泥的浮選,但充氣量以及葉輪轉速過高時浮選效果變差。最后,采用流體動力學模擬軟件FLUENT14.5?模擬出該浮選槽的流場,通過對比浮選機內部氣相與水相的湍流度云圖后發(fā)現(xiàn)與試驗結果相符合。

葉輪轉速 通氣量 寬粒級煤泥 流場模擬

在礦物的分選加工中,泡沫浮選技術在國內外主要應用于細粒級礦物的分選,研究提高浮選粒度的上限對浮選具有重要的意義。在傳統(tǒng)機械攪拌式浮選過程中,較粗的礦粒由于比重較大在礦漿中不易懸浮,與氣泡碰撞概率低且礦粒易從氣泡上脫落,浮選效果較差。針對這一問題國內外學者做了大量的研究工作,其中葉輪的形狀、轉速以及通氣量對氣泡比表面積的影響較大,這一參數(shù)被認為是影響浮選最重要的原因之一;還有學者通過窄粒級煤泥浮選動力學實驗,研究了葉輪轉速和充氣量對浮選動力學常數(shù)以及精煤產率的影響,得出的結論是葉輪轉速對浮選速率的影響更為顯著;又有學者在浮選稀土時研究了充氣量和葉輪轉速對浮選的影響,通過研究得出隨著充氣量的增加,精礦的品位和回收率均有所增加,但是過大的通氣量雖然會提高精礦的回收率,卻也會降低精礦的品位,葉輪轉速增大也可以提高稀土精礦的品位和回收率,但是過大的轉速會影響礦粒和氣泡的有效粘附,增大脫落概率,不利于浮選。

因此,研究浮選機葉輪轉速和充氣量對優(yōu)化浮選流程以及選煤廠技術管理、浮選設備的優(yōu)化設計具有重要意義。本文采用實驗室自制充氣攪拌式浮選機,通過改變葉輪轉速及充氣量對寬粒級煤泥進行單元浮選試驗,根據(jù)浮選效率模型,從碰撞和脫落的角度分析了這些浮選參數(shù)對寬粒級煤泥浮選的影響,利用FLUENT14.5?流體模擬軟件模擬浮選槽內部流場并驗證猜想。

1 試驗研究方法

1.1 浮選儀器

試驗采用實驗室自制充氣攪拌式浮選槽示意圖見圖1,其結構與Rushton渦輪浮選槽類似。

圖1 實驗室自制充氣攪拌式浮選槽示意圖

Rushton渦輪浮選槽對細粒礦物以及粗粒礦物都有著很好的浮選效果,其規(guī)格為1 L,葉輪直徑為50 mm,主軸轉速可調為0～1800 r/min。通過電磁充氣機給礦漿充氣,使用玻璃轉子流量計和調節(jié)閥調節(jié)充氣量,調節(jié)范圍為0～1000 L/h,浮選試驗系統(tǒng)示意圖見2。

1.2 試驗煤樣與試劑

試驗樣品取自屯蘭礦選煤廠中礦,灰分為38.17%,其粒度組成由表1所示。試驗所用的捕收劑是密度為0.8 g/cm3的煤油,起泡劑是密度為0.82 g/cm3的仲辛醇。

表1 屯蘭礦中礦粗煤泥篩分試驗結果

由表1可以看出,各個粒級的灰分都較高,說明入料中高灰細泥含量較大,這部分物料會使浮選的選擇性變差,最終影響精煤的質量。

1.3 試驗方法

試驗主要研究了葉輪轉速以及充氣量對于寬粒級煤泥浮選指標的影響規(guī)律。試驗根據(jù)GB/T 4757－2001《煤粉(泥)實驗室單元浮選試驗方法》,礦漿濃度以及藥劑用量保持不變,調節(jié)充氣量分別為200 L/h、400 L/h、600 L/h和800 L/h進行試驗,同時在對應的充氣量下,調節(jié)葉輪轉速分別為400 r/min、600 r/min、800 r/min、1000 r/min和1200 r/min進行浮選試驗。在浮選結束后,將收集的精煤和尾煤分別過濾、烘干和稱重,計算出精煤和尾煤的產率、可燃體回收率以及灰分。

2 試驗結果及分析

2.1 充氣量對精煤產率、可燃體回收率及灰分的影響

同轉速下充氣量對精煤指標的影響見圖3。

圖3 同轉速下充氣量對精煤指標的影響

由圖3可以看出,當充氣量為200 L/h時,精煤產率為54.73%;隨著充氣量的增大,精煤的產率也隨之上升,當充氣量為400 L/h時,精煤產率達到最大為63.47%;隨著充氣量進一步增大,精煤產率反而下降,當充氣量為800 L/h時,產率下降到58.62%。

同時,充氣量對浮選精煤可燃體回收率也有一定影響,其規(guī)律與充氣量對精煤產率的影響相類似。精煤的可燃體在充氣量為400 L/h時達到最大,為72.3%;隨著充氣量的進一步增加,可燃體回收率逐漸降低,并在充氣量為800 L/h時,可燃體回收率下降到68.76%。

充氣量與浮選精煤灰分是正相關的關系,隨著充氣量逐漸增大,浮選精煤灰分逐漸升高。在充氣量在200 L/h時,精煤灰分為26.97%;當充氣量增大到800 L/h時,精煤灰分增加到28.1%。

隨著充氣量的增大,浮選機內部的氣泡數(shù)量增加,煤泥顆粒與氣泡的碰撞概率增加,浮選效率提高,從而使精煤的隨之產率增大。由此得出,精煤產率隨著充氣量的增大而提高,但是,過大的充氣量使浮選槽內部氣泡直徑增大,不利于浮選。

2.2 葉輪轉速對精煤產率、可燃體回收率及灰分的影響

同充氣量葉輪轉速對精煤浮選指標的影響見圖4。

圖4 同充氣量葉輪轉速對精煤浮選指標的影響

由圖4可以看出,葉輪轉速為400 r/min時,精煤產率達到20.64%;隨著葉輪轉速的增大,精煤的產率也隨之上升,精煤產率在葉輪轉速為1000 r/min時達到最大,為63.47%;隨著葉輪轉速的進一步增加,精煤產率變化并不大,為63.21%。

葉輪轉速對浮選精煤可燃體回收率的影響規(guī)律類似于葉輪轉速對精煤產率的影響。精煤的可燃體在葉輪轉速為400 r/min達到26.03%,可燃體回收率隨著葉輪轉速的增大而增大;當葉輪轉速為1000 r/min時達到最大,回收率為74.11%;葉輪轉速繼續(xù)增大時,精煤可燃體回收率變化較小為74.33%。

浮選精煤灰分隨著葉輪轉速的升高而增大,當葉輪轉速為400 r/min時,精煤灰分為22.02%;當葉輪轉速增大到1200 r/min時,精煤灰分達到28.6%。

由此可見,葉輪轉速的提高有利于精煤回收,較大的葉輪轉速會增大浮選槽內部的湍流度,使煤泥能夠充分懸浮,增大了煤泥和浮選機內部的氣泡接觸的概率,有利于浮選。當葉輪轉速過大時,對可燃體回收率的影響降低,因為過大的轉速使浮選機內部湍流度過高,易使煤泥顆粒從礦化氣泡上脫落,不利于顆粒在氣泡表面的附著。

2.3 葉輪轉速與充氣量和浮選指標的關系

為了更好地解釋和說明葉輪轉速和充氣量對浮選精煤產率、可燃體回收率以及灰分之間的影響,采用數(shù)值計算軟件MATLAB對數(shù)據(jù)進行擬合,得出相應的二項關系式,為了使擬合結果更加準確和直觀,將充氣量和葉輪轉速的單位分別轉化為L/s和r/s。最后,利用MATLAB做出相對應的三維關系圖,更加直觀的說明葉輪轉速和充氣量對這些浮選指標的影響。

2.3.1 葉輪轉速及充氣量與精煤產率的關系

為了更好地研究和了解葉輪轉速及充氣量對煤泥浮選的影響,根據(jù)之前的實驗數(shù)據(jù)應用MATLAB擬合出葉輪轉速、充氣量和精煤產率關系的多項式,見式(1):

式中:Y——精煤產率,%;

a——充氣量,L/s;

s——葉輪轉速,r/s。

葉輪轉速及通氣量對精煤產率的影響見圖5。

圖5 葉輪轉速及通氣量對精煤產率的影響

由圖5可以看出,在葉輪轉速較低的情況下,適當增大充氣量可以提高精煤的產率,但充氣量繼續(xù)增大會使精煤產率降低;當葉輪轉速增大的時候,可以提高精煤的產率,但是過大的轉速也會使精煤產率降低,這和實驗數(shù)據(jù)相吻合。由此可知,過大的葉輪轉速和充氣量都不利于精煤產率的提高。

2.3.2 葉輪轉速及充氣量與精煤可燃體回收率的關系

葉輪轉速及充氣量與精煤可燃體回收率的影響關系也可以利用MATLAB進行擬合,表達出葉輪轉速、充氣量和精煤可燃體回收率關系的多項式,見式(2):

式中:R——精煤可燃體回收率,%;

a——充氣量,L/s;

s——葉輪轉速,r/s。

葉輪轉速及通氣量對精煤可燃體回收率的影響見圖6。

圖6 葉輪轉速及通氣量對精煤可燃體回收率的影響

由圖6可以看出,對于精煤可燃體回收率而言,其變化規(guī)律類似于葉輪轉速及充氣量對精煤產率的影響。在葉輪轉速較低的情況下,適當增大充氣量會提高精煤可燃體回收率,但充氣量繼續(xù)增大對精煤可燃體回收率的上升影響有限;葉輪轉速的增大可以提高精煤的可燃體回收率,但是過大的轉速也會使精煤可燃體回收率降低。

2.3.3 葉輪轉速及充氣量與精煤灰分的關系

為了更好地表現(xiàn)出充氣量和葉輪轉速對浮選精煤灰分的影響,通過MATLAB擬合出葉輪轉速、充氣量和精煤灰分關系的多項式,見式(3):

式中:C——精煤灰分,%;

a——充氣量,L/s;

s——葉輪轉速,r/s。

葉輪轉速和通氣量對精煤灰分的影響見圖7。

由圖7可以看出,當葉輪轉速一定時,充氣量增大會在較小的幅度內提高精煤的灰分。相比而言,隨著葉輪轉速的增大,精煤產品中灰分的上升幅度更大。因此可以得知,葉輪轉速比充氣量對于精煤灰分影響更大。

3 充氣量及葉輪轉速對煤泥浮選影響的分析

通過氣泡相對速度公式,見式(4):

式中:Ub——氣泡相對速度,m/s;

εtur——單位質量的湍流擴散速率,m/(kg ·s);

Db——氣泡平均直徑,m;

ρb——氣泡密度,kg/m3;

ρf——流體密度,kg/m3;

v——液相運動粘度,m2/s。

由式(4)可以看出,由于葉輪轉速增大使得浮選槽內液體循環(huán)速率加快,從而導致湍流擴散速率增加。運動粘度是動力粘度與同溫同壓下流體密度的比值,而動力粘度是流體單位面積是內摩擦力與垂直于運動方向上流速變化率的比值,葉輪轉速增大使得流速變化率增大,所以隨著葉輪轉速的提高,液相運動粘度在變小,故氣泡相對速率在增大。

圖7 葉輪轉速及通氣量對精煤灰分的影響

浮選產率隨著葉輪轉速的提高而提高,但是當葉輪轉速過大時,對于粗粒而言脫落的作用會超過碰撞的作用,浮選效果呈下降趨勢,所以過大的葉輪轉速并不利于浮選。如果提高葉輪轉速,礦漿中礦粒與氣泡在葉輪腔中的接觸機會就會增加,使碰撞概率得到提高。葉輪轉速的增加等于加大了礦漿的雷諾數(shù),也就是提高了紊流強度,從而提高氣泡與礦粒的接觸概率。

4 浮選機內部數(shù)值流場模擬

4.1 模型建立和網格劃分

根據(jù)實驗室自制Rushton渦輪浮選槽的特征,利用FLUENT流體模擬軟件的前處理工具Gambit進行浮選槽三維物理模型的構建。同時對三維物理模型用劃分網格的辦法,將計算區(qū)域劃分為若干小區(qū)域,用六面體或者四面體單元進行區(qū)域離散將整個區(qū)域劃分為約20萬個混合型網格。

4.2 數(shù)值計算方法及邊界條件設定

數(shù)值模擬采用FLUENT 14.5?軟件,液相選取水,氣相選取空氣,流動模型選擇Realizablek－ε湍流模型。由于浮選機中有葉輪的機械攪拌過程,因而將計算域分成進氣口、葉輪的旋轉運動域和其余部分的靜態(tài)域這3個部分。多相流模型選取EULERIAN雙流體模型,同時采用Phase Coupled SIMPLE算法處理壓力－速度耦合計算。模擬采用非穩(wěn)態(tài)算法,迭代殘差設置為0.01。計算區(qū)域的入口設為速度入口,進氣口按充氣量200 L/h、400 L/h、600 L/h和800 L/h進行速度計算,主軸轉速按400 r/min、600 r/min、800 r/min、1000 r/min和1200 r/min選取,計算過程引入重力為9.8 m/s2。

4.3 數(shù)值模擬計算結果及分析

4.3.1 相同轉速下不同充氣量對浮選機內部湍流度的影響

相同轉速葉輪下充氣量對浮選槽內部湍流度的影響見圖8。

由圖8可以看出,隨著充氣量加大,葉輪下部和浮選槽液面的湍流度逐漸加大。葉輪下部湍流加大有利于增大顆粒和氣泡的碰撞概率,有利于氣泡的礦化。但是過大的充氣量會使浮選槽液面湍流度加大,加大顆粒從氣泡上脫落的概率,不利于浮選的進行。通過試驗結果以及模擬結果可知,在充氣量為400 L/h時,各個轉速情況下的精煤產率到達最大。

4.3.2 相同充氣量的條件下葉輪轉速對浮選機內部湍流度的影響

在相同的充氣量的條件下,不同葉輪轉速對浮選機內湍流強度的影響如圖9所示。

由圖9可以看出,隨著葉輪轉速的提高,低于800 r/min時,葉輪對浮選槽內部湍流強度影響有限,但是隨著葉輪轉速的增大,可以看出浮選槽葉輪位置以及上部區(qū)域湍流度明顯增加。葉輪轉速的加大對浮選槽內部湍流度影響明顯,使氣泡和煤泥顆粒的碰撞概率加大。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和流場模擬分析可知,在葉輪轉速為1000 r/min時浮選效果最好。

5 結論

(1)在葉輪轉速一定的條件下,充氣量與寬粒級煤泥的產率成正相關的關系。當葉輪轉速較高時,精煤產率隨著充氣量的增大而增加,并在充氣量到400 L/h時,各個轉速情況下的精煤產率到達最大。同時,隨著充氣量的增大,精煤中的灰分的含量也逐漸升高。

圖8 相同轉速葉輪下不同充氣量對浮選槽內部湍流度的影響

圖9 相同充氣量下不同葉輪轉速對浮選槽內部湍流度的影響

(2)葉輪轉速對于精煤的可燃體回收率和產率影響較大,隨著葉輪轉速的增大,精煤的可燃體回收率和產率也會增加,在葉輪轉速為1000 r/min時效果最好。相對于充氣量對浮選指標的影響,葉輪轉速對浮選精煤的產率和可燃體回收率影響顯著?？梢?葉輪轉速是浮選效果好壞的決定性因素之一。通過試驗也可以看出,葉輪轉速的增大也會對灰分有所增加。

(3)通過對碰撞概率和附著概率以及脫落概率的分析,發(fā)現(xiàn)過大的充氣量不但不利于浮選的進行,而且會惡化浮選環(huán)境。葉輪轉速的增大提高了顆粒的碰撞概率,有利于浮選的進行,但是過大的葉輪轉速對粗顆粒的浮選不利,易使粗顆粒從已經附著的氣泡上脫落,惡化浮選效果。

(4)利用FLUENT14.5?流體力學模擬軟件對浮選槽內部的流場模擬,通過模擬浮選槽內部流場的湍流度,可以看出過大的充氣量會增大浮選槽液面位置的湍流度,增大顆粒從氣泡表面脫落的概率,不利于浮選。同時,當葉輪轉速增大時,浮選槽轉子區(qū)域的湍流度增強顯著,有利于氣泡和煤泥顆粒的碰撞和礦漿的循環(huán),增大顆粒和氣泡的礦化效率。

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Research on effects on wide size fraction coal slim floatation which impacted by impeller speed and ventilation volume

Guo Binglin,Yang Runquan,Wang Huaifa
(College of Mining and Engineer,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

The object of study is coarse slim which size below 1.0 mm.The authors conducted a unit laboratory flotation within laboratory-made air-blowing flotation machine and discussed effects on wide size fraction coal slim floatation which impacted by impeller speed and inflating volume.The results showed that when the inflating volume is 400 L/h and impeller speed is 1000 r/min,the productive rate of clean coal floatation and the combustible material recovery are maximum.The authors fitted the relationship of floatation parameters by using MATLAB numerical recipes software,and also analyzed the effects on floatation process of impeller speed and ventilation volume from perspective on probabilities of collision and adhesion of particles and bubbles.The results indicated that increasing inflating volume and rotate speed were contribute to wide size fraction coal slim floatation,but when inflating volume and rotate speed were over highly,the floatation effects were worse.Furthermore,the authors used fluid dynamics simulation software FLUENT14.5?to simulate flow field of the flotation cell.The results were consistent with the experimental phenomena.

impeller speed,inflating volume,wide size fraction coal slim,flow field simulation

TD946.2

A

郭柄霖(1990－),男,甘肅酒泉人,太原理工大學礦物加工工程系在讀碩士,研究方向為選煤理論工藝與設備。

(責任編輯 王雅琴)

山西省科技攻關資助項目(20080321066),山西省科技創(chuàng)新計劃資助項目(2010102010)