粗颗粒浮选过程强化研究进展及展望_张怡晴.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-03-22基金项目 国家重点研发计划项目(编号:2020YFC1908803);国家自然科学基金面上项目(编号:21978318)。作者简介 张怡晴(1999),女,硕士研究生。通信作者 邢耀文(1989),男,教授,博士研究生导师。矿物工程粗颗粒浮选过程强化研究进展及展望张怡晴1,2 何 琦1,2 杨陈仪敏1,2 丁世豪1,2 邢耀文1 桂夏辉1(1.中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学化工学院,江苏 徐州 221116)摘 要 粗颗粒浮选不仅能够有效拓宽浮选粒度上限、减少碎磨能耗,而且对建设绿色矿山和提高资源利用率具有重要意义。目前,针对粗颗粒浮选过程强化,国内外学者做了大量相关研究并取得了显著成果。从粗颗粒的难浮机理出发,重点综述了当前粗颗粒浮选过程强化技术新进展,并分析了不同分选技术的作用机理、优势与不足,以期为粗颗粒浮选实践提供理论指导与技术借鉴。浮选矿浆的高紊流环境是造成粗颗粒难浮的根本原因,基于此,为了降低粗颗粒紊流效应,更多研究聚焦于高效粗颗粒浮选装备开发,如矿冶科技集团有限公司研制的 CLF 粗粒浮选机和美国 Eriez 公司设计的流态化浮选设备 水力浮选机。最后提出了未来粗颗粒浮选技术的新发展方向,主要包括低紊流高相含率的浮选环境下浓相流态化浮选机理、大型流态化浮选智能装备开发以及由此带来的新型浮选工艺开发设计。关键词 粗颗粒浮选 过程强化 颗粒-气泡脱附 流态化浮选 中图分类号TD923 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-067-10DOI 10.19614/ki.jsks.202302010Research Progress and Prospect of Strengthening Coarse Particle Flotation ProcessZHANG Yiqing1,2 HE Qi1,2 YANG Chenyimin1,2 DING Shihao1,2 XING Yaowen1 GUI Xiahui1(1.National Engineering Research Center of Coal Preparation and Purification,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract Coarse particle flotation can not only effectively broaden the upper limit of flotation particle size and reduce crushing and grinding energy consumption,but also has important significance for building green mines and improving resource utilization.At present,scholars at home and abroad have done a lot of relevant research and achieved remarkable results in terms of strengthening the coarse particle flotation process.Starting from the difficult flotation mechanism of coarse particles,this paper mainly summarizes the new progress of current coarse particle flotation process intensification technology,and analy-zes the mechanism,advantages and disadvantages of different separation technologies,in order to provide theoretical guidance and technical reference for coarse particle flotation practice.The high turbulence environment of flotation pulp is the fundamen-tal reason why coarse particles are difficult to float.Based on this,in order to reduce the turbulence effect of coarse particles,more research focuses on the development of efficient coarse particle flotation equipment,such as CLF coarse particle flotation machine developed by BGRIMM Technology Group and hydraulic flotation machine designed by American Eriez Company.Fi-nally,the new development direction of coarse particle flotation technology in the future is proposed,mainly including the dense phase fluidization flotation mechanism under the flotation environment of low turbulence and high phase holdup,the develop-ment of large-scale fluidization flotation intelligent equipment and the resulting new flotation process development and design.Keywords coarse flotation,process strengthening,bubble-particle detachment,fluidized flotation 浮选是利用颗粒表面物理化学性质的差异实现有用矿物和脉石矿物选择性分离的界面分选方法,广泛应用于有色金属矿物、黑色金属及非金属矿物提质降杂。入料粒度对浮选效果具有显著影响,低于或超出该粒度范围均会导致浮选指标大幅恶化1。粗颗粒浮选作为目前矿物分选领域内的研究重难点,不仅76能够有效拓宽浮选粒度上限、减少碎磨能耗,而且对建设绿色矿山和提高资源利用率具有重要意义。粗颗粒难浮的主要原因在于颗粒-气泡间的黏附概率低、脱附概率高、粗颗粒存在浮力限制 3 个方面3。其中,浮选紊流造成的高脱附概率是粗颗粒浮选回收率低的最主要原因3。传统机械搅拌式浮选机依赖叶轮的高速旋转输入能量,使颗粒悬浮并与气泡碰撞发生黏附,但过强的紊流会破坏矿化气絮体的稳定性,导致颗粒脱附4-5。紊流是一种多尺度复杂的不规则流动现象,矿浆中的脱附形式主要是紊流引起的涡流离心脱附、气泡振荡脱附和剪切脱附,为了简化研究难度,目前研究尚且集中于以 Schulze 模型为基础的各向同性紊流的离心脱附机制6-7,其中各向同性表示的含义是紊流场具有均一性,即每个研究位置的所有方向的紊流特性都是一致的8。基于粗颗粒难浮机理研究,学者们围绕粗颗粒浮选过程强化也进行了大量探索,为了降低粗颗粒紊流效应,更多研究聚焦于高效粗颗粒浮选装备开发,如矿冶科技集团有限公司研制的 CLF 粗粒浮选机和美国 Eriez公司设计的流态化浮选设备水力浮选机。此外,强力浮选药剂和其他过程强化技术如微纳米气泡浮选以及泡沫相浮选(SIF 法),在一定程度上也可以提高粗颗粒浮选回收率。本文从粗颗粒的难浮机理出发,综述了当前粗颗粒浮选过程强化技术新进展,着重分析了不同分选技术的作用机理及优势和不足,以期为粗颗粒浮选过程强化提供理论指导与技术借鉴。1 粗颗粒难浮机理研究明晰粗颗粒难浮机理是实现粗颗粒浮选过程强化的前提,粗颗粒浮选回收率低的最主要原因是由强紊流环境引起4。近年来,国内外学者针对颗粒-气泡紊流脱附机理开展了大量的试验探索。颗粒-气泡脱附研究起源于颗粒在流体界面准静态脱附过程中的受力分析,其中紊流离心脱附假说占据研究主流。NUTT9对黏附在气泡上的球形颗粒脱附进行了研究,通过外加流场的离心作用使颗粒从气-液界面脱附,建立了毛细管力、浮力和离心力 3种力的理论计算模型,并在特定的体系(接触角、表面张力和液固密度等)中,对颗粒脱附的临界离心力进行了理论计算。SCHULZE6对该理论进一步优化,在准静态力平衡的基础上,考虑了紊流涡对颗粒-气泡脱附的影响,即颗粒以气泡直径为旋转半径随紊流涡同速旋转,当离心力超过颗粒与气泡间的作用力后,颗粒表面会从气泡表面脱附。同时,SCHUL-ZE7提出了邦德(Bond)指数用于表征颗粒-气泡稳定性和计算脱附概率,邦德指数定义为脱附力和黏附力之比,其中颗粒所受脱附力为表观重力、流体静压力和离心力,黏附力主要为毛细力。NGUYEN10在此基础上进一步考虑了气泡大小对颗粒气泡间相互作用力的影响,通过求解重力与压力耦合的 Young-Laplace 方程推导出颗粒-气泡脱附概率(Pd)模型为pd=exp(1-3 1-cos()4R2p(g+bm),(1)式中,为表面张力;为平衡接触角或前进接触角;为颗粒与矿浆间的密度差;g 为重力加速度。近年来,随着国内外学者对颗粒-气泡矿化气絮体在紊流涡中运动行为认识的不断加深,重点对颗粒所受离心加速度(bm)计算公式进行了不同形式的修正。GOEL 和 JAMESON11将颗粒在紊流涡中的旋转半径调整为气泡半径,假设黏附的颗粒在与气泡同等大小的各向同性紊流涡中匀速旋转。NGO-CONG 和NGUYEN12-13结合颗粒运动惯性和流体黏滞效应,将颗粒所受离心加速度分为法向和切向两个分量,全面研究了紊流拉应力和切应力对颗粒脱附的影响。NGO-CONG13等进一步采用 Basset-Boussing-Oseen方程描述气絮体中颗粒加速度,推导出新的紊流机械加速度计算模型,该模型考虑了由颗粒密度引起的惯性效应的影响。从力学角度分析颗粒-气泡的相互作用力,可以对颗粒-气泡发生脱附进行简单判断,但颗粒从气泡上脱附是一个复杂的动力学过程,仅仅从力学角度判断是不够全面的。颗粒-气泡间能量分析是描述气絮体稳定性的另一重要方法,能量的可叠加性避免了对颗粒-气泡间的复杂受力分析,适用于复杂紊流结构下颗粒-气泡脱附行为定性判断。YOON 和 MAO14在 1996 年建立的基于能量平衡的脱附概率模型(式(2)反映了脱附概率与动能、黏附功和能量势垒之间的关系,当脱附动能大于黏附功和能量势垒时颗粒与气泡发生脱附。其中,Wa 为黏附功,E1 为能量势垒,EK为颗粒从气泡表面脱附的动能。pd=exp(-Wa+E1EK).(2)WANG 等15则通过试验发现上述脱附概率模型过高地估计了矿浆紊流对颗粒动能的影响,忽略了脱附过程中气泡变形所需要的能量和颗粒的惯性,导致计算出的颗粒脱附概率随紊流耗散率急剧增加。丁世豪16从热力学角度提出了一种基于