叶轮转速与通气量对宽粒级煤泥浮选影响的研究∗

郭柄霖 杨润全 王怀法

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

★煤炭科技·加工转化★

叶轮转速与通气量对宽粒级煤泥浮选影响的研究∗

郭柄霖 杨润全 王怀法

(太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024)

以小于1.0 mm的粗煤泥为研究对象,利用实验室自制的充气搅拌式浮选机进行单元浮选试验,探讨了叶轮转速和充气量对宽粒级煤泥浮选的影响。研究结果表明,当充气量为400 L/h及叶轮转速为1000 r/min时,浮选精煤产率和可燃体回收率最大,并可以利用MATLAB数值计算软件拟合出浮选参数的关系。同时从颗粒与气泡碰撞和附着概率的角度分析了叶轮转速和通气量对浮选过程的影响,在一定范围内充气量和转速的增大有助于宽粒级煤泥的浮选,但充气量以及叶轮转速过高时浮选效果变差。最后,采用流体动力学模拟软件FLUENT14.5®模拟出该浮选槽的流场,通过对比浮选机内部气相与水相的湍流度云图后发现与试验结果相符合。

叶轮转速 通气量 宽粒级煤泥 流场模拟

在矿物的分选加工中,泡沫浮选技术在国内外主要应用于细粒级矿物的分选,研究提高浮选粒度的上限对浮选具有重要的意义。在传统机械搅拌式浮选过程中,较粗的矿粒由于比重较大在矿浆中不易悬浮,与气泡碰撞概率低且矿粒易从气泡上脱落,浮选效果较差。针对这一问题国内外学者做了大量的研究工作,其中叶轮的形状、转速以及通气量对气泡比表面积的影响较大,这一参数被认为是影响浮选最重要的原因之一;还有学者通过窄粒级煤泥浮选动力学实验,研究了叶轮转速和充气量对浮选动力学常数以及精煤产率的影响,得出的结论是叶轮转速对浮选速率的影响更为显著;又有学者在浮选稀土时研究了充气量和叶轮转速对浮选的影响,通过研究得出随着充气量的增加,精矿的品位和回收率均有所增加,但是过大的通气量虽然会提高精矿的回收率,却也会降低精矿的品位,叶轮转速增大也可以提高稀土精矿的品位和回收率,但是过大的转速会影响矿粒和气泡的有效粘附,增大脱落概率,不利于浮选。

因此,研究浮选机叶轮转速和充气量对优化浮选流程以及选煤厂技术管理、浮选设备的优化设计具有重要意义。本文采用实验室自制充气搅拌式浮选机,通过改变叶轮转速及充气量对宽粒级煤泥进行单元浮选试验,根据浮选效率模型,从碰撞和脱落的角度分析了这些浮选参数对宽粒级煤泥浮选的影响,利用FLUENT14.5®流体模拟软件模拟浮选槽内部流场并验证猜想。

1 试验研究方法

1.1 浮选仪器

试验采用实验室自制充气搅拌式浮选槽示意图见图1,其结构与Rushton涡轮浮选槽类似。

图1 实验室自制充气搅拌式浮选槽示意图

Rushton涡轮浮选槽对细粒矿物以及粗粒矿物都有着很好的浮选效果,其规格为1 L,叶轮直径为50 mm,主轴转速可调为0～1800 r/min。通过电磁充气机给矿浆充气,使用玻璃转子流量计和调节阀调节充气量,调节范围为0～1000 L/h,浮选试验系统示意图见2。

1.2 试验煤样与试剂

试验样品取自屯兰矿选煤厂中矿,灰分为38.17%,其粒度组成由表1所示。试验所用的捕收剂是密度为0.8 g/cm3的煤油,起泡剂是密度为0.82 g/cm3的仲辛醇。

表1 屯兰矿中矿粗煤泥筛分试验结果

由表1可以看出,各个粒级的灰分都较高,说明入料中高灰细泥含量较大,这部分物料会使浮选的选择性变差,最终影响精煤的质量。

1.3 试验方法

试验主要研究了叶轮转速以及充气量对于宽粒级煤泥浮选指标的影响规律。试验根据GB/T 4757－2001《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》,矿浆浓度以及药剂用量保持不变,调节充气量分别为200 L/h、400 L/h、600 L/h和800 L/h进行试验,同时在对应的充气量下,调节叶轮转速分别为400 r/min、600 r/min、800 r/min、1000 r/min和1200 r/min进行浮选试验。在浮选结束后,将收集的精煤和尾煤分别过滤、烘干和称重,计算出精煤和尾煤的产率、可燃体回收率以及灰分。

2 试验结果及分析

2.1 充气量对精煤产率、可燃体回收率及灰分的影响

同转速下充气量对精煤指标的影响见图3。

图3 同转速下充气量对精煤指标的影响

由图3可以看出,当充气量为200 L/h时,精煤产率为54.73%;随着充气量的增大,精煤的产率也随之上升,当充气量为400 L/h时,精煤产率达到最大为63.47%;随着充气量进一步增大,精煤产率反而下降,当充气量为800 L/h时,产率下降到58.62%。

同时,充气量对浮选精煤可燃体回收率也有一定影响,其规律与充气量对精煤产率的影响相类似。精煤的可燃体在充气量为400 L/h时达到最大,为72.3%;随着充气量的进一步增加,可燃体回收率逐渐降低,并在充气量为800 L/h时,可燃体回收率下降到68.76%。

充气量与浮选精煤灰分是正相关的关系,随着充气量逐渐增大,浮选精煤灰分逐渐升高。在充气量在200 L/h时,精煤灰分为26.97%;当充气量增大到800 L/h时,精煤灰分增加到28.1%。

随着充气量的增大,浮选机内部的气泡数量增加,煤泥颗粒与气泡的碰撞概率增加,浮选效率提高,从而使精煤的随之产率增大。由此得出,精煤产率随着充气量的增大而提高,但是,过大的充气量使浮选槽内部气泡直径增大,不利于浮选。

2.2 叶轮转速对精煤产率、可燃体回收率及灰分的影响

同充气量叶轮转速对精煤浮选指标的影响见图4。

图4 同充气量叶轮转速对精煤浮选指标的影响

由图4可以看出,叶轮转速为400 r/min时,精煤产率达到20.64%;随着叶轮转速的增大,精煤的产率也随之上升,精煤产率在叶轮转速为1000 r/min时达到最大,为63.47%;随着叶轮转速的进一步增加,精煤产率变化并不大,为63.21%。

叶轮转速对浮选精煤可燃体回收率的影响规律类似于叶轮转速对精煤产率的影响。精煤的可燃体在叶轮转速为400 r/min达到26.03%,可燃体回收率随着叶轮转速的增大而增大;当叶轮转速为1000 r/min时达到最大,回收率为74.11%;叶轮转速继续增大时,精煤可燃体回收率变化较小为74.33%。

浮选精煤灰分随着叶轮转速的升高而增大,当叶轮转速为400 r/min时,精煤灰分为22.02%;当叶轮转速增大到1200 r/min时,精煤灰分达到28.6%。

由此可见,叶轮转速的提高有利于精煤回收,较大的叶轮转速会增大浮选槽内部的湍流度,使煤泥能够充分悬浮,增大了煤泥和浮选机内部的气泡接触的概率,有利于浮选。当叶轮转速过大时,对可燃体回收率的影响降低,因为过大的转速使浮选机内部湍流度过高,易使煤泥颗粒从矿化气泡上脱落,不利于颗粒在气泡表面的附着。

2.3 叶轮转速与充气量和浮选指标的关系

为了更好地解释和说明叶轮转速和充气量对浮选精煤产率、可燃体回收率以及灰分之间的影响,采用数值计算软件MATLAB对数据进行拟合,得出相应的二项关系式,为了使拟合结果更加准确和直观,将充气量和叶轮转速的单位分别转化为L/s和r/s。最后,利用MATLAB做出相对应的三维关系图,更加直观的说明叶轮转速和充气量对这些浮选指标的影响。

2.3.1 叶轮转速及充气量与精煤产率的关系

为了更好地研究和了解叶轮转速及充气量对煤泥浮选的影响,根据之前的实验数据应用MATLAB拟合出叶轮转速、充气量和精煤产率关系的多项式,见式(1):

式中:Y——精煤产率,%;

a——充气量,L/s;

s——叶轮转速,r/s。

叶轮转速及通气量对精煤产率的影响见图5。

图5 叶轮转速及通气量对精煤产率的影响

由图5可以看出,在叶轮转速较低的情况下,适当增大充气量可以提高精煤的产率,但充气量继续增大会使精煤产率降低;当叶轮转速增大的时候,可以提高精煤的产率,但是过大的转速也会使精煤产率降低,这和实验数据相吻合。由此可知,过大的叶轮转速和充气量都不利于精煤产率的提高。

2.3.2 叶轮转速及充气量与精煤可燃体回收率的关系

叶轮转速及充气量与精煤可燃体回收率的影响关系也可以利用MATLAB进行拟合,表达出叶轮转速、充气量和精煤可燃体回收率关系的多项式,见式(2):

式中:R——精煤可燃体回收率,%;

a——充气量,L/s;

s——叶轮转速,r/s。

叶轮转速及通气量对精煤可燃体回收率的影响见图6。

图6 叶轮转速及通气量对精煤可燃体回收率的影响

由图6可以看出,对于精煤可燃体回收率而言,其变化规律类似于叶轮转速及充气量对精煤产率的影响。在叶轮转速较低的情况下,适当增大充气量会提高精煤可燃体回收率,但充气量继续增大对精煤可燃体回收率的上升影响有限;叶轮转速的增大可以提高精煤的可燃体回收率,但是过大的转速也会使精煤可燃体回收率降低。

2.3.3 叶轮转速及充气量与精煤灰分的关系

为了更好地表现出充气量和叶轮转速对浮选精煤灰分的影响,通过MATLAB拟合出叶轮转速、充气量和精煤灰分关系的多项式,见式(3):

式中:C——精煤灰分,%;

a——充气量,L/s;

s——叶轮转速,r/s。

叶轮转速和通气量对精煤灰分的影响见图7。

由图7可以看出,当叶轮转速一定时,充气量增大会在较小的幅度内提高精煤的灰分。相比而言,随着叶轮转速的增大,精煤产品中灰分的上升幅度更大。因此可以得知,叶轮转速比充气量对于精煤灰分影响更大。

3 充气量及叶轮转速对煤泥浮选影响的分析

通过气泡相对速度公式,见式(4):

式中:Ub——气泡相对速度,m/s;

εtur——单位质量的湍流扩散速率,m/(kg ·s);

Db——气泡平均直径,m;

ρb——气泡密度,kg/m3;

ρf——流体密度,kg/m3;

v——液相运动粘度,m2/s。

由式(4)可以看出,由于叶轮转速增大使得浮选槽内液体循环速率加快,从而导致湍流扩散速率增加。运动粘度是动力粘度与同温同压下流体密度的比值,而动力粘度是流体单位面积是内摩擦力与垂直于运动方向上流速变化率的比值,叶轮转速增大使得流速变化率增大,所以随着叶轮转速的提高,液相运动粘度在变小,故气泡相对速率在增大。

图7 叶轮转速及通气量对精煤灰分的影响

浮选产率随着叶轮转速的提高而提高,但是当叶轮转速过大时,对于粗粒而言脱落的作用会超过碰撞的作用,浮选效果呈下降趋势,所以过大的叶轮转速并不利于浮选。如果提高叶轮转速,矿浆中矿粒与气泡在叶轮腔中的接触机会就会增加,使碰撞概率得到提高。叶轮转速的增加等于加大了矿浆的雷诺数,也就是提高了紊流强度,从而提高气泡与矿粒的接触概率。

4 浮选机内部数值流场模拟

4.1 模型建立和网格划分

根据实验室自制Rushton涡轮浮选槽的特征,利用FLUENT流体模拟软件的前处理工具Gambit进行浮选槽三维物理模型的构建。同时对三维物理模型用划分网格的办法,将计算区域划分为若干小区域,用六面体或者四面体单元进行区域离散将整个区域划分为约20万个混合型网格。

4.2 数值计算方法及边界条件设定

数值模拟采用FLUENT 14.5®软件,液相选取水,气相选取空气,流动模型选择Realizablek－ε湍流模型。由于浮选机中有叶轮的机械搅拌过程,因而将计算域分成进气口、叶轮的旋转运动域和其余部分的静态域这3个部分。多相流模型选取EULERIAN双流体模型,同时采用Phase Coupled SIMPLE算法处理压力－速度耦合计算。模拟采用非稳态算法,迭代残差设置为0.01。计算区域的入口设为速度入口,进气口按充气量200 L/h、400 L/h、600 L/h和800 L/h进行速度计算,主轴转速按400 r/min、600 r/min、800 r/min、1000 r/min和1200 r/min选取,计算过程引入重力为9.8 m/s2。

4.3 数值模拟计算结果及分析

4.3.1 相同转速下不同充气量对浮选机内部湍流度的影响

相同转速叶轮下充气量对浮选槽内部湍流度的影响见图8。

由图8可以看出,随着充气量加大,叶轮下部和浮选槽液面的湍流度逐渐加大。叶轮下部湍流加大有利于增大颗粒和气泡的碰撞概率,有利于气泡的矿化。但是过大的充气量会使浮选槽液面湍流度加大,加大颗粒从气泡上脱落的概率,不利于浮选的进行。通过试验结果以及模拟结果可知,在充气量为400 L/h时,各个转速情况下的精煤产率到达最大。

4.3.2 相同充气量的条件下叶轮转速对浮选机内部湍流度的影响

在相同的充气量的条件下,不同叶轮转速对浮选机内湍流强度的影响如图9所示。

由图9可以看出,随着叶轮转速的提高,低于800 r/min时,叶轮对浮选槽内部湍流强度影响有限,但是随着叶轮转速的增大,可以看出浮选槽叶轮位置以及上部区域湍流度明显增加。叶轮转速的加大对浮选槽内部湍流度影响明显,使气泡和煤泥颗粒的碰撞概率加大。根据试验数据和流场模拟分析可知,在叶轮转速为1000 r/min时浮选效果最好。

5 结论

(1)在叶轮转速一定的条件下,充气量与宽粒级煤泥的产率成正相关的关系。当叶轮转速较高时,精煤产率随着充气量的增大而增加,并在充气量到400 L/h时,各个转速情况下的精煤产率到达最大。同时,随着充气量的增大,精煤中的灰分的含量也逐渐升高。

图8 相同转速叶轮下不同充气量对浮选槽内部湍流度的影响

图9 相同充气量下不同叶轮转速对浮选槽内部湍流度的影响

(2)叶轮转速对于精煤的可燃体回收率和产率影响较大,随着叶轮转速的增大,精煤的可燃体回收率和产率也会增加,在叶轮转速为1000 r/min时效果最好。相对于充气量对浮选指标的影响,叶轮转速对浮选精煤的产率和可燃体回收率影响显著。可见,叶轮转速是浮选效果好坏的决定性因素之一。通过试验也可以看出,叶轮转速的增大也会对灰分有所增加。

(3)通过对碰撞概率和附着概率以及脱落概率的分析,发现过大的充气量不但不利于浮选的进行,而且会恶化浮选环境。叶轮转速的增大提高了颗粒的碰撞概率,有利于浮选的进行,但是过大的叶轮转速对粗颗粒的浮选不利,易使粗颗粒从已经附着的气泡上脱落,恶化浮选效果。

(4)利用FLUENT14.5®流体力学模拟软件对浮选槽内部的流场模拟,通过模拟浮选槽内部流场的湍流度,可以看出过大的充气量会增大浮选槽液面位置的湍流度,增大颗粒从气泡表面脱落的概率,不利于浮选。同时,当叶轮转速增大时,浮选槽转子区域的湍流度增强显著,有利于气泡和煤泥颗粒的碰撞和矿浆的循环,增大颗粒和气泡的矿化效率。

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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,甘肃酒泉人,太原理工大学矿物加工工程系在读硕士,研究方向为选煤理论工艺与设备。

(责任编辑 王雅琴)

山西省科技攻关资助项目(20080321066),山西省科技创新计划资助项目(2010102010)