浮選柱氣含率的影響因素研究進(jìn)展

曾 培 張漢彪 李宋江 劉 杰

(華剛礦業(yè)股份有限公司)

浮選是實現(xiàn)礦物分選最重要的方法之一，隨著礦產(chǎn)資源稟賦的日益惡化，對浮選工藝和浮選設(shè)備都提出了嚴(yán)峻的考驗[1]。浮選柱因其獨(dú)有的優(yōu)勢在浮選設(shè)備中占有重要地位，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、高效節(jié)能、選擇性好，尤其對細(xì)粒級礦物有很好的分選效果[2]。

影響浮選柱浮選性能的因素很多。在浮選柱系統(tǒng)中，氣體分布特征對顆粒的捕收(表現(xiàn)為回收率)和顆粒在泡沫中的選擇性運(yùn)輸(表現(xiàn)為品位)都起著至關(guān)重要的作用。氣體分布特征主要包括氣泡表面積通量、氣含率、氣泡尺寸等，其中氣含率在浮選柱中是一個重要的流體力學(xué)環(huán)境參數(shù)，其綜合了氣泡尺寸和充氣速率的影響。氣泡表面積通量與氣含率呈線性關(guān)系，并且充氣速率越低，線性度越好，因此氣含率可以用來評估氣泡表面積通量，而氣泡表面積通量與捕收區(qū)的浮選動力學(xué)速率常數(shù)有關(guān)[3]。氣含率和氣泡大小共同決定了起泡劑的用量[4]，氣含率是表征柱體內(nèi)氣體分布特征最直接也最容易實現(xiàn)測量和控制的因素[5]，因此研究影響氣含率的因素尤為重要。

近年來，眾多學(xué)者對浮選柱內(nèi)氣含率的影響因素做了較為深刻的研究，包括一些結(jié)構(gòu)特殊的浮選柱，影響因素主要包括設(shè)備因素和操作因素。設(shè)備因素主要有給氣方式、柱體結(jié)構(gòu)、擋板結(jié)構(gòu)等，操作因素主要有給充氣速率、礦漿流速、固體顆粒類型和濃度、起泡劑類型和濃度等，本文主要闡述這些因素對氣含率的影響。

1 設(shè)備因素影響

設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對浮選柱氣含率有著重要影響，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化能改變氣體在柱體內(nèi)的停留時間和運(yùn)動形式，從而影響氣含率。設(shè)備因素主要有柱體結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)。

1.1 柱體結(jié)構(gòu)

柱體長徑比(H/D)對氣含率有較為明顯的影響。研究發(fā)現(xiàn)[6]，在H/D>5和D>100～150 mm時，氣液之間是逆流，液體向下流動阻礙了氣泡的向上運(yùn)動，并且H/D值越大，阻礙效果越明顯。表觀充氣速率高于1.5～2.0 cm/s時，流場由均質(zhì)流變?yōu)檫^渡流，氣泡間的兼并更為明顯，并且氣含率在柱體底部較低，隨著位置升高，氣含率逐漸升高。主要原因是氣泡上升速度的變化，同時底部氣含率較不穩(wěn)定，上部則較為穩(wěn)定。

丁一剛[7-8]等研究充填浮選柱充氣表觀速度Jg(cm/s)、捕集區(qū)高度Hc(mm)與柱直徑D(mm)之比對氣含率εg的影響發(fā)現(xiàn)，在相同的柱體高度下，隨著充氣速率增加，氣含率顯著增大，隨著捕集區(qū)高度的降低，氣含率略有上升。充氣表觀速度、捕集區(qū)高度與柱直徑之比對氣含率的影響關(guān)系式為

1.2 充氣結(jié)構(gòu)

充氣方式的不同對浮選柱內(nèi)氣體的分布特征有著重要作用，充氣方式主要取決于充氣器的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)[9]，將穩(wěn)定氣流通過一流體振蕩器后形成擺動的氣流給入到浮選柱底部，能夠產(chǎn)生相對于穩(wěn)定給氣更高的氣含率。表觀充氣速率上升，穩(wěn)定給氣和振蕩給氣的氣含率均上升，但振蕩給氣的氣含率始終高于穩(wěn)定給氣。表觀充氣速率越高，兩者差異越明顯。氣含率與氣泡尺寸、氣泡數(shù)量和氣泡上升速率有關(guān)，起泡尺寸越小、數(shù)量越多、速率越低，氣含率就越高。振蕩給氣可降低氣泡尺寸、氣泡上升速率和氣泡兼并程度，且能提高充氣速率上限，氣含率呈線性上升，直到4 cm/s，該過程中幾乎沒有發(fā)生氣泡兼并，因此振蕩給氣在提高充氣速率上限的同時能提高氣泡負(fù)載能力和浮選速率。穩(wěn)定給氣在充氣速率1～3 cm/s時，氣流屬于均質(zhì)流體，氣泡數(shù)量隨充氣速率線性上升而增多。給充氣速率大于3 cm/s，氣含率上升變緩，由于流體變成非均質(zhì)，氣泡發(fā)生兼并，氣泡上升速率高，在礦漿中的停留時間短，因此宜將煤炭浮選充氣速率控制在1～3 cm/s。

另外，有學(xué)者比較了Microcel(氣液混合物通過一個直線式的混合器實現(xiàn)氣體分散)、Flotaire(氣液混合物通過一個多孔管實現(xiàn)氣體分散)、Imox(液體通過一個喉管產(chǎn)生負(fù)壓吸入空氣再擴(kuò)散實現(xiàn)氣體分散)等不同氣泡分布器的應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，在相同的操作條件下，F(xiàn)lotaire型分布器產(chǎn)生的氣泡平均直徑較小，氣含率相對較高；分布器的孔隙率增加、表觀充氣速率上升、液體高度增大和液體給入速率上升，都會導(dǎo)致氣含率上升；分布器的孔隙率增加，促進(jìn)了小氣泡的形成，氣含率升高。

1.3 擋板結(jié)構(gòu)

F J Tavera等研究豎直擋板對氣含率的影響發(fā)現(xiàn)，如果氣體從柱體底部均勻給入到礦漿中，豎直擋板對柱體內(nèi)的氣含率沒有影響，并且每兩個豎直擋板之間的氣含率是一致的，且都在徑向分布上呈現(xiàn)出中心最高、靠近槽壁最低的特征。但如果氣體不均勻給入，如局部充氣器故障，增添擋板會加劇氣含率在徑向上的分布差異。如果氣槍出現(xiàn)故障，故障氣槍上方的氣泡較大，氣含率最低，與故障氣槍對立的方向氣泡最小，氣含率最高。

也有學(xué)者研究了帶孔水平擋板對氣含率的影響，認(rèn)為水平方向的擋板帶孔可保證礦漿通過，并具有切割大氣泡從而增加氣液兩相傳質(zhì)面積和延長氣泡停留時間的作用。擋板多一方面能提高單位體積礦漿的氣含率，另一方面會制約氣含率的增加。氣含率隨擋板數(shù)量的增加先上升后下降，峰值即氣含率的最大值[10]。

有學(xué)者在柱體內(nèi)部設(shè)置吸出管，其結(jié)構(gòu)可以看成是設(shè)置在柱體內(nèi)部的包含水平結(jié)構(gòu)和豎直結(jié)構(gòu)的擋板，氣含率隨吸出管數(shù)量的增多而提高，原因是吸出管強(qiáng)化了液體環(huán)流，小氣泡隨液體環(huán)流重新回到浮選區(qū)，同時吸出管內(nèi)的水環(huán)流促進(jìn)了氣泡的破滅并阻止氣泡兼并，從而有助于提高氣含率。

2 操作因素的影響

設(shè)備因素可看作是影響氣含率的“先天”因素，操作因素則是影響氣含率的“后天”因素，關(guān)鍵的操作因素包括充氣速率、給礦速率、礦物顆粒的類型和濃度、起泡劑的種類和濃度等。

2.1 充氣速率

充氣速率是決定氣體在柱體內(nèi)分布特征的關(guān)鍵因素。增加充氣速率能明顯增加氣含率，但充氣速率和氣含率的關(guān)系是變化的。充氣速率增加到一定值之后，由于氣泡之間的兼并導(dǎo)致大氣泡的形成，提高了氣泡的上升速度。在較低充氣速率(小于0.5 cm/s)內(nèi)，氣體流場為均質(zhì)流，氣含率隨充氣速率線性上升。隨著充氣速率進(jìn)一步上升，氣體流場變?yōu)榉蔷|(zhì)流，氣泡開始發(fā)生兼并，氣含率隨充氣速率上升的速率變慢。在一定范圍內(nèi)，氣泡尺寸隨充氣速率的增大而減小，充氣速率增大到1.00 m3/h時，直徑1.00 mm以下的氣泡約占57.04 %，約97.52 %的氣泡直徑在2.00 mm以下。當(dāng)充氣速率達(dá)到某臨界值時不再有氣泡生成，反而產(chǎn)生氣團(tuán)或出現(xiàn)氣體在上、液體在下的氣液分層現(xiàn)象[11]。

氣泡數(shù)量的增加能提高氣泡間的碰撞概率，進(jìn)而提高浮選指標(biāo)。將充氣速率控制在氣泡大量兼并和氣含率上升速度轉(zhuǎn)折前，形成的氣體特征對浮選最有利。實際應(yīng)用時，壓差傳感器將信號反饋給氣量控制閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)充氣速率，該控制過程可在水氣兩相體系中實現(xiàn)，但容易受泡沫層厚度的影響[12]。

另外，通過比較充氣速率對浮選柱礦漿徑向氣含率的影響發(fā)現(xiàn)，在較低的表觀充氣速率下，橫截面上中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的氣含率差異不明顯，原因是氣泡尺寸差別較小，隨著充氣速率增加，中心區(qū)域氣含率增加，更多的氣泡富集在中心區(qū)域，而不是均布在整個截面。

2.2 給礦流速

礦漿在柱體內(nèi)的流動速度會對柱體內(nèi)氣體的流動和分布造成一定影響。在氣液兩相體系中，增加液體(純水)給入速度，氣含率增加，原因是液體向下運(yùn)動降低了氣泡的上浮速率。增加給礦流速，氣液之間的逆向流動降低氣泡的上升速率，增加氣泡在礦漿中的停留時間，從而增加了泡沫負(fù)載，提高氣含率[13]。因此，適當(dāng)增加給礦流速能夠提高礦物浮選的品位和回收率。

給礦速度上升，礦化氣泡受到向下的曳力作用上升速度變慢，氣含率緩慢上升。但當(dāng)表觀充氣速率較高時，液體流量的影響減弱，因為高表觀充氣速率形成了較大的氣泡。相對而言，給礦速度對氣含率的影響不如充氣速率的影響顯著。

有學(xué)者[14]在研究給礦流速對氣含率在柱體內(nèi)的分布特征時發(fā)現(xiàn)，給礦流速對氣含率的影響存在臨界值。給礦流速低于臨界值時，氣含率在柱體內(nèi)部從低到高逐漸增加；高于臨界值時，氣含率分布情況相反。原因是在低給礦流速時，氣泡在上升過程中逐漸變大，從而提高氣含率；給礦流速較高時，氣泡礦化程度較高，負(fù)載較重，逆流的礦漿也抑制氣泡的上升，導(dǎo)致大量礦化氣泡在柱體下部堆積，進(jìn)而增加浮選柱底部的氣含率[15-16]。

2.3 固體顆粒的類型和濃度

固體顆粒的類型和濃度對氣含率的影響是當(dāng)前理論界一個研究熱點(diǎn)。主流觀點(diǎn)認(rèn)為固體顆粒的增加降低了浮選柱內(nèi)的氣含率。A R Sarhan等[17]通過CFD模擬發(fā)現(xiàn)，添加固體顆粒能降低氣含率，并通過試驗[18]在氣水混合體系中加入疏水性顆粒進(jìn)行驗證，疏水性顆粒能促進(jìn)氣泡兼并，降低氣含率。原因[19]是添加固體顆粒提高了礦漿的黏度，從而促進(jìn)氣泡兼并，并且固體顆粒的濃度越高，礦漿黏度越高，對氣泡兼并的促進(jìn)作用越顯著。

固體顆粒降低了氣含率，在固體濃度1%～15%范圍內(nèi)增高濃度，降低氣含率的效果更加明顯。親水顆粒(硅石和方解石)和疏水性顆粒(煤)有降低氣含率的相同效果，可能的機(jī)理：①兼并；②礦漿密度和黏度的上升；③徑向氣含率和徑向流場類型的變化；④氣泡激發(fā)效應(yīng)[20]。

2.4 起泡劑的類型和用量

起泡劑的種類和用量是浮選工藝中重要的操作參數(shù)，對浮選柱內(nèi)的氣含率也有著重要影響。起泡劑能夠降低氣泡尺寸、降低表面張力，穩(wěn)定氣泡，阻止氣泡兼并。

在一定的起泡劑用量范圍內(nèi)，相同充氣速率下氣泡尺寸隨起泡劑用量的增加而降低。礦漿中的氣泡數(shù)量增多，由于起泡劑分子在氣液表面的吸附，降低了氣泡的上升末速[21]，最終導(dǎo)致氣含率增大。但起泡劑濃度超過臨界膠束濃度后，不再影響氣泡大小和氣含率。

表面活性劑能降低氣泡尺寸，原因是氣液表面的表面活性劑聚集動力的提高，增強(qiáng)了相互碰撞的兩個氣泡之間液膜的穩(wěn)定性[22]，從而提高氣泡表面剛度和氣含率，具體與表面活性劑在水中的溶解度有關(guān)，碳鏈高于C8的醇溶解度過低，碳鏈低于C5的醇表面改性能力較弱，提高效果均較差[23]。

操作溫度和操作壓力也會對氣含率造成一定影響[24]。但在常規(guī)浮選實踐中，操作溫度和壓力通常不會作為操作變量加以控制。

3 特殊結(jié)構(gòu)的浮選柱氣含率影響因素

3.1 高壓射流浮選柱

高壓射流浮選柱是通過高壓射流將空氣帶入下導(dǎo)管內(nèi)，氣含率與射流泵和下導(dǎo)管的參數(shù)有關(guān)。朱友益[25]研究LHJ浮選柱氣含率影響因素，由于該浮選柱是通過高壓射流將空氣帶入下導(dǎo)管內(nèi)的，其氣含率不僅與射流泵的參數(shù)有關(guān)，也隨射流泵面積的增加而先增后降，隨液體壓力增加及下導(dǎo)管的浸沒深度增加而增加。程瑜等[26]研究了擋板對氣含率的影響，發(fā)現(xiàn)氣含率隨擋板高度的增加和離礦漿噴射端口距離的增加而增大，擋板的最佳高度應(yīng)控制在擋柱體總高度的2/10以上，并且控制擋板距給礦口的距離在柱體總長的5/10～7/10。

3.2 旋流微泡浮選柱

與高壓射流浮選柱相同，旋流微泡浮選柱也采用射流進(jìn)氣的方式充氣，循環(huán)壓力、充氣量和起泡劑用量是影響旋流微泡浮選柱氣含率的主要因素。岳雙凌等[27]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)氣含率隨著循環(huán)壓力、充氣量和起泡劑用量增大而增大，當(dāng)增大到一定程度時，氣含率增大的幅度逐漸減小。三者的影響順序為循環(huán)壓力<進(jìn)氣量<起泡劑濃度[28]。原因是循環(huán)壓力低時，所吸入的空氣少，并且礦漿對空氣的剪切力弱，氣泡尺寸較大[29]。

4 結(jié) 論

(1)氣含率對浮選柱浮選性能具有顯著影響，氣含率是由礦漿性質(zhì)和流場特征共同決定。浮選柱柱體結(jié)構(gòu)、擋板和充氣器結(jié)構(gòu)可改變柱體內(nèi)部的流場環(huán)境，進(jìn)而改變氣體在礦漿內(nèi)部的分布特征，從而影響氣含率。充氣速率和給礦速率、固體顆粒和起泡劑的添加都能提高氣含率，固體顆粒和起泡劑的類型和濃度改變的是礦漿性質(zhì)，包括黏度、表面張力，充氣速率和給礦速率和設(shè)備結(jié)構(gòu)改變的是浮選柱的流場環(huán)境。

(2)氣含率不同影響因素間相互制約，如起泡劑濃度和充氣速率等，在實際生產(chǎn)中需要綜合考慮所有相關(guān)因素的優(yōu)化組合，以獲得適宜的氣含率。操作因素中給礦速率和固體顆粒的濃度和種類不可調(diào)節(jié)，優(yōu)化氣含率主要從給礦速率、充氣速率和起泡劑添加等方面著手。

(3)通過改進(jìn)浮選柱結(jié)構(gòu)來優(yōu)化氣體在礦漿中的分布特征進(jìn)而提高氣含率，針對不同目的礦物浮選開展最佳氣含率的研究工作，是今后浮選柱研究的一個重要方向。

[1] 沈政昌,史帥星,盧世杰.KYZ-B型浮選柱系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].有色金屬：選礦部分,2006(4):20-24.

[2] 張海軍.浮選柱的自吸封閉式泡沫輸配研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2009.

[3] Matiolo E,Testa F,Yianatos J,et al.On the gas dispersion measurements in the collection zone of flotation columns[J].International Journal of Mineral Processing,2011(3):78-83.

[4] Tao D,Luttrell G H,Yoon R H.An experimental investigation on column flotation circuit configuration[J].International Journal of Mineral Processing,2000(3):37-56.

[5] Bouchard J,Desbiens A,Del Villar R,et al.Column flotation simulation and control:An overview[J].Minerals Engineering,2009,22(6):519-529.

[6] Vadlakonda B,Mangadoddy N.Hydrodynamic study of two phase flow of Column Flotation using Electrical Resistance Tomography and Pressure Probe techniques[J].Separation and Purification Technology,2017(4):168-187.

[7] 朱友益,張 強(qiáng),王化軍.新結(jié)構(gòu)短柱體浮選柱的研究現(xiàn)狀[J].化工礦山技術(shù),1996(5):23-26.

[8] 荀志遠(yuǎn),張 強(qiáng),王化軍.低高度浮選柱幾個重要參數(shù)的研究[J].金屬礦山,1998(3):25-27.

[9] Wang J,Wang L,Hanotu J,et al.Improving the performance of coal flotation using oscillatory air supply[J].Fuel Processing Technology,2017(5):131-137.

[10] 李延鋒,張 敏,劉炯天.浮選柱篩板充填的氣含率研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008(2):255-258.

[11] 胡衛(wèi)新.浮選柱氣含率的影響機(jī)制與調(diào)控研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2010.

[12] Auxiliadora M,Persechini M.Application of Adaptive Control for a Pilot-Scale Flotation Column[J].Ifac Proceedings Volumes,2009(23),84-89.

[13] El-Shall H,Sharma R,Abdel-Khalek N A,et al.Column flotation of Florida phosphate:An optimization study[J].Minerals & Metallurgical Processing,2001,18(3):142-146.

[14] 廖寅飛,劉炯天,李樹磊.煤泥柱浮選的承載能力與氣含率軸向分布[J].煤炭學(xué)報,2013,38(8):1443-1447.

[15] Uribe-Salas A,Perez-Garibay R,Nava-Alonso F.Operating parameters that affect the carrying capacity of column flotation of a zinc sulfide mineral[J].Minerals Engineering,2007,20(7):710-715.

[16] Uribe-Salas A,Lira-Gomez P D,Pérez-Garibay R,et al.Overloading of gas bubbles in column flotation of coarse particles and effect upon recovery[J].International Journal of Mineral Processing,2003,71(1-4):167-178.

[17] Sarhan A R,Naser J,Brooks G.CFD simulation on influence of suspended solid particles on bubbles′ coalescence rate in flotation cell[J].International Journal of Mineral Processing,2016(11):54-64.

[18] Sarhan A R,Naser J,Brooks G.CFD analysis of solid particles properties effect in three-phase flotation column[J].Separation and Purification Technology,2017(4)：1-9.

[19] SarhanAR,NaserJ,BrooksG.CFDModelingofThree-phaseFlotationColumnIncorporatingaPopulationBalanceModel[J].ProcediaEngineering,2017(4):313-317.

[20] Banisi S,Finch J A,Laplante A R,et al.Effect of solid particles on gas holdup in flotation columns-II.Investigation of mechanisms of gas holdup reduction in presence of solids[J].1995,50(14):2335-2342.

[21] Ityokumbul M T,Salama A,Taweel A.Estimation of bubble size in flotation columns[J].Minerals Engineering,1995(8):77-89.

[22] Valkovska D S,Danov K D,Ivanov I B.Effect of surfactants on the stability of films between two colliding small bubbles[J].Physicochemical and Engineering Aspects,2000(175):179-192.

[23] Beneventi D,Allix J,Zeno E,et al.Influence of surfactant concentration on the ink removal selectivity in a laboratory flotation column[J].International Journal of Mineral Processing,2008(3):134-140.

[24] Luo X,Lee D J,Lau R,et al.Maximum stable bubble size and gas holdup in high-pressure slurry bubble columns[J].International Journal of Mineral Processing,1999,45(4):665-680.

[25] 朱友益,張 強(qiáng),王化軍,等.LHJ浮選柱流體靜力學(xué)研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,1999(2):15-18.

[26] 程 瑜,宋永勝,李 賓.旋流噴射浮選柱氣含率影響因素研究[J].金屬礦山,2008(12):116-120.

[27] 岳雙凌,劉炯天,廖寅飛.工業(yè)浮選柱的氣含率測定及其影響因素研究[J].礦山機(jī)械,2012(2):80-84.

[28] 胡衛(wèi)新,劉炯天,李 振,等.旋流-靜態(tài)微泡浮選柱氣含率影響因素研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,39(4):617-621.

[29] 廖寅飛,桂夏輝,劉炯天,等.浮選柱氣含率影響因素及其回歸模型研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(3):108-111,124.