朱金波韓有理費(fèi)之奎王 超周 偉朱宏政王海楠張 勇馮岸岸
(安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽淮南 232001)
煤泥浮選設(shè)備是處理微細(xì)粒礦物分離的常用設(shè)備,一般包括“攪拌—充氣—循環(huán)—分選”4個(gè)過程。其中浮選設(shè)備的吸氣性能對(duì)浮選結(jié)果有直接影響[1-3]。現(xiàn)階段浮選設(shè)備主要有攪拌吸氣與噴射吸氣2種方式。其中,攪拌吸氣具有吸氣量穩(wěn)定、氣泡粒徑大小分布穩(wěn)定等特點(diǎn)[4-5];噴射吸氣具有耗能低、氣泡粒徑小、吸氣量大等優(yōu)點(diǎn)[6]。機(jī)械攪拌式浮選機(jī)由攪拌機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的流場(chǎng),氣泡大小分布均勻。浮選柱采用漿氣對(duì)流混合方式進(jìn)行礦化,形成的礦化區(qū)大且氣泡分散度高,對(duì)微細(xì)粒煤分選效果明顯[7-8]。
傳統(tǒng)攪拌吸氣方式是在葉輪高速旋轉(zhuǎn)作用下,將礦漿甩出傘形罩,在葉輪的掃掠范圍內(nèi)形成負(fù)壓而達(dá)到吸氣的目的[9];噴射吸氣方式是經(jīng)泵抽吸礦漿后經(jīng)特制噴嘴高速噴出,經(jīng)泵不間斷工作抽吸礦漿以達(dá)到對(duì)氣體的引射與持續(xù)壓縮,空氣流與礦漿流間存在速度差,在噴嘴附近形成低壓區(qū)而吸入空氣[10-11]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)攪拌吸氣工作影響因素眾多,易受到其自身葉輪形狀、葉輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)影響且能耗高[12-13]。而噴射吸氣方式除能滿足浮選環(huán)境對(duì)吸氣量及氣泡粒徑分布均勻的要求外,節(jié)能效果明顯。江明東等[14]對(duì)長(zhǎng)喉管與噴射式浮選機(jī)的浸沒式充氣攪拌裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)浸沒式的吸氣量和充氣均勻系數(shù)優(yōu)于長(zhǎng)喉管式。Tademir等[15]利用試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真模擬手段相結(jié)合的方式探究了噴射式浮選機(jī)的多噴嘴空氣反應(yīng)器的充氣浮選機(jī)理,結(jié)果表明吸氣量與噴嘴流量正相關(guān)。田野等[16]研究發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型射流氣泡發(fā)生器的充氣效果優(yōu)于多孔板發(fā)生器的充氣性能,并在發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬后發(fā)現(xiàn),改進(jìn)型射流氣泡發(fā)生器能夠產(chǎn)生粒徑小、分布穩(wěn)定的氣泡,且吸氣量較大。U?urum[17]研究發(fā)現(xiàn)氣泡發(fā)生器的吸氣量、氣含率隨壓力增高而增大。與離心式吸氣及其他吸氣方式相比較,自吸式微泡發(fā)生器的充氣效果明顯,不僅充氣量大且節(jié)能。射流技術(shù)能獲得較理想的吸氣效果,產(chǎn)生的氣泡更小且穩(wěn)定[18],表明射流吸氣技術(shù)對(duì)開發(fā)新型大型化浮選裝置具有優(yōu)越性。
本文根據(jù)傳統(tǒng)浮選機(jī)的工作方式結(jié)合水輪機(jī)的工作原理提出一種具備2種作用的噴射-攪拌驅(qū)動(dòng)耦合式浮選裝置,并以此為基礎(chǔ),開發(fā)出多型噴射-攪拌耦合式浮選成套設(shè)備。針對(duì)噴射-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的結(jié)構(gòu)原理特點(diǎn),攪拌作用與循環(huán)過程易于實(shí)現(xiàn),因此主要分析該煤泥浮選設(shè)備其中一個(gè)工作過程,即自吸氣性能的實(shí)現(xiàn)。有效利用噴嘴引射吸氣和噴射驅(qū)動(dòng)葉輪攪拌吸氣作用[19],設(shè)計(jì)一種能夠在較低能耗和轉(zhuǎn)速下得到較大吸氣量和均勻氣液固三相流場(chǎng),有利于氣泡礦化的新型浮選機(jī),以期對(duì)浮選過程起到提效、降耗作用。
Ⅰ型噴射-攪拌自吸氣煤泥浮選裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示[20-21],結(jié)構(gòu)包括固定在主軸上、等速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)葉輪和攪拌葉輪;在主軸下部設(shè)置有靜止不動(dòng)內(nèi)筒和外筒,內(nèi)筒由密封軸承固定在主軸上;內(nèi)筒上部設(shè)置有攪拌吸氣管,入料槽的上部布置有耦合吸氣管(A-A視圖),礦漿入料噴嘴以中心對(duì)稱的方式設(shè)置于入料槽兩側(cè)。
圖1 Ⅰ型噴射-攪拌自吸氣煤泥浮選裝置結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物Fig.1 Structural schematic ofⅠtype jet-stirring self-airsuction coal slime flotation device and real product
有壓礦漿經(jīng)入料槽上部的噴嘴高速噴出,并沖擊到固定于主軸上部的驅(qū)動(dòng)輪上,迫使驅(qū)動(dòng)輪、主軸、攪拌輪同時(shí)旋轉(zhuǎn);上部入料槽內(nèi)的礦漿及空氣在驅(qū)動(dòng)輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下甩向入料槽內(nèi)壁,致使在驅(qū)動(dòng)輪周邊形成低壓區(qū),從耦合吸氣管中吸入空氣;置于主軸下部的攪拌輪與驅(qū)動(dòng)輪等速旋轉(zhuǎn),將底部礦漿排擠向周邊區(qū)域,在錐形導(dǎo)流筒與攪拌輪之間再次形成二次負(fù)壓區(qū),空氣由攪拌吸氣管再次補(bǔ)加到礦漿中;由耦合吸氣管吸入的空氣在驅(qū)動(dòng)輪的切割與礦漿沖擊作用下,粉碎成小氣泡,與礦漿進(jìn)行初次混合;在礦漿自身重力與離心力的作用下,沿內(nèi)、外筒之間的區(qū)域以螺旋運(yùn)動(dòng)方式向下流動(dòng);經(jīng)攪拌吸氣管吸入的空氣在攪拌輪的剪切和分散作用下,彌散成細(xì)小氣泡并與礦漿二次混合。為保證攪拌輪形成的低壓區(qū)穩(wěn)定,低壓區(qū)內(nèi)能吸入穩(wěn)定量的空氣而不被下方的礦漿及時(shí)填充,在攪拌輪底部設(shè)置封底板,阻止攪拌輪旋轉(zhuǎn)時(shí)從攪拌輪下方向葉輪區(qū)域吸入礦漿。裝置放在浮選槽內(nèi),浮選槽底部設(shè)有假底。在噴嘴處添加藥劑,噴嘴射出高速礦漿,將藥劑彌散成微粒,藥劑微粒隨礦漿的運(yùn)動(dòng)、葉輪攪拌作用充分與礦漿接觸促使氣泡礦化,礦化氣泡在浮選槽內(nèi)富集、上升后被刮出浮選槽,尾礦經(jīng)循環(huán)泵抽吸循環(huán)。
噴射-攪拌耦合式煤泥浮選裝置兼具噴射、攪拌作用,在入料槽內(nèi)對(duì)礦漿進(jìn)行預(yù)處理和多重吸氣,提高氣泡礦化效率和浮選效率。
Ⅱ型環(huán)空射流吸氣-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示[22-25],其結(jié)構(gòu)與圖1相似,但工作原理不同。本結(jié)構(gòu)包括沿中心對(duì)稱布置在入料槽上的噴嘴(B-B視圖)。固定在主軸上且等速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪和攪拌輪,入料槽下部布置有靜止不動(dòng)的出料筒與錐形筒;上端安裝有密封軸承固定主軸。
圖2 Ⅱ型環(huán)空射流吸氣-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物Fig.2 Structural schematic ofⅡ type annular jet suctionagitation coal slime flotation device and real product
噴嘴結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。噴嘴結(jié)構(gòu)包括引射管、噴嘴及設(shè)置在噴嘴上的吸氣管。引射管中連續(xù)不斷噴射出高速礦漿,抽吸并壓縮空氣,在噴嘴內(nèi)的吸氣區(qū)形成負(fù)壓,由吸氣管吸入空氣;空氣流與礦漿在混合區(qū)預(yù)混合后,從噴嘴噴出,并在噴嘴出口處將空氣流粉碎成微細(xì)氣泡。噴嘴采用能量損失系數(shù)最小的余弦型噴頭[12],引射管采用直流管。該噴嘴設(shè)計(jì)對(duì)流體的能量損耗最低,能最大限度將礦漿動(dòng)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。
圖3 環(huán)空噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural schematic of annular nozzle
有壓礦漿與空氣經(jīng)噴嘴一次混合后沖擊到主軸上的驅(qū)動(dòng)輪。迫使驅(qū)動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn),高速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪將空氣流再次切割、粉碎成為微小氣泡;在礦漿自身重力與離心力的作用下,礦漿呈螺旋方式沿出料筒內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng);與驅(qū)動(dòng)輪等速旋轉(zhuǎn)的攪拌輪對(duì)礦漿和溶解在礦漿中的空氣進(jìn)行攪拌混合,提高礦化效率。整體裝置放置在浮選槽內(nèi),在噴嘴吸氣管處根據(jù)礦漿流量不同定量添加霧化藥劑。礦化氣泡富集上升至浮選槽上部被刮出,尾礦經(jīng)底部循環(huán)泵抽吸循環(huán)。
Ⅰ型、Ⅱ型浮選裝置的吸氣、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及射流噴嘴設(shè)計(jì)直接影響浮選攪拌和礦化效果,從而影響分選效率。噴嘴的工況參數(shù)(如入流壓強(qiáng)、氣液比等)較易實(shí)現(xiàn),而結(jié)構(gòu)參數(shù)(如截面比、管嘴距等)的調(diào)控則需要合理的機(jī)械設(shè)計(jì)。為便于調(diào)整管嘴距和截面比,引射管與噴嘴圓筒體處均采用螺紋嚙合連接,能夠根據(jù)不同工況調(diào)整引射管出口與噴嘴出口的距離;噴嘴采用能量損失系數(shù)較小的余弦噴嘴,噴嘴入口端設(shè)計(jì)成外螺紋與圓筒體倉壁設(shè)置的內(nèi)螺紋進(jìn)行螺紋嚙合連接,便于更換不同截面大小的噴嘴。
噴嘴與葉輪的配合包括兩者的距離、數(shù)量、角度,直接影響沖擊能量轉(zhuǎn)化效率及葉輪的攪拌效果。噴嘴的中心軸線與葉輪葉片所在面垂直。噴頭個(gè)數(shù)設(shè)置為偶數(shù),葉片個(gè)數(shù)設(shè)置為奇數(shù),防止噴射到葉片上的水流出現(xiàn)峰值震蕩造成葉輪轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。同時(shí)噴嘴與葉片的距離根據(jù)射流的核心水速衰減距離設(shè)定,射流沖擊葉片的距離盡可能在核心水速未改變的范圍內(nèi),從而保證水射流能量得到最大利用。
有壓礦漿從環(huán)空噴嘴高速噴出,在吸氣區(qū)形成負(fù)壓,高速礦漿流對(duì)空氣流的抽吸與撕裂作用,使得礦漿與空氣在混合區(qū)形成一次混合。經(jīng)噴嘴出口時(shí),加劇了礦漿與空氣微團(tuán)的互動(dòng)頻率與接觸面積。高速礦漿沖擊到驅(qū)動(dòng)輪上,礦漿呈散射狀射向入料槽四壁,提升礦粒與空氣的接觸度。高速礦漿迫使驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn),入料槽采用密封軸承封閉,礦漿流進(jìn)入料槽,壓縮入料槽空間,使上部壓力增大。研究發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)預(yù)處理有利于提升礦漿礦化效果[26],從而提升礦漿的二次礦化作用。礦漿流與空氣流因自重及離心力作用,沿出料筒內(nèi)壁呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)方式向下流動(dòng),出料筒內(nèi)壁對(duì)礦漿層流的剪切力,三次提升礦化作用。礦漿流入浮選槽底部時(shí),與驅(qū)動(dòng)輪等速旋轉(zhuǎn)的攪拌輪對(duì)礦漿進(jìn)行攪拌,防止礦漿淤積在浮選槽底部,調(diào)整浮選槽底部礦漿的湍流度,使浮選環(huán)境動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,更有利于礦化過程進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)四次礦化作用。
高速礦漿流從引射管射出,持續(xù)不斷帶走礦漿流周邊的空氣,礦漿流與空氣流的速度差越大,形成的負(fù)壓區(qū)內(nèi)負(fù)壓值絕對(duì)值越大,空氣吸入量越高。環(huán)空噴嘴內(nèi)形成負(fù)壓吸入的空氣流被礦漿流剪切撕裂成空氣微團(tuán),在混合區(qū)內(nèi)與礦漿初次混合??諝馕F(tuán)被礦漿流拉伸成長(zhǎng)條形,被礦漿流攜帶經(jīng)環(huán)空噴嘴噴出,再次粉碎成低量級(jí)尺度的氣泡。礦漿流攜帶的氣泡沖擊到驅(qū)動(dòng)輪,被驅(qū)動(dòng)輪邊緣切割成大量尺度低的微泡。攪拌輪的攪拌作用再次增大了氣泡的分散度,增加與礦粒的接觸面積,有利于礦化過程進(jìn)行。
裝置底部的攪拌輪與浮選槽底部的假底協(xié)同工作,礦漿流入浮選槽底部時(shí),攪拌輪對(duì)礦漿進(jìn)行攪拌,防止礦漿淤積在浮選槽底部無法浮選造成精煤流失。調(diào)整浮選槽底部礦漿流的湍流度,增加礦粒與氣泡在浮選槽底部的均勻性,使浮選流場(chǎng)為低湍流度、高選擇性,浮選環(huán)境處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,更有利于礦化過程進(jìn)行。
1)利用噴射流沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)吸氣的方法,設(shè)計(jì)了噴射-攪拌耦合式煤泥浮選裝置,不僅兼具噴射和攪拌2種作用方式,還對(duì)礦漿起到預(yù)先混合作用。
2)利用噴嘴引射吸氣方式進(jìn)行供氣,同時(shí)有效利用引射流所攜帶的動(dòng)能噴射驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)攪拌,提高能量利用效率,減少了能量損失。噴嘴對(duì)氣泡的撕裂和分散作用與葉輪對(duì)氣泡的剪切切割作用,提高了氣泡粒徑分散效率,葉輪攪拌形成的穩(wěn)定三相流場(chǎng),為氣泡礦化提供了良好環(huán)境。
3)噴嘴的工作參數(shù)(如入料壓力、氣液比)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(如噴嘴距、截面比等)的調(diào)控設(shè)計(jì)是影響浮選裝置工作效果的關(guān)鍵因素。后期需要研究噴嘴的工作(結(jié)構(gòu))參數(shù)對(duì)氣泡粒徑分布、氣泡礦化及浮選效果的影響。
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