浮選流體動(dòng)力學(xué)大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)、裝備研究及其工程應(yīng)用

李海斌,譚志勇,管孝強(qiáng),周仕慶,李騰飛,王 超,張 煒

(1.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京,102209;2.昆明冶金研究院有限公司北京分公司,北京,102209;3.中鋁智能銅創(chuàng)科技(云南)有限公司,昆明,650051;4.云南銅業(yè)股份有限公司,昆明,650051)

浮選占據(jù)選礦工業(yè)的核心地位已經(jīng)超過(guò)了100年,從20世紀(jì)初解決了硫化物的選別問(wèn)題至今,仍是選礦工業(yè)的最重要的工藝之一。多年來(lái),由于浮選技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展,其工業(yè)應(yīng)用發(fā)生了許多重大的變化。選礦工業(yè)界專家逐漸傾向于認(rèn)為,浮選設(shè)備的智能化將能夠更有力的改善選礦生產(chǎn)效能;選礦領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一,由此逐漸從浮選設(shè)備的“大型化”向浮選設(shè)備更具“智能化”偏移[1-3]。近年來(lái),將世界上先進(jìn)的浮選理論基礎(chǔ)研究引入,以及推動(dòng)選礦工業(yè)的數(shù)字化和智能化,成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)科技攻關(guān)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向。隨著計(jì)算機(jī)性能的加速迭代和算法時(shí)代的到來(lái),在浮選領(lǐng)域智能化的諸多研究方向中,一條新的主線逐步受到重視,即通過(guò)研發(fā)和創(chuàng)建新一代浮選領(lǐng)域傳感器技術(shù),實(shí)時(shí)抓取和測(cè)量浮選流體動(dòng)力學(xué)核心信息以及變量,以便于優(yōu)化選礦流程運(yùn)行策略,推動(dòng)浮選效能提升至一個(gè)新高度。

近十年來(lái),國(guó)際上一些大的浮選裝備公司,例如芬蘭Outotec、美國(guó)Flottec、Metso、Wemco等公司都在進(jìn)行浮選傳感器技術(shù)的研究,但他們的研究相對(duì)局限在泡沫表層的照相系統(tǒng)和圖像收集研究的初、中級(jí)階段[4-6]。澳大利亞JKMRC研究院與加拿大McGill大學(xué)于上世紀(jì)90年代率先就氣體擴(kuò)散與浮選流體動(dòng)力學(xué)展開(kāi)了全方位的研究,將氣泡表面積通量(Sb,s-1)與浮選動(dòng)力學(xué)常數(shù)(k,s-1)鏈接起來(lái),從而圍繞氣泡尺寸、氣體速率與選礦回收率建立了經(jīng)典量化模型,并成功運(yùn)用該成果打造了第一代浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器裝置[7-8]。國(guó)內(nèi)在浮選流體動(dòng)力學(xué)方面研究起步較晚,研究力度有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

第一代浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器裝置主要關(guān)注浮選流程中表觀氣體速度、平均氣泡尺寸、氣泡表面積通量以及持氣率四個(gè)動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)[9]。其中:表觀氣體速度(Jg,cm/s)表示每單位時(shí)間內(nèi);以浮選設(shè)備單位橫截面積 (Acell,m2)為計(jì)算基礎(chǔ),離開(kāi)礦漿的氣體體積流量(Qg,m3/s);平均氣泡尺寸(D32,mm)是氣泡尺寸分布(BSD)的量化指標(biāo),用于計(jì)算氣泡表面積通量(Sb);氣泡表面積通量是指每單位時(shí)間內(nèi),以浮選設(shè)備單位橫截面積為計(jì)算基礎(chǔ),其所包含的全部氣泡的總表面積。這些參數(shù)通過(guò)以下數(shù)學(xué)關(guān)系相互銜接:

(1)

(2)

(3)

持氣率(Eg)表示為分?jǐn)?shù)或%,也構(gòu)成一個(gè)氣體分散度量,并將浮選槽/柱內(nèi)氣體體積(Vg,m3)與浮選槽/柱的有效容積(Vcell,m3)聯(lián)系起來(lái):

(4)

k=PSbRf

(5)

式中:k為總浮選速率常數(shù)(礦漿和泡沫),P為擬浮出的礦物顆粒的可浮性參數(shù),Rf為泡沫相礦物顆粒的回收系數(shù)。

通過(guò)公式(3)觀察到Sb與D32成反比;結(jié)合公式(1)和(5),可見(jiàn)表觀氣體速度和金屬回收率與氣泡尺寸成反比,與氣體體積流量Qg成正比。因此,浮選性能的研究需要至少準(zhǔn)確測(cè)量Jg和D32兩個(gè)參數(shù),以便計(jì)算Sb[10]。

包含表面氣體速度Jg、平均氣泡尺寸D32、氣泡表面積通量Sb與持氣率Eg在內(nèi)的浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性可參考圖1。

圖1 浮選參數(shù)關(guān)聯(lián)

圖2 選廠大型浮選設(shè)備中架設(shè)新一代傳感器智能系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)量的剖面全景

1 新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器裝備研發(fā)概況

盡管加拿大McGill大學(xué)和澳大利亞JKMRC研究院團(tuán)隊(duì)均基于流體動(dòng)力學(xué)和表面化學(xué)的理論突破,已完成第一代測(cè)量傳感器的研發(fā)[11],但受限于傳感器設(shè)備的單一性,流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)浮選效能的量化影響、浮選藥劑鍵能與氣泡載體之間的協(xié)同效應(yīng)、浮選速率常數(shù)與金屬回收率之間的量化關(guān)系等還無(wú)法通過(guò)成熟技術(shù)及配套設(shè)備予以精準(zhǔn)定義和測(cè)量[12]。近兩年以來(lái),通過(guò)引進(jìn)吸收McGill大學(xué)浮選流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研發(fā)成果,中鋁科學(xué)技術(shù)研究院先進(jìn)選礦團(tuán)隊(duì)強(qiáng)化對(duì)浮選設(shè)備性能指標(biāo)以及浮選工藝大數(shù)據(jù)的收集與研究,初步搭建了一整套浮選流體動(dòng)力學(xué)大數(shù)據(jù)高端裝備的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)和軟硬件產(chǎn)品,并取得了工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。在第一代單體傳感器的基礎(chǔ)上,新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)智能傳感器系統(tǒng)主要由三套各自獨(dú)立的專用儀器設(shè)備組成,同時(shí)新的設(shè)計(jì)也改善了傳感器的物理結(jié)構(gòu)與軟件配套,可實(shí)現(xiàn)Jg、D32和Eg等不同流體動(dòng)力學(xué)物理參數(shù)的獨(dú)立測(cè)量及數(shù)據(jù)的自動(dòng)交互比對(duì),具體包括。

1)氣泡觀察艙:以礦漿氣泡直接成像技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)監(jiān)測(cè)礦漿平均氣泡尺寸,通過(guò)與回收率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)類大數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成指導(dǎo)氣泡分布、給氣率及起泡劑用量等現(xiàn)場(chǎng)操作參數(shù)的優(yōu)化方案,從而提升浮選效能。

2)持氣率儀:持氣率作為浮選設(shè)備運(yùn)行時(shí)映射氣泡狀態(tài)的最直觀的浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)之一,儀器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)電導(dǎo)率,對(duì)礦漿持氣率進(jìn)行趨勢(shì)分析,形成最優(yōu)操作策略。

3)氣速儀:以壓差為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮選設(shè)備的實(shí)際表面氣速以及礦漿密度,對(duì)浮選設(shè)備的工作狀態(tài)做出診斷;關(guān)聯(lián)DCS中控對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)表面氣速最優(yōu)水平。

4)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫(kù):根據(jù)新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和選廠具體工況條件的階段性監(jiān)測(cè)與分析,自動(dòng)形成最優(yōu)選礦生產(chǎn)指標(biāo)調(diào)整方案,并下達(dá)操作指令。

新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)智能傳感器系統(tǒng)通過(guò)精準(zhǔn)定義和測(cè)量浮選機(jī)/柱的氣泡尺寸、充氣速率、氣體滯留量等氣體擴(kuò)散關(guān)鍵參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)浮選實(shí)際生產(chǎn)流程中固、液、氣三相流的即時(shí)狀態(tài)的表征分析,分析結(jié)果直接用于浮選藥劑化學(xué)特征、用量、鼓風(fēng)量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)、信息的優(yōu)化指導(dǎo)。半工業(yè)化實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示,能夠?qū)崿F(xiàn)不同礦山條件下精礦品位和金屬回收率的雙向有效提升[13]。該技術(shù)成果擁有較為成熟的技術(shù)論證,有著大量的學(xué)術(shù)基礎(chǔ),隨著工業(yè)4.0與物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展,該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),就選礦廠實(shí)時(shí)工況情況提出優(yōu)化方案并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作指令的下達(dá),進(jìn)一步提升了礦山選廠自動(dòng)化、智能化水平,選礦效能得到有效激發(fā)。實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)的核心路徑在于將浮選流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究準(zhǔn)確應(yīng)用于實(shí)踐中,過(guò)程中通過(guò)提取工業(yè)化數(shù)據(jù)進(jìn)而打造選礦物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2 浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器裝備的工程化實(shí)踐

新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器系統(tǒng)通過(guò)逐步完善,以氣泡尺寸和其概率分布的實(shí)時(shí)測(cè)量,表面氣速、持氣率的持續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)為核心的測(cè)試技術(shù)手段,以及測(cè)試-賦值-解析-優(yōu)化方案等各節(jié)點(diǎn)組成的一整套傳感器系統(tǒng)實(shí)地應(yīng)用模式已日趨成熟,并在工業(yè)化驗(yàn)證階段取得較優(yōu)成果。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有色金屬礦山選礦領(lǐng)域普遍面臨資源品位下降、資源成分復(fù)雜、嵌布粒度過(guò)細(xì)等技術(shù)性難題。目前,國(guó)際范圍內(nèi)對(duì)于處理技術(shù)性難題和提升選礦效能,一般采用設(shè)備大型化、礦粒細(xì)磨、藥劑更迭等常規(guī)思路辦法,效果有限。中鋁科學(xué)技術(shù)研究院先進(jìn)選礦團(tuán)隊(duì)在引入世界上先進(jìn)的浮選理論研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)大技術(shù)優(yōu)勢(shì),以流體動(dòng)力學(xué)智能傳感器系統(tǒng)的研發(fā)為獨(dú)特視角切入,實(shí)現(xiàn)選礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的最優(yōu)解。以普朗銅礦為例,通過(guò)引入新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)智能傳感器系統(tǒng)作為測(cè)試工具,在兩周時(shí)間內(nèi)通過(guò)連續(xù)測(cè)量和大數(shù)據(jù)交互比對(duì)分析,搭建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?提出最優(yōu)化方案以精確指導(dǎo)不同環(huán)境下操作參數(shù)的選取,從而改變以往的以經(jīng)驗(yàn)和假說(shuō)為基礎(chǔ)的人工操作模式,實(shí)現(xiàn)了礦物回收率和品位的優(yōu)化效果,同時(shí)降低了人工和時(shí)間成本,選礦廠由此每月得到增收370萬(wàn)元。

3 結(jié) 語(yǔ)

新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器系統(tǒng)采用針對(duì)固液氣三相流的新型復(fù)合傳感器技術(shù),多維度測(cè)量浮選設(shè)備參數(shù)和浮選回路參數(shù),通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析,形成優(yōu)化方案并生成自動(dòng)化操作指令,最終實(shí)現(xiàn)選礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)化提升效果。系統(tǒng)的成功應(yīng)用,可有效提高礦山效益、降低生產(chǎn)成本。例如,根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn),該系統(tǒng)的成功投運(yùn)預(yù)計(jì)可提升礦山金屬回收率1%～5%,提高精礦品位 0.5%～3%。降低浮選成本5%～10%,降低選礦人工成本20%～40%。

該項(xiàng)目涉及技術(shù)和產(chǎn)品可成功填補(bǔ)國(guó)內(nèi)礦業(yè)領(lǐng)域此類設(shè)備研發(fā)的技術(shù)空白,為該行業(yè)工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件。