喷射-搅拌耦合式煤泥浮选装置研究

0 引 言

煤泥浮选设备是处理微细粒矿物分离的常用设备,一般包括“搅拌—充气—循环—分选”4个过程。其中浮选设备的吸气性能对浮选结果有直接影响[1-3]。现阶段浮选设备主要有搅拌吸气与喷射吸气2种方式。其中,搅拌吸气具有吸气量稳定、气泡粒径大小分布稳定等特点[4-5];喷射吸气具有耗能低、气泡粒径小、吸气量大等优点[6]。机械搅拌式浮选机由搅拌机构提供稳定的流场,气泡大小分布均匀。浮选柱采用浆气对流混合方式进行矿化,形成的矿化区大且气泡分散度高,对微细粒煤分选效果明显[7-8]。

传统搅拌吸气方式是在叶轮高速旋转作用下,将矿浆甩出伞形罩,在叶轮的扫掠范围内形成负压而达到吸气的目的[9];喷射吸气方式是经泵抽吸矿浆后经特制喷嘴高速喷出,经泵不间断工作抽吸矿浆以达到对气体的引射与持续压缩,空气流与矿浆流间存在速度差,在喷嘴附近形成低压区而吸入空气[10-11]。有学者研究发现搅拌吸气工作影响因素众多,易受到其自身叶轮形状、叶轮转速等参数影响且能耗高[12-13]。而喷射吸气方式除能满足浮选环境对吸气量及气泡粒径分布均匀的要求外,节能效果明显。江明东等[14]对长喉管与喷射式浮选机的浸没式充气搅拌装置进行对比试验,发现浸没式的吸气量和充气均匀系数优于长喉管式。Tademir等[15]利用试验验证与仿真模拟手段相结合的方式探究了喷射式浮选机的多喷嘴空气反应器的充气浮选机理,结果表明吸气量与喷嘴流量正相关。田野等[16]研究发现改进型射流气泡发生器的充气效果优于多孔板发生器的充气性能,并在发生器内部流场进行模拟后发现,改进型射流气泡发生器能够产生粒径小、分布稳定的气泡,且吸气量较大。Uçurum[17]研究发现气泡发生器的吸气量、气含率随压力增高而增大。与离心式吸气及其他吸气方式相比较,自吸式微泡发生器的充气效果明显,不仅充气量大且节能。射流技术能获得较理想的吸气效果,产生的气泡更小且稳定[18],表明射流吸气技术对开发新型大型化浮选装置具有优越性。

本文根据传统浮选机的工作方式结合水轮机的工作原理提出一种具备2种作用的喷射-搅拌驱动耦合式浮选装置,并以此为基础,开发出多型喷射-搅拌耦合式浮选成套设备。针对喷射-搅拌耦合式煤泥浮选装置的结构原理特点,搅拌作用与循环过程易于实现,因此主要分析该煤泥浮选设备其中一个工作过程,即自吸气性能的实现。有效利用喷嘴引射吸气和喷射驱动叶轮搅拌吸气作用[19],设计一种能够在较低能耗和转速下得到较大吸气量和均匀气液固三相流场,有利于气泡矿化的新型浮选机,以期对浮选过程起到提效、降耗作用。

1 喷射-搅拌自吸气煤泥浮选装置

Ⅰ型喷射-搅拌自吸气煤泥浮选装置结构如图1所示[20-21],结构包括固定在主轴上、等速旋转的驱动叶轮和搅拌叶轮;在主轴下部设置有静止不动内筒和外筒,内筒由密封轴承固定在主轴上;内筒上部设置有搅拌吸气管,入料槽的上部布置有耦合吸气管(A-A视图),矿浆入料喷嘴以中心对称的方式设置于入料槽两侧。

有压矿浆经入料槽上部的喷嘴高速喷出,并冲击到固定于主轴上部的驱动轮上,迫使驱动轮、主轴、搅拌轮同时旋转;上部入料槽内的矿浆及空气在驱动轮的高速转动下甩向入料槽内壁,致使在驱动轮周边形成低压区,从耦合吸气管中吸入空气;置于主轴下部的搅拌轮与驱动轮等速旋转,将底部矿浆排挤向周边区域,在锥形导流筒与搅拌轮之间再次形成二次负压区,空气由搅拌吸气管再次补加到矿浆中;由耦合吸气管吸入的空气在驱动轮的切割与矿浆冲击作用下,粉碎成小气泡,与矿浆进行初次混合;在矿浆自身重力与离心力的作用下,沿内、外筒之间的区域以螺旋运动方式向下流动;经搅拌吸气管吸入的空气在搅拌轮的剪切和分散作用下,弥散成细小气泡并与矿浆二次混合。为保证搅拌轮形成的低压区稳定,低压区内能吸入稳定量的空气而不被下方的矿浆及时填充,在搅拌轮底部设置封底板,阻止搅拌轮旋转时从搅拌轮下方向叶轮区域吸入矿浆。装置放在浮选槽内,浮选槽底部设有假底。在喷嘴处添加药剂,喷嘴射出高速矿浆,将药剂弥散成微粒,药剂微粒随矿浆的运动、叶轮搅拌作用充分与矿浆接触促使气泡矿化,矿化气泡在浮选槽内富集、上升后被刮出浮选槽,尾矿经循环泵抽吸循环。

喷射-搅拌耦合式煤泥浮选装置兼具喷射、搅拌作用,在入料槽内对矿浆进行预处理和多重吸气,提高气泡矿化效率和浮选效率。

2 环空射流吸气-搅拌耦合式浮选装置

Ⅱ型环空射流吸气-搅拌耦合式煤泥浮选装置结构如图2所示[22-25],其结构与图1相似,但工作原理不同。本结构包括沿中心对称布置在入料槽上的喷嘴(B-B视图)。固定在主轴上且等速旋转的驱动轮和搅拌轮,入料槽下部布置有静止不动的出料筒与锥形筒;上端安装有密封轴承固定主轴。

喷嘴结构示意如图3所示。喷嘴结构包括引射管、喷嘴及设置在喷嘴上的吸气管。引射管中连续不断喷射出高速矿浆,抽吸并压缩空气,在喷嘴内的吸气区形成负压,由吸气管吸入空气;空气流与矿浆在混合区预混合后,从喷嘴喷出,并在喷嘴出口处将空气流粉碎成微细气泡。喷嘴采用能量损失系数最小的余弦型喷头[12],引射管采用直流管。该喷嘴设计对流体的能量损耗最低,能最大限度将矿浆动能转化为驱动轮的旋转动能。

有压矿浆与空气经喷嘴一次混合后冲击到主轴上的驱动轮。迫使驱动轮高速旋转,高速旋转的驱动轮将空气流再次切割、粉碎成为微小气泡;在矿浆自身重力与离心力的作用下,矿浆呈螺旋方式沿出料筒内壁向下运动;与驱动轮等速旋转的搅拌轮对矿浆和溶解在矿浆中的空气进行搅拌混合,提高矿化效率。整体装置放置在浮选槽内,在喷嘴吸气管处根据矿浆流量不同定量添加雾化药剂。矿化气泡富集上升至浮选槽上部被刮出,尾矿经底部循环泵抽吸循环。

Ⅰ型、Ⅱ型浮选装置的吸气、驱动机构及射流喷嘴设计直接影响浮选搅拌和矿化效果,从而影响分选效率。喷嘴的工况参数(如入流压强、气液比等)较易实现,而结构参数(如截面比、管嘴距等)的调控则需要合理的机械设计。为便于调整管嘴距和截面比,引射管与喷嘴圆筒体处均采用螺纹啮合连接,能够根据不同工况调整引射管出口与喷嘴出口的距离;喷嘴采用能量损失系数较小的余弦喷嘴,喷嘴入口端设计成外螺纹与圆筒体仓壁设置的内螺纹进行螺纹啮合连接,便于更换不同截面大小的喷嘴。

喷嘴与叶轮的配合包括两者的距离、数量、角度,直接影响冲击能量转化效率及叶轮的搅拌效果。喷嘴的中心轴线与叶轮叶片所在面垂直。喷头个数设置为偶数,叶片个数设置为奇数,防止喷射到叶片上的水流出现峰值震荡造成叶轮转速不稳定。同时喷嘴与叶片的距离根据射流的核心水速衰减距离设定,射流冲击叶片的距离尽可能在核心水速未改变的范围内,从而保证水射流能量得到最大利用。

3 装置结构及原理特点分析

3.1 对矿浆矿化作用

有压矿浆从环空喷嘴高速喷出,在吸气区形成负压,高速矿浆流对空气流的抽吸与撕裂作用,使得矿浆与空气在混合区形成一次混合。经喷嘴出口时,加剧了矿浆与空气微团的互动频率与接触面积。高速矿浆冲击到驱动轮上,矿浆呈散射状射向入料槽四壁,提升矿粒与空气的接触度。高速矿浆迫使驱动轮旋转,入料槽采用密封轴承封闭,矿浆流进入料槽,压缩入料槽空间,使上部压力增大。研究发现压强预处理有利于提升矿浆矿化效果[26],从而提升矿浆的二次矿化作用。矿浆流与空气流因自重及离心力作用,沿出料筒内壁呈螺旋状运动方式向下流动,出料筒内壁对矿浆层流的剪切力,三次提升矿化作用。矿浆流入浮选槽底部时,与驱动轮等速旋转的搅拌轮对矿浆进行搅拌,防止矿浆淤积在浮选槽底部,调整浮选槽底部矿浆的湍流度,使浮选环境动态稳定,更有利于矿化过程进行,实现四次矿化作用。

3.2 对气泡的作用

高速矿浆流从引射管射出,持续不断带走矿浆流周边的空气,矿浆流与空气流的速度差越大,形成的负压区内负压值绝对值越大,空气吸入量越高。环空喷嘴内形成负压吸入的空气流被矿浆流剪切撕裂成空气微团,在混合区内与矿浆初次混合。空气微团被矿浆流拉伸成长条形,被矿浆流携带经环空喷嘴喷出,再次粉碎成低量级尺度的气泡。矿浆流携带的气泡冲击到驱动轮,被驱动轮边缘切割成大量尺度低的微泡。搅拌轮的搅拌作用再次增大了气泡的分散度,增加与矿粒的接触面积,有利于矿化过程进行。

3.3 对浮选流场的均匀作用

装置底部的搅拌轮与浮选槽底部的假底协同工作,矿浆流入浮选槽底部时,搅拌轮对矿浆进行搅拌,防止矿浆淤积在浮选槽底部无法浮选造成精煤流失。调整浮选槽底部矿浆流的湍流度,增加矿粒与气泡在浮选槽底部的均匀性,使浮选流场为低湍流度、高选择性,浮选环境处于动态稳定,更有利于矿化过程进行。

4 结 论

1)利用喷射流冲击叶轮旋转吸气的方法,设计了喷射-搅拌耦合式煤泥浮选装置,不仅兼具喷射和搅拌2种作用方式,还对矿浆起到预先混合作用。

2)利用喷嘴引射吸气方式进行供气,同时有效利用引射流所携带的动能喷射驱动轮旋转搅拌,提高能量利用效率,减少了能量损失。喷嘴对气泡的撕裂和分散作用与叶轮对气泡的剪切切割作用,提高了气泡粒径分散效率,叶轮搅拌形成的稳定三相流场,为气泡矿化提供了良好环境。

3)喷嘴的工作参数(如入料压力、气液比)和结构参数(如喷嘴距、截面比等)的调控设计是影响浮选装置工作效果的关键因素。后期需要研究喷嘴的工作(结构)参数对气泡粒径分布、气泡矿化及浮选效果的影响。

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