旋風(fēng)充氣式和氣泡充氣式旋流器分離性能研究

張宏杰 楊興華 劉培坤 姜蘭越 李曉宇

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,山東 青島 266590)

水力旋流器在礦物加工作業(yè)中發(fā)揮著重要作用,例如在浮選作業(yè)前使用水力旋流器對(duì)物料進(jìn)行分級(jí),旋流器直接將細(xì)粒級(jí)顆粒從溢流拋出,有利于減少浮選成本[1-4]。但生產(chǎn)實(shí)踐表明,旋流分離過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)底流夾細(xì)現(xiàn)象,由于細(xì)粒級(jí)顆粒具有質(zhì)量小、比表面積大、表面活性高等特點(diǎn),底流夾細(xì)不僅影響顆粒的分級(jí)效率,而且導(dǎo)致浮選藥劑消耗量增加,生產(chǎn)成本增高[5-7]。

許多學(xué)者為了改變底流夾細(xì)的現(xiàn)象對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)做了一些改進(jìn),劉培坤[8]提出拋物線型旋流器可以延長(zhǎng)流體在旋流器內(nèi)部的停留時(shí)間,底流中-5 μm顆粒含量比常規(guī)旋流器減少26.48%。韓文閣[9]在旋流器柱段做注水試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),分級(jí)效率隨著沖水壓力的增大呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),當(dāng)沖水壓力為0.02 MPa時(shí)細(xì)粒正配效率達(dá)到最高,在沖水壓力為0.015 MPa時(shí)粗粒正配效率達(dá)到最高。汪威[10]在沖洗水基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了充氣旋流器并進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)過(guò)多組正交試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),隨著進(jìn)氣量的增加,精煤產(chǎn)率不斷提高,底流夾細(xì)現(xiàn)象在一定程度上得到改善。在前人的研究基礎(chǔ)上,可以推斷出,充氣結(jié)構(gòu)形式也會(huì)對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定及分離性能有很大影響,但目前關(guān)于這方面的研究仍較少。

考慮到對(duì)稱的充氣口結(jié)構(gòu)能夠提高流場(chǎng)穩(wěn)定性,有利于顆粒分離,本文提出將單入口充氣式更改為旋風(fēng)充氣式和氣泡充氣式,并對(duì)兩種充氣式旋流器和常規(guī)旋流器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 充氣式旋流器結(jié)構(gòu)

充氣式水力旋流器由常規(guī)旋流器改造而成[11]。常規(guī)水力旋流器通過(guò)強(qiáng)化離心場(chǎng)可加速分離過(guò)程,卻因存在底流夾細(xì)現(xiàn)象而降低了分離效率。這是由于旋流器在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中,外旋流中的大顆粒及重顆粒會(huì)在離心力的作用下遷移到旋流器壁面,最后從底流口流出,細(xì)而輕的細(xì)泥顆粒受到的離心力小,因此隨內(nèi)旋流由溢流口排出,形成溢流產(chǎn)物[12-15]。分離過(guò)程中粒度越小的物料,分選效果越差。大顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的尾流會(huì)將細(xì)小顆粒一起帶入外旋流,造成底流夾細(xì),因此會(huì)降低分離精度。充氣式旋流器能夠?qū)⑼庑髦械募?xì)顆粒吹進(jìn)內(nèi)旋流再次進(jìn)行二次分選,進(jìn)而起到降低底流夾細(xì)的目的,從而提高細(xì)顆粒的分離精度。

筆者提出的充氣式旋流器與現(xiàn)有充氣式旋流器的不同之處是:旋風(fēng)充氣式旋流器中充入的空氣沿切向均勻進(jìn)入旋流器,旨在增加流場(chǎng)強(qiáng)度,全方位改善內(nèi)部流場(chǎng),并且不會(huì)擾亂空氣柱;氣泡充氣式旋流器與普通充氣式旋流器的不同之處在于空氣沿徑向進(jìn)入旋流器,旨在確保細(xì)顆粒全方位受力,強(qiáng)化細(xì)顆粒的分離。

充氣式旋流器與常規(guī)旋流器的區(qū)別是:將常規(guī)旋流器的部分柱段改裝成充氣法蘭,旋風(fēng)充氣式旋流器柱段法蘭示意圖和俯視圖如圖1所示,氣泡充氣式旋流器柱段法蘭示意圖和俯視圖如圖2所示,空氣由空氣壓縮機(jī)輸入通氣管,進(jìn)入空氣室,最后分別從進(jìn)氣口和進(jìn)氣孔進(jìn)入旋流器。其中,旋風(fēng)充氣式旋流器采用切入式,氣泡充氣式旋流器采用徑向式。

圖1 旋風(fēng)充氣式旋流器柱段法蘭Fig.1 Column flange of cyclone inflatable cyclone

圖2 氣泡充氣式旋流器柱段法蘭Fig.2 Column flange of pneumatic bubble cyclone

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)物料選取石英砂,其粒度分布如表1所示,其中-20μm顆粒含量為28.09%,-10μm顆粒含量為16.65%,d50=39.77μm。試驗(yàn)中物料質(zhì)量濃度選取5%。

表1 石英砂物料粒度分布Table 1 Grain size distribution of quartz sand materials

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)所選物料的粒度分布,選用φ75 mm旋流器進(jìn)行試驗(yàn),常規(guī)旋流器的主要參數(shù)如表2所示。旋風(fēng)充氣式和氣泡充氣式旋流器柱段法蘭主要參數(shù)如表3、表4所示。

表2 常規(guī)旋流器主要參數(shù)Table 2 Main parameters of conventional hydrocyclone

表3 旋風(fēng)充氣式旋流器柱段法蘭參數(shù)Table 3 Cyclone inflatable hydrocyclone column section flange parameters

表4 氣泡充氣式旋流器柱段法蘭參數(shù)Table 4 Bubble inflatable hydrocyclone column section flange parameters

充氣式旋流器的試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示。其工作過(guò)程是,物料在料筒中經(jīng)充分?jǐn)嚢韬蟊萌胄髌?空氣壓縮機(jī)將氣體充入旋流器參與顆粒的分離過(guò)程,使混入外旋流的細(xì)粒級(jí)顆粒重新被吹入內(nèi)旋流再?gòu)囊缌骺谂懦?從而提高分離精度和分離效率。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Test system diagram

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)?zāi)康闹饕球?yàn)證旋風(fēng)充氣式旋流器和氣泡充氣式旋流器對(duì)底流夾細(xì)現(xiàn)象的改善效果。試驗(yàn)時(shí),為防止進(jìn)料壓力過(guò)大而導(dǎo)致物料倒流進(jìn)入空氣壓縮機(jī),進(jìn)料壓力選為0.08 MPa。然后對(duì)最低進(jìn)氣量進(jìn)行測(cè)量,在測(cè)量過(guò)程中需要注意的是:進(jìn)氣的壓力需要克服旋流器內(nèi)部的操作壓力,為防止物料從旋流器中倒灌進(jìn)入進(jìn)氣管道而燒壞空氣壓縮機(jī),首先將單位時(shí)間進(jìn)氣量調(diào)至最高,然后控制進(jìn)氣量有規(guī)律地減少,當(dāng)看到有物料輕微倒灌進(jìn)入管道時(shí)停止,標(biāo)記此時(shí)的進(jìn)氣量為最低單位時(shí)間進(jìn)氣量。經(jīng)過(guò)測(cè)試得出:在進(jìn)料壓力為0.08 MPa時(shí),單位時(shí)間進(jìn)氣量在2.4 m3/h能夠確保物料不會(huì)倒灌進(jìn)入進(jìn)氣管道。

通過(guò)改變不同充氣方式和進(jìn)氣量?jī)蓚€(gè)操作參數(shù),研究充氣旋流器的分離性能。對(duì)進(jìn)料、底流和溢流產(chǎn)物分別抽濾、烘干得到產(chǎn)物的濃度、底流固相產(chǎn)率和分流比,利用BT-9300S粒度儀測(cè)得各產(chǎn)物的粒度分布,得到綜合分級(jí)效率。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 產(chǎn)物濃度和底流固相產(chǎn)率對(duì)比

對(duì)常規(guī)旋流器(即進(jìn)氣量為0)、旋風(fēng)充氣式旋流器和氣泡充氣式旋流器的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在不同工作條件下,底流濃度變化如圖4所示。可以看出,隨著單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)氣量的增加,底流濃度呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。常規(guī)旋流器的底流濃度高達(dá)10.5%,不同充氣方式下隨著進(jìn)氣量增加,底流濃度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。當(dāng)單位時(shí)間進(jìn)氣量為4.4 m3/h時(shí),旋風(fēng)充氣式旋流器的底流濃度為8.6%,氣泡充氣式旋流器的底流濃度為8.5%,都明顯降低。

圖4 底流濃度變化Fig.4 Underflow concentration changes

溢流濃度變化如圖5所示,可以看出,溢流濃度隨著單位時(shí)間進(jìn)氣量的增加而逐漸增加。在常規(guī)旋流器中,溢流濃度僅為1.35%,當(dāng)單位時(shí)間進(jìn)氣量達(dá)到4.4 m3/h時(shí),旋風(fēng)充氣式旋流器的溢流濃度為2.19%,氣泡充氣式旋流器的溢流濃度為2.25%,呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

圖5 溢流濃度變化Fig.5 Overflow concentration changes

底流固相產(chǎn)率如圖6所示。相比于常規(guī)旋流器,充氣式旋流器的底流固相產(chǎn)率隨進(jìn)氣量的增加表現(xiàn)出逐漸減少的特征。在常規(guī)旋流器中,底流固相產(chǎn)率為83.27%,旋風(fēng)充氣式旋流器在單位時(shí)間進(jìn)氣量達(dá)到4.4 m3/h時(shí)固相產(chǎn)率達(dá)到最低值,為74.57%,降低了8.7個(gè)百分點(diǎn);氣泡充氣式旋流器的底流固相產(chǎn)率也呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律,單位時(shí)間進(jìn)氣量4.4 m3/h時(shí)固相產(chǎn)率達(dá)到最低,為74.18%,降低了9.09個(gè)百分點(diǎn)。

分流比變化示意圖如圖7所示。相較于常規(guī)旋流器,隨著進(jìn)氣量升高,充氣式旋流器的分流比不斷上升,進(jìn)氣量為4.4 m3/h時(shí)達(dá)到最高,旋風(fēng)充氣式和氣泡充氣式旋流器的分流比分別為0.245和0.247。

圖7 分流比Fig.7 Split ratio

由于充入氣體后改變了部分顆粒的遷移規(guī)律,即外旋流中的部分細(xì)顆粒會(huì)被吹散進(jìn)入內(nèi)旋流重新分離,致使更多的細(xì)顆粒從溢流排出,因此相比于常規(guī)旋流器,充氣式旋流器的底流固相產(chǎn)率明顯降低,且隨著進(jìn)氣量的增加這一趨勢(shì)更加明顯。通過(guò)對(duì)不同充氣方式和不同進(jìn)氣量的對(duì)比發(fā)現(xiàn):隨著單位時(shí)間進(jìn)氣量的增加,充入氣體會(huì)使流體的徑向速度或切向速度增大,旋流器內(nèi)旋流作用增強(qiáng),向上的軸向速度增大,細(xì)顆粒更多從溢流排出,因此底流固相產(chǎn)率不斷降低。

結(jié)合分流比的變化趨勢(shì)可以推斷出,分流比略有增加,表明有更多的水相進(jìn)入底流,而底流固相產(chǎn)率降低,因此底流濃度相應(yīng)降低;與之相對(duì)應(yīng),溢流濃度則有所增加。

3.2 底流粒度分析

對(duì)兩種充氣式旋流器的底流產(chǎn)物進(jìn)行粒度分析。由物料粒度分析結(jié)果得知:d50=39.77μm,-20μm顆粒占比達(dá)28.09%,將底流中-20μm顆粒視作細(xì)粒級(jí)顆粒,其分級(jí)效率作為評(píng)價(jià)改善底流夾細(xì)程度的指標(biāo)。

如圖8、圖9所示,常規(guī)旋流器的底流產(chǎn)物中,-10μm顆粒含量為6.32%,-20μm顆粒含量為12.42%。隨著單位時(shí)間進(jìn)氣量的增加,旋風(fēng)充氣式旋流器的底流產(chǎn)物中-10μm顆粒含量不斷減少,最低降至5.32%,降低了1個(gè)百分點(diǎn),-20μm顆粒含量不斷降低,最低達(dá)11.32%,降低了1.1個(gè)百分點(diǎn);氣泡充氣式旋流器的底流產(chǎn)物中-10μm顆粒含量隨著單位時(shí)間進(jìn)氣量的增加而不斷減少,在單位時(shí)間進(jìn)氣量到達(dá)3.6 m3/h時(shí)達(dá)到最低值,為5.53%,此時(shí)-20μm顆粒含量亦達(dá)到最低值,為11.42%。

由圖8、圖9可以得到,旋風(fēng)充氣式和氣泡充氣式旋流器底流中0～10μm區(qū)間顆粒含量分別為5.32%和5.53%,10～20μm區(qū)間顆粒占比分別為6%和5.89%,與常規(guī)旋流器相比,0～10μm區(qū)間的顆粒占比降低了1個(gè)百分點(diǎn)左右,而10～20μm區(qū)間顆粒占比幾乎沒(méi)有變化。由此可見(jiàn),兩種充氣式旋流器對(duì)減少底流中0～10μm細(xì)顆粒含量有明顯效果。

圖8 底流中-10μm顆粒含量對(duì)比Fig.8 Comparison of-10μm particle content in underflow

圖9 底流中-20μm顆粒含量對(duì)比Fig.9 Comparison of-20μm particle content in underflow

圖中還可以看出,旋風(fēng)充氣式和氣泡充氣式旋流器底流產(chǎn)物中-20μm顆粒含量分別在進(jìn)氣量為3.6 m3/h和4 m3/h時(shí)達(dá)到最低,分別是11.32%和11.42%。相比于氣泡充氣式,旋風(fēng)充氣方式對(duì)減少-20μm顆粒含量的效果更明顯。這是由于雖然徑向充氣對(duì)顆粒的受力更大,但是隨著徑向進(jìn)氣量的增加也會(huì)導(dǎo)致部分大顆粒被吹入內(nèi)旋流而從溢流排出,也就是減少了底流中粗顆粒的含量,從而導(dǎo)致氣泡充氣式旋流器的底流產(chǎn)物中-20μm顆粒含量仍略高于旋風(fēng)充氣式旋流器,說(shuō)明在提高顆粒分離精度方面氣泡充氣式旋流器性能弱于旋風(fēng)充氣式。

3.3 顆粒分級(jí)效率

為了更準(zhǔn)確地衡量充氣式旋流器的分離性能,對(duì)充氣式旋流器和常規(guī)旋流器的顆粒分級(jí)效率進(jìn)行比較。綜合分級(jí)效率能夠反映某特定粒級(jí)的分離效果,可用漢考克效率計(jì)算公式:

式中:α為進(jìn)料中計(jì)算顆粒百分含量,%;β為溢流中計(jì)算顆粒百分含量,%;γ為底流中計(jì)算顆粒百分含量,%。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到-20μm特征粒級(jí)的綜合分級(jí)效率曲線圖如圖10所示。兩種充氣式旋流器對(duì)-20 μm特征粒級(jí)的綜合分級(jí)效率都有提升,且都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。相比于常規(guī)旋流器,旋風(fēng)充氣式旋流器分級(jí)效率最高可以提高4.92個(gè)百分點(diǎn),單位時(shí)間進(jìn)氣量為4 m3/h后呈現(xiàn)下降趨勢(shì);氣泡充氣式旋流器分級(jí)效率最高可以提高3.24個(gè)百分點(diǎn),單位時(shí)間進(jìn)氣量在3.6 m3/h后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖10 -20μm特征粒級(jí)綜合分級(jí)效率Fig.10 Comprehensive classification efficiency of-20μm characteristic grain size

對(duì)比可知,兩種充氣方式下對(duì)旋流器的分離性能提高程度不同,這是由于旋風(fēng)充氣式旋流器內(nèi)氣體的作用力主要作用于切向,切向速度作為兩相分離的主要?jiǎng)恿?在充入空氣后,會(huì)對(duì)流體的切向速度有一定提升,因此旋流器的分離性會(huì)得到提升。但切向速度過(guò)大會(huì)使旋流器內(nèi)部高湍流區(qū)域增多,甚至?xí)a(chǎn)生二次流,會(huì)使得流體反向旋轉(zhuǎn),流體之間發(fā)生嚴(yán)重碰撞,加劇流場(chǎng)內(nèi)部的紊亂,從而導(dǎo)致綜合分級(jí)效率降低。氣泡充氣式旋流器對(duì)徑向速度影響更大,顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要受離心力和徑向曳力的影響,當(dāng)顆粒所受徑向曳力大于離心力時(shí),粒子則隨內(nèi)旋流進(jìn)入溢流,反之則進(jìn)入底流。在充氣的過(guò)程中,細(xì)小顆粒的徑向曳力會(huì)大于離心力從而進(jìn)入溢流,但隨著進(jìn)氣量增大粗顆粒也會(huì)進(jìn)入,-20μm特征粒級(jí)綜合分級(jí)效率會(huì)降低。綜合分析,旋風(fēng)充氣式旋流器的分離性能優(yōu)于氣泡充氣式旋流器。

4 結(jié) 論

對(duì)常規(guī)旋流器、旋風(fēng)充氣式旋流器和氣泡充氣式旋流器進(jìn)行了分離試驗(yàn)研究,結(jié)果表明兩種充氣方式旋流器均可有效減少底流夾細(xì)。

(1)相比于常規(guī)旋流器,充氣式旋流器的底流固相產(chǎn)率和底流濃度明顯降低,溢流濃度略有增加;隨著進(jìn)氣量的增加,底流固相產(chǎn)率和底流濃度持續(xù)降低,溢流濃度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

(2)相比于常規(guī)旋流器,充氣式旋流器底流中0～10μm區(qū)間顆粒百分比含量減少,底流夾細(xì)現(xiàn)象明顯改善;與氣泡充氣式旋流器比較而言,旋風(fēng)充氣式旋流器的改善效果更明顯。

(3)充氣式旋流器-20μm特征粒級(jí)的綜合分級(jí)效率明顯高于常規(guī)旋流器,旋風(fēng)充氣式旋流器最高可以提高4.92個(gè)百分點(diǎn);氣泡充氣式旋流器最高可以提高3.24個(gè)百分點(diǎn)。