浮選流體動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備智能化發(fā)展路徑

張 煒 李騰飛 管孝強(qiáng) 周仕慶 譚志勇 李海斌 王 超

(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,云南 昆明 650101;4.云南銅業(yè)股份有限公司,云南 昆明 650051)

20世紀(jì)初,泡沫浮選的早期實(shí)踐者開始意識(shí)到研究氣泡行為學(xué)的重要性,但由于缺乏有效的測(cè)量裝置和系統(tǒng),無法有效觀測(cè)與識(shí)別工業(yè)浮選環(huán)境中單個(gè)氣泡及氣體的擴(kuò)散行為[1]。將近一個(gè)世紀(jì)后,隨著澳大利亞昆士蘭大學(xué)的Julius Kruttschnitt 礦物研究中心(JKMRC)和加拿大McGill 大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的第一代浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器裝置的誕生,這種情況才得到徹底改變[2]。傳感器裝置首次針對(duì)浮選氣體速率、氣含量、氣泡尺寸和氣泡總表面積之間的量化關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試,并通過數(shù)學(xué)表達(dá)式予以定義,使之具備對(duì)浮選關(guān)鍵過程變量進(jìn)行預(yù)測(cè)的能力[3-5]。早期JKMRC 的工作主要側(cè)重于在選廠半工業(yè)化浮選機(jī)(3 m3)生產(chǎn)條件下進(jìn)行裝置測(cè)試,而McGill 的工作是在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的浮選柱環(huán)境下展開,成功后推廣至工業(yè)化浮選機(jī)[6-10]。一位加拿大McGill 大學(xué)芬奇教授指導(dǎo)下畢業(yè)的智利圣瑪麗亞大學(xué)學(xué)者Yianatos,將這項(xiàng)成果引進(jìn)至位于南美洲的一些在產(chǎn)礦山并取得良好效果[11]。近年來,浮選流體動(dòng)力學(xué)原理及測(cè)量方法和技術(shù)逐漸被廣泛接受,世界知名浮選研究中心(如巴西淡水河谷公司Mississauga 技術(shù)研發(fā)中心)及主流浮選設(shè)備制造商(如奧圖泰Outotec)均接納和采用了該技術(shù)[12-13]。

更好地理解和表征工業(yè)化環(huán)境下的浮選特性,經(jīng)濟(jì)因素是背后的驅(qū)動(dòng)主因。較低品位的原礦以及較高處理量的選礦作業(yè),對(duì)應(yīng)的是更大的資本支出,這就要求通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化浮選工藝性能來增加利潤(rùn)和降低投資風(fēng)險(xiǎn)。隨著浮選設(shè)備規(guī)格逐步大型化[14],了解浮選設(shè)備規(guī)格放大后浮選流體動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的變化情況,對(duì)于在實(shí)踐中提升浮選經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)至關(guān)重要。在過去的15 a 中,氣體擴(kuò)散理論研究及工業(yè)應(yīng)用已逐步成熟,并被浮選設(shè)備制造商、運(yùn)營(yíng)商及研究人員廣泛接受。本文首先對(duì)經(jīng)典理論以及氣體擴(kuò)散關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行回顧與評(píng)價(jià),之后利用新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器系統(tǒng)多維度測(cè)量浮選設(shè)備以及浮選回路的核心參數(shù)并建模分析;通過在選礦廠開展模型仿真驗(yàn)證,有效證明了新一代流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器具備較為精準(zhǔn)評(píng)價(jià)浮選性能的能力。

1 浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)回顧及評(píng)價(jià)

1.1 傳統(tǒng)參數(shù)

浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)本質(zhì)上是化學(xué)工程中氣液混合以及反應(yīng)器規(guī)格放大化的設(shè)計(jì)參數(shù),后來逐漸被推廣應(yīng)用至泡沫浮選領(lǐng)域,世界范圍內(nèi)眾多學(xué)者開展了持續(xù)性研究[15-17]。傳統(tǒng)浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括功率強(qiáng)度(PI)、葉輪外緣速度(S)及氣體速率(UQ)等。

1.1.1 功率強(qiáng)度

功率強(qiáng)度(PI)為浮選設(shè)備單位容積的凈功率,計(jì)算公式如下

式中,PI為功率強(qiáng)度,kW/m3;Pnet為功率輸入,kW;V為浮選設(shè)備容積,m3。

PI的典型范圍是1～3 kW/m3,可擴(kuò)展至0.8～9.5 kW/m3[17]。PI的數(shù)值往往隨浮選設(shè)備容積的增加而減少。對(duì)于規(guī)格為大型、超大型的浮選設(shè)備,制造商通常將高湍流近葉輪區(qū)域的功率強(qiáng)度保持不變作為大型浮選設(shè)備的放大標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.1.2 葉輪外緣速度

葉輪外緣速度(S)通常被工業(yè)界認(rèn)為是重要操作性參數(shù),其通過影響礦漿循環(huán)速度、流體/氣體剪切力,從而影響氣體擴(kuò)散效率,計(jì)算公式如下

式中,S為葉輪外緣速度,m/s;N為葉輪轉(zhuǎn)速,r/min;D為葉輪直徑,m。

S的典型值為5～ 7 m/s,高峰值可達(dá)到9 m/s[17]。需要注意的是,消耗的功率會(huì)隨著N3的增加而增加,因此電機(jī)尺寸和成本會(huì)隨著S的增加而迅速上升。浮選設(shè)備制造商也認(rèn)為外緣速度是一個(gè)重要的設(shè)備放大參數(shù),并隨著葉輪尺寸的增加而保持相對(duì)恒定,具體取決于負(fù)載(粗顆粒/細(xì)顆粒、粗選/掃選)。浮選設(shè)備容積減小,相對(duì)恒定的外緣速度(臨界最小值4 m/s)可以確保氣體擴(kuò)散水平和輸送泵每單位礦漿輸出能量的穩(wěn)定。

浮選設(shè)備制造商奧圖泰為了防止設(shè)備容積增大條件下沉砂問題加劇,將轉(zhuǎn)子直徑(D)與設(shè)備直徑(Dcell)保持恒定,以保持每單位設(shè)備面積的恒定轉(zhuǎn)子泵送率[18]。

1.1.3 氣體速率

氣體速率(UQ)的計(jì)算公式如下

式中,UQ為氣體速率,m/s;Q為體積流量,m3/s;D為葉輪直徑,m。

UQ與直徑為D的葉輪調(diào)節(jié)氣體體積流量Q的能力有關(guān),行業(yè)值差異很大,從0.02 m/s 到0.5 m/s不等。因此,與空氣流量數(shù)(NQ)一樣,它更多的是指導(dǎo)最大運(yùn)行參數(shù),而不作為設(shè)備放大標(biāo)準(zhǔn)。UQ與表觀氣速(Jg=Qg/Acell)有關(guān),因?yàn)槿~輪直徑(D)和泡孔尺寸(Acell)之間通常有密切關(guān)系。

1.1.4 其他測(cè)量值

其他測(cè)量值如功率數(shù)(NP)、空氣流量數(shù)(NQ)、弗勞德數(shù)(NFr)和韋伯?dāng)?shù)(NWe)計(jì)算公式如下,主要用于浮選設(shè)備快速放大參考。

式中,g為重力加速度,N/kg;σ為表面張力,N/m;ρ為密度,kg/m3;其他符號(hào)意義同前。

葉輪混合雷諾數(shù)(NRe)(式(8))是對(duì)黏性力慣性的度量,如果外緣速度保持不變,它將與轉(zhuǎn)子直徑成比例增加。在湍流區(qū)域(>>103),NRe值能夠較好地用于浮選槽葉輪設(shè)計(jì)。因此,對(duì)于特定的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),NP保持恒定的情況下,NRe不會(huì)直接影響設(shè)備放大效果。

式中,μ為動(dòng)態(tài)黏滯度,Pa·s。

以上均是用于浮選槽放大的初始流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。和浮選設(shè)備有關(guān)且能夠有效提升礦物顆?；厥章仕降膮?shù),例如槽或柱橫截面積和流槽緣長(zhǎng)度,在設(shè)備放大設(shè)計(jì)中也一并考慮,但不直接被認(rèn)為是浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

1.2 浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)

傳統(tǒng)浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)選取的明顯缺陷之一是,盡管氣泡尺寸在浮選進(jìn)程中起關(guān)鍵作用,但參數(shù)設(shè)置沒有被考慮引入。在Harris 關(guān)于浮選設(shè)備放大參數(shù)的經(jīng)典著作中,評(píng)論了氣泡尺寸在提升浮選金屬回收率過程中的關(guān)鍵作用,并且提到對(duì)氣泡尺寸影響最大的是起泡劑的類型及用量[19]。沒有添加起泡劑的情況下,氣泡尺寸分布(BSD)為雙峰形態(tài);隨著起泡劑添加量的增加,氣泡尺寸分布趨窄(氣泡變小),最終達(dá)到極限氣泡尺寸。Laskowski 將達(dá)到此極限氣泡尺寸的最小起泡劑濃度稱為氣泡兼并臨界濃度或CCC[20]。

早在20世紀(jì)中葉,一些學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到影響礦物顆粒抬升效能的氣泡尺寸和氣泡總表面積對(duì)浮選進(jìn)程以及金屬回收率的重要性[21-23]。但直到20世紀(jì)80年代末至90年代期間,McGill 大學(xué)芬奇教授團(tuán)隊(duì)以浮選柱作為載體和JKMRC 的Gorain 團(tuán)隊(duì)以半工業(yè)化浮選槽作為載體的相關(guān)研究工作,才共同量化驗(yàn)證和確立了氣體擴(kuò)散變量參數(shù)與浮選速率常數(shù)之間的工業(yè)聯(lián)系。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別開發(fā)了用于測(cè)量浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的第一代傳感器及相應(yīng)核心測(cè)定參數(shù),其中:表觀氣體速度(Jg)表示每單位時(shí)間內(nèi),以浮選設(shè)備單位橫截面積(Acell)為計(jì)算基礎(chǔ),離開礦漿的氣體體積流量(Qg);平均氣泡尺寸(D32)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)通過以下公式相互銜接。

式中,Jg為表觀氣體速度,m/s;Qg為離開礦漿的氣體體積流量,m3/s;Acell為浮選槽橫截面積,m2。

式中,D32為索特氣泡尺寸,mm;di為單個(gè)氣泡尺寸,mm。

式中,Sb為氣泡表面積通量,s-1。

第3 個(gè)測(cè)量變量(假設(shè)Sb是通過另外2 個(gè)變量計(jì)算得出的),體積氣含率(εg)表示為分?jǐn)?shù)或百分?jǐn)?shù),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)與浮選槽/柱的有效容積(Vcell)聯(lián)系起來,如下

式中:εg為氣含率,%;Vg為浮選槽內(nèi)氣體體積,m3;Vcell為浮選槽/柱的有效容積,m3。

Gorain 通過k-Sb關(guān)系表明,氣泡表面積通量(Sb)是浮選進(jìn)程中影響金屬回收率的關(guān)鍵因素[24-26]

式中,kpulp為礦漿相的速率常數(shù),s-1;P為可浮性參數(shù),%;Sb為氣泡表面積通量,s-1。

式中,k為總浮選速率常數(shù),s-1;Rf為泡沫相礦物顆粒的回收系數(shù),%;P為擬浮出的礦物顆粒的可浮性參數(shù),%;Sb為氣泡表面積通量,s-1。

觀察到Sb與D32成反比,可見浮選速率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準(zhǔn)確測(cè)量Jg和D32這2 個(gè)參數(shù),以便計(jì)算Sb。McGill 和JKMRC 的傳感器技術(shù)以及過程性測(cè)量技術(shù)的發(fā)展部分滿足了這些需求。

1.3 氣體擴(kuò)散參數(shù)測(cè)量技術(shù)

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)[27-29]。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)系等還無法通過成熟技術(shù)及配套設(shè)備予以精準(zhǔn)定義和測(cè)量[30-32]。近2 a 以來,通過引進(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)院技術(shù)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3 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εg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)。每個(gè)傳感器都依賴于系統(tǒng)的不同物理參數(shù):充氣和非充氣礦漿的相對(duì)電導(dǎo)率,用于確定氣含率;不同礦漿體積位移條件下所對(duì)應(yīng)的氣體壓力(管中)變化,用于確定表觀氣體速度;高速照相機(jī)捕捉到的氣泡觀察艙中氣泡的平均尺寸,用于確定BSD 和計(jì)算D32。礦漿密度變化通常也使用壓力傳感管進(jìn)行監(jiān)測(cè),以允許根據(jù)礦漿液位/密度變化對(duì)Jg測(cè)量進(jìn)行校正。數(shù)據(jù)被記錄到計(jì)算機(jī)文件中以供后續(xù)分析。在浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器的協(xié)助下,中鋁科學(xué)院技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)部分國(guó)內(nèi)外礦山浮選生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了運(yùn)行評(píng)價(jià)測(cè)試[33-34]。

2 浮選氣泡尺寸(D32)的測(cè)量實(shí)踐

中鋁科學(xué)院技術(shù)團(tuán)隊(duì)利用半工業(yè)化大型充氣式浮選機(jī)(0.8 m3Metso RCSTM,槽體單位橫截面直徑和轉(zhuǎn)子的直徑分別為1.15 m 和0.21 m)開展了相關(guān)研究工作,提供可變?nèi)~輪速度且足夠大,以允許槽室中湍流區(qū)和靜態(tài)區(qū)能夠明顯分離,并設(shè)置了“擱板”和“擋板”來提升流體動(dòng)力學(xué)效能,如圖1所示。設(shè)備內(nèi)部槽室足夠大,因此可將全套傳感器系統(tǒng)植入安裝。需要說明的是,所有測(cè)試都是在不含礦粒的氣液兩相系統(tǒng)/環(huán)境中進(jìn)行的。

圖1 浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器系統(tǒng)測(cè)試示意[10]Fig.1 Test schematic of flotation fluid dynamics sensor system

以浮選流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器為測(cè)試工具,在影響浮選效能的關(guān)鍵工藝參數(shù)中,選擇起泡劑濃度與類型、表觀氣體速度、黏度、海拔以及能量輸入(葉輪轉(zhuǎn)速)等5 個(gè)重要變量進(jìn)行深入研究。

2.1 起泡劑濃度與類型

表1 列出了試驗(yàn)所用的5 種起泡劑,除戊醇是主流商用起泡劑的重要成分外,其余4 種均可直接被認(rèn)為是商用起泡劑。5 種不同類型起泡劑基本覆蓋了目前選礦工業(yè)實(shí)踐中主流起泡劑的化學(xué)架構(gòu)及分子組成。

表1 試驗(yàn)用起泡劑Table 1 Frother in test

在美卓Metso 0.8 m3半工業(yè)化浮選機(jī)測(cè)試環(huán)境下分別添加5 種不同類型、不同濃度的起泡劑,并設(shè)置Jg分別為0.5 和1 cm/s 的條件下,使用浮選流體動(dòng)力學(xué)傳感器系統(tǒng)測(cè)量BSD,測(cè)量數(shù)據(jù)用于起泡劑的表征。起泡劑濃度的選擇范圍相對(duì)較廣,通過擬合指數(shù)衰減函數(shù)對(duì)不同類型、濃度和表觀氣速的整體試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,擬合形成一套典型起泡劑趨勢(shì)曲線。

圖2 即為典型起泡劑的CCC值分布,表2 為不同Jg值條件下起泡劑的CCC95 值。需要特別說明的是,CCCX為當(dāng)D32降低X%時(shí)的起泡劑濃度[35],Dlimiting是起泡劑無限添加量條件下的極限氣泡尺寸。結(jié)果表明,起泡劑的CCC95 值隨Jg的增加而增大。

表2 各起泡劑的CCC95 值Table 2 CCC95 value of each frother

圖2 D32 與典型起泡劑添加量變化關(guān)系Fig.2 Change relationship of D32 and typical frother doage

圖3 展示了D32與標(biāo)準(zhǔn)化起泡劑濃度的關(guān)系,所有數(shù)據(jù)被簡(jiǎn)化為一條曲線,表明任何起泡劑都可以通過其唯一的CCC95 值予以表征。對(duì)于D32,其95%的置信區(qū)間誤差僅為±0.24 mm,同時(shí)Jg=0.5 和1 cm/s條件下誤差也僅為±0.12 mm 和±0.22 mm,表明擬合效果較好。圖3 還說明,不同Jg值條件下,曲線略有不同。

圖3 D32 與標(biāo)準(zhǔn)化起泡劑濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship of D32 and standardisation frother concentration

2.2 表觀氣體速度

在浮選起泡劑類型中,MIBC 和DF-250 具有化學(xué)架構(gòu)較簡(jiǎn)單、性能較穩(wěn)定、應(yīng)用范圍較廣泛的特點(diǎn),被藥劑制造商認(rèn)為是藥劑“等效”類型測(cè)試的最佳比對(duì)模板。此次試驗(yàn)也將MIBC 和DF-250 分別作為醇類和聚乙二醇兩大類藥劑的性能測(cè)試代表。添加5種不同濃度(包括0 起泡劑添加量)的起泡劑,測(cè)試并獲得不同Jg條件下的D32,MIBC 的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,而DF-250 的結(jié)果與其非常相似。結(jié)合之前的工作成果[5,31],可以認(rèn)定常見種類起泡劑濃度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型(式15)的擬合結(jié)果基本符合。

圖4 MIBC 的試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test result of MIBC

式中,D0表示在零氣率條件下有限的“氣泡原生尺寸”,mm;a是依賴于起泡劑濃度和氣泡產(chǎn)生方法的一個(gè)系統(tǒng)常數(shù)。D32和Jg之間的平方根關(guān)系表明,隨著Jg的升高,氣泡尺寸和數(shù)量也隨之增加。

2.3 黏度

浮選礦漿的(動(dòng)態(tài))黏度受固體濃度、礦粒大小與形狀、液體化學(xué)性質(zhì)和溫度等不同因素的影響。由于測(cè)試是在氣水兩相系統(tǒng)/環(huán)境中進(jìn)行的,因此本研究?jī)H限于考察在不同溫度下水的黏度變化對(duì)氣泡尺寸D32的影響。第一階段曾嘗試通過蔗糖和聚丙烯酰胺溶液來模擬浮選流程中礦漿黏度變化,但受限于蔗糖和聚丙烯酰胺的溶解效果無法達(dá)到均衡化,且礦漿起泡性及剪切效應(yīng)也同時(shí)被影響,此方法被擱置。本次測(cè)試通過改變水本身的溫度來模擬礦漿黏度變化,黏度—溫度效應(yīng)如圖5所示,動(dòng)態(tài)黏度可以在4～40 ℃范圍內(nèi)變化3 倍,這在浮選實(shí)際生產(chǎn)中并不少見。在美卓Metso 0.8 m3半工業(yè)浮選機(jī)中使用精準(zhǔn)調(diào)溫后的昆明地區(qū)自來水(測(cè)試用實(shí)驗(yàn)室位于昆明)共700 L(Metso 設(shè)備測(cè)試介質(zhì)最大體積量)來開展測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在20 ℃條件下,標(biāo)準(zhǔn)黏度(μ)與動(dòng)態(tài)黏度(μ20)的冪函數(shù)關(guān)系為0.776。因此,可以將D32的黏度修正因子(fv)定義為:

圖5 黏度—溫度效應(yīng)Fig.5 Viscosity-temperature effect

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與黏度的擬合效果Fig.6 The fitting effect of test data and viscosity

2.4 海拔

國(guó)內(nèi)外礦山所處區(qū)域的海拔(海平面)位于2～5 km 范圍內(nèi)的情況并不鮮見,例如分別在海拔4.2 km和4.1 km 的秘魯Antamina 銅鋅礦和智利Collahuasi銅鉬礦,其空氣密度比接近海平面的區(qū)域要小得多。例如,在海平面,干燥空氣的密度為1.293 kg/m3,然而在海拔4.25 km,這個(gè)數(shù)值只有0.736 kg/m3,大約是海平面數(shù)值的57%。

氣體密度對(duì)浮選的影響研究尚不深入。Hales 報(bào)告了一些初步的測(cè)試[36-37],但氣泡尺寸的測(cè)量沒有包含在該項(xiàng)工作中。本次試驗(yàn)使用5.5 L 實(shí)驗(yàn)室級(jí)Denver 浮選槽來代替半工業(yè)化規(guī)格的美卓浮選機(jī),并使用氦氣(密度0.178 6 kg/m3)和空氣的混合物來模擬海拔高度對(duì)氣泡尺寸的影響(Jg恒定)。圖7 展示了不同氣體密度差條件下,氣泡尺寸(D32以及D32/D10)的變化區(qū)間及分布;其中ρ0為一個(gè)大氣壓條件下的標(biāo)準(zhǔn)氣體密度。需要說明的是,由于測(cè)試載體為實(shí)驗(yàn)室級(jí)Denver 浮選槽,因此氣泡尺寸測(cè)量是在湍流區(qū)而不是相對(duì)靜止的葉輪附近區(qū)域;Denver浮選槽試驗(yàn)結(jié)果通過帶入相應(yīng)放大系數(shù),確保與半工業(yè)化浮選設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果的相互適用性。

圖7 不同氣體密度差條件下氣泡尺寸(D32 以及D32/D10)的變化區(qū)間及分布Fig.7 The variation range and distribution of bubble size(D32 and D32/D10)under different gas density differences

數(shù)據(jù)經(jīng)擬合,標(biāo)準(zhǔn)氣體密度(ρo)與動(dòng)態(tài)氣體密度(ρg)的冪函數(shù)關(guān)系為0.132,表明在海平面至5 km海拔的密度范圍內(nèi),氣體密度對(duì)D32的影響相對(duì)較弱?？梢詫⒋須怏w密度效應(yīng)的D32修正因子(fd)定義為:

圖7(b)顯示了D32和D10(算術(shù)平均氣泡尺寸)的對(duì)比。純空氣和純氦氣的數(shù)據(jù)集重疊,表明氣泡分布形態(tài)不受氣體類型的影響,從而支持了Wilkinson的結(jié)論[37]。式(17)表明,以海拔5 km 區(qū)域?yàn)槔?受海拔影響,D32將增加10%,氣泡表面積通量Sb則減少10%。

2.5 能量輸入(葉輪轉(zhuǎn)速)

浮選廠操作人員經(jīng)常將浮選機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速視為可用于改變漿體泵送率、沖擊顆粒懸浮、氣泡—顆粒接觸或改變氣泡尺寸的調(diào)整參數(shù)[38],因此本試驗(yàn)將其作為研究對(duì)象。如式(2)所示,葉輪所獲得的能量與N3成正比,葉輪轉(zhuǎn)速隨N呈線性變化(其中N為葉輪的每分鐘轉(zhuǎn)速)。通常,工業(yè)裝置的葉輪速度為5 到7 m/s;然而,在南非一些浮選廠中,為了提升含鉑金屬礦粒的回收率,葉輪速度可高達(dá)10 m/s[17]。

本次測(cè)試的葉輪轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定為3.4 到9.2 m/s,代表了20 倍的功率提升;Jg值分別為0.5 和1 cm/s,起泡劑(DF-250)濃度則分別為0、2.5、5 和10 g/t。圖8 顯示了葉輪轉(zhuǎn)速變化對(duì)D32的影響。結(jié)果表明,在起泡劑濃度和Jg為恒定的測(cè)試場(chǎng)景下,葉輪轉(zhuǎn)速在4.6～9.2 m/s 范圍內(nèi)變化,D32卻未顯示出明顯的變化。需要說明的是,當(dāng)葉輪速度達(dá)到其運(yùn)行下限時(shí),也就是3.5 m/s 左右,D32顯示有明顯增大的特征。

圖8 D32 與浮選機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.8 The relationship between D32 and the rotational speed of the flotation machine impeller

2.6 交互作用

研究表明,在Jg恒定的條件下,每種起泡劑類型均可通過其獨(dú)有的CCC95 值進(jìn)行表征。圖9 顯示不同Jg值條件下D32與起泡劑濃度(DF-250)對(duì)比的趨勢(shì)性曲線。可以看出,隨著Jg值的提升,CCC95 隨Jg呈線性增長(zhǎng)。交互作用效應(yīng)詳見圖10。不同Jg值下特定CCC95 可以通過圖10(a)以及公式(18)、(19)來確定。

圖9 不同Jg 條件下D32 與DF-250 濃度關(guān)系(CCC95 隨Jg 的增大而升高)Fig.9 Relationship between DF-250 concentration and D32 under different Jg conditions(CCC95 increases with increasing Jg)

圖10 交互作用效應(yīng)Fig.10 Interaction effects

對(duì)于聚乙二醇(基于DF-250 數(shù)據(jù)):

對(duì)于醇類(基于MIBC 數(shù)據(jù)):

圖2所示D32極限氣泡尺寸的概念也與起泡劑類型有關(guān)。如圖10(b)所示,對(duì)于擁有更高CCC95 值的起泡劑類型,Dlimiting將同步減小。將Dlimiting納入D32整體模型的因子(fl)被定義為:

以公式(15)～(19)為基礎(chǔ),構(gòu)建了能夠有效預(yù)測(cè)D32的整體模型,可表示為:

其中函數(shù)φ為:

公式(16)、(17)與(20)分別能夠定義因子fv、fd、fl。將公式(22)中不同組分函數(shù)進(jìn)行圖表化,形成從CCC0(最大D32值)到CCC99(最小D32值)的不同起泡劑(以DF-250 為例)濃度條件下的D32-Jg趨勢(shì)圖,如圖11所示。將D32模型預(yù)測(cè)值與199 個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行殘差分析,形成擬合效果圖12?？傮w來看,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?公式(21))在95%的置信水平下,D32邊際誤差僅為0.03 mm,數(shù)據(jù)在1∶1 線兩側(cè)分布得極為均衡,擬合效果較優(yōu)。

圖11 公式22 模型構(gòu)建方法(以不同起泡劑濃度條件下的D32、vs、Jg 經(jīng)典趨勢(shì)圖為例)Fig.11 Formula 22 model construction method(Taking D32、vs、Jgclassical trend graph under different foaming agent concentrations as an example)

圖12 D32 測(cè)試值與D32 預(yù)測(cè)值關(guān)系Fig.12 Relationship between D32 test values and D32 predicted values

結(jié)合公式(11),D32模型同樣可作為氣泡表面積通量Sb的預(yù)測(cè)器。如圖13所示,199 個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)形成的Sb測(cè)試值與通過預(yù)測(cè)器估算形成的Sb估算值均勻分布在1∶1 線兩側(cè),檢驗(yàn)結(jié)果顯示模型擬合優(yōu)度較好。

圖13 Sb 測(cè)試值與Sb 預(yù)測(cè)值關(guān)系Fig.13 Relationship between Sb test value and Sb predicted value

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

盡管功率強(qiáng)度、葉輪外緣速度和氣體流動(dòng)速度等傳統(tǒng)浮選機(jī)放大參數(shù)繼續(xù)被業(yè)界奉為圭臬[39],但過去二十年實(shí)踐證明引入浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù),是提升浮選機(jī)放大效果評(píng)估的有益補(bǔ)充[40]。浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)與浮選效果、浮選藥劑對(duì)氣泡的物理影響、浮選速率常數(shù)甚至金屬回收率之間的緊密聯(lián)系也已被證實(shí)。隨著浮選設(shè)備容積的穩(wěn)步增加以及各類新型浮選器件(例如SFR)逐步問世,浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)將越來越多地被用作制定浮選機(jī)放大標(biāo)準(zhǔn)[18]。值得關(guān)注的是,部分主流浮選設(shè)備制造商(例如奧圖泰)曾多次考慮在其研發(fā)的新型浮選設(shè)備中嘗試植入新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器系統(tǒng)[27]。

盡管浮選技術(shù)在百年前就已被發(fā)明和引入工業(yè)化應(yīng)用,但浮選進(jìn)程中氣泡的重要性,近二十年才逐漸被發(fā)現(xiàn)和重視,研究人員更進(jìn)一步通過研究和實(shí)踐,構(gòu)建了氣泡尺寸和浮選關(guān)鍵性操作參數(shù)之間的量化關(guān)系[5,27]。本文開創(chuàng)性地將浮選氣泡尺寸(D32)與起泡劑類型和濃度、氣體速率、礦漿黏度以及海拔高度等因素進(jìn)行了量化關(guān)聯(lián)。通過研究證實(shí),在廣度較大的葉輪外緣速度范圍內(nèi)(4.6～9.2 m/s),通過不斷提升浮選設(shè)備軸功率強(qiáng)度(從基準(zhǔn)值逐步提升到八倍基準(zhǔn)值),D32未顯示出明顯的變化,因此結(jié)果證明葉輪外緣速度與氣泡尺寸之間不存在量化關(guān)系。本發(fā)現(xiàn)顛覆了之前一些學(xué)者們提出的觀點(diǎn),但也與一些研究文獻(xiàn)中的意見相似[18,25,41-43]。筆者認(rèn)為,導(dǎo)致不同觀點(diǎn)出現(xiàn)的可能原因是,在測(cè)試過程中,是否使用了設(shè)計(jì)科學(xué)合理的浮選設(shè)備,以及是否正確地選擇了在浮選槽內(nèi)葉輪邊緣附近剪切力最強(qiáng)區(qū)域內(nèi)開展氣泡采集。實(shí)際上,大量的微米級(jí)氣泡由于受到流化床循環(huán)效應(yīng)的誘導(dǎo),在該區(qū)域進(jìn)行了過度聚集,同時(shí)影響了浮選槽內(nèi)其他區(qū)域的氣泡尺寸分布。測(cè)試結(jié)果顯示,美卓Metso 0.8 m3半工業(yè)化浮選機(jī)內(nèi)部“擱板”和“擋板”是一種非常優(yōu)異的設(shè)計(jì),可通過創(chuàng)建獨(dú)特的湍流和靜止區(qū)域來隔離和消除“氣泡過度聚集”影響。根據(jù)對(duì)浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的定義,流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量范圍只與離開捕收區(qū)進(jìn)入泡沫區(qū)的氣體和氣泡有關(guān),并不需要考慮葉輪區(qū)域流化床的動(dòng)力學(xué)條件。在浮選流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域外進(jìn)一步討論浮選槽軸功率強(qiáng)度提升但未顯著影響氣泡尺寸的其他原因超出了本文的研究邊界范圍,但是葉輪區(qū)域的高空隙率(25%～50%)和自由流湍流度,很可能導(dǎo)致作用在氣泡上的破裂力較少依賴于速度(形式阻力)而更多地依賴于礦漿黏度(摩擦阻力),這可以用作對(duì)觀察到的葉輪外緣速度和礦漿黏度之間關(guān)系的一種解釋。另外,Gomez 詳述的靜態(tài)水壓的標(biāo)準(zhǔn)修正值[26],在計(jì)算氣泡尺寸(D32)時(shí)仍應(yīng)予以考慮。

從D32經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢缘贸鲆粋€(gè)重要的結(jié)論,即引入和使用CCCX概念可用于預(yù)測(cè)起泡劑類型和濃度對(duì)D32的影響。以給定起泡劑的CCC95 值(表觀氣速Jg=0.5 cm/s)和相對(duì)于其CCC95 值的起泡劑濃度為基準(zhǔn)值,研究表明,隨著濃度的增加,所有類型起泡劑的D32均以指數(shù)形式減小,隨后達(dá)到其極限氣泡尺寸Dlimiting。而當(dāng)CCC95 越高,其極限氣泡尺寸越低。以圖14 為例,通過帶入D32模型,可解讀出一些重要的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)間關(guān)系。例如圖14(a)顯示了Sb可以作為不同表觀氣速Jg下起泡劑濃度的指向性函數(shù),并可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員,在各曲線由陡變緩的后半?yún)^(qū)間所對(duì)應(yīng)的起泡劑濃度,才是相對(duì)最適當(dāng)?shù)?。從公?17)、(18)中,可以得到用于指導(dǎo)實(shí)踐的另一結(jié)論,即當(dāng)CCC95 隨Jg的升高而增大時(shí),應(yīng)適當(dāng)上調(diào)起泡劑濃度來維持當(dāng)下槽內(nèi)的浮選流體動(dòng)力學(xué)性能。如圖14(a)所示,在0.5 cm/s 的Jg條件下,起泡劑(以DF-250 為例)的建議使用濃度為12 g/t;但當(dāng)Jg上升至1.5 cm/s 時(shí),則DF-250 的使用濃度應(yīng)相應(yīng)調(diào)整至15 g/t,以維持槽內(nèi)相似的D32與Sb。如圖14(b)所示,在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下,為達(dá)到更低的極限D(zhuǎn)32氣泡尺寸,可通過選擇CCC95 值較高的起泡劑種類來實(shí)現(xiàn)(氣泡尺寸為最小時(shí),則可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的Sb值最大化,從而達(dá)到槽內(nèi)浮選流體動(dòng)力學(xué)性能最優(yōu))。

圖14 模型預(yù)測(cè)效果Fig.14 Model prediction effect

前期研究表明,可以從起泡劑的分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)CCC95 值,從而消減掉目前需要的浮選流體動(dòng)力學(xué)指標(biāo)測(cè)試時(shí)間與測(cè)試過程[44-45]。其研究結(jié)果顯示,僅僅通過HLB 參數(shù)(親水—親脂平衡度),一個(gè)衡量化合物在液態(tài)環(huán)境下的溶解度的量化參數(shù),就可以精確地估測(cè)出起泡劑(醇或聚乙二醇)的CCC95 值[44]。

通過從以往文獻(xiàn)中獲得的數(shù)據(jù)[5,27,46],本次研究成功搭建了聚乙二醇和醇基起泡劑的CCC95 與HLB對(duì)比趨勢(shì)圖,如圖15所示。各種親水(如OH—)和疏水(親脂)(如CH—)基團(tuán)被指定編號(hào),以反映它們對(duì)分子的相對(duì)溶解度貢獻(xiàn)。HLB 的細(xì)節(jié)在此文中不多做敘述,但可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[47]。起泡劑的典型HLB 值在4 到10 范圍內(nèi),HLB 值越高表明其更易溶于水。本次研究擴(kuò)大了起泡劑研究范圍,將HLB 參數(shù)與CCC95 和極限氣泡尺寸的關(guān)系更進(jìn)一步地緊密聯(lián)系起來,并且通過搭建HLB-CCC95模型,“一鍵式”精準(zhǔn)預(yù)測(cè)起泡劑對(duì)D32和Sb的量化影響。相關(guān)后續(xù)工作也正在開展過程中。

圖15 聚乙二醇與醇基起泡劑的CCC95 與HLB 對(duì)比趨勢(shì)圖(MW 為分子量)Fig.15 Comparison trend chart of CCC95 and HLB between polyethylene glycol and alcohol based foaming agents(MW as molecular weight)

雖然D32模型是在兩相(水-氣)系統(tǒng)/環(huán)境下開發(fā)和搭建,但與三相系統(tǒng)/環(huán)境下的測(cè)試數(shù)據(jù)的良好相關(guān)性,足以說明其在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中依舊具備較強(qiáng)的實(shí)踐意義及指導(dǎo)性。在對(duì)普朗銅礦等大型有色金屬礦山開展的大量和廣泛的測(cè)試工作結(jié)果顯示,對(duì)于浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定,與起泡劑、氣體速率和礦漿黏度等主要影響因子相比,三相浮選系統(tǒng)中固體顆粒本身對(duì)其的影響是相對(duì)次要的。當(dāng)然,在某些特殊的情況下,如在高礦漿濃度、微細(xì)粒度或者高氣泡負(fù)載等相對(duì)極限條件下,次級(jí)效應(yīng)也可能對(duì)浮選流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)踐過程中,還需要關(guān)注的一點(diǎn)是,在調(diào)整起泡劑濃度時(shí),應(yīng)將礦漿中起泡劑的殘留濃度(或產(chǎn)生起泡效應(yīng)的其他添加物濃度)一并予以考慮。例如,當(dāng)循環(huán)水加入到浮選礦漿中,或選廠用水的含鹽度較高時(shí),也會(huì)增加整體的起泡特性[28-30,39,48]。

4 結(jié)論

(1)借助半工業(yè)化大型充氣式浮選機(jī)及新一代浮選流體動(dòng)力學(xué)特征閾值傳感器,本次工作搭建了兩相(氣-水)系統(tǒng)/環(huán)境下能夠有效預(yù)測(cè)D32和Sb的整體模型。根據(jù)選廠實(shí)地裝置運(yùn)行的驗(yàn)證數(shù)據(jù),該模型也適用于絕大多數(shù)的三相(氣-水-固)系統(tǒng)/環(huán)境。

(2)模型表明,起泡劑濃度是影響氣泡尺寸的最重要變量,其次是氣速、礦漿黏度以及起泡劑類型,再次為所在區(qū)域海拔高度。研究顯示,葉輪外緣速度與氣泡尺寸與分布之間不存在量化關(guān)系。

(3)D32和Sb的整體模型可被視為一種功能多樣的基準(zhǔn)類工具,可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過適當(dāng)調(diào)整選礦藥劑濃度、充氣量等方式和手段提升浮選設(shè)備浮選流體動(dòng)力學(xué)指標(biāo)效能,進(jìn)而有效提升選廠整體的金屬回收率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)水平。