浮选中颗粒-气泡间相对运动研究进展

颗粒-气泡间相对运动的研究对浮选机理的认知至关重要,对新型浮选机的开发和提高浮选效率均具有指导意义,本文系统综述了颗粒-气泡间相对运动的研究进展。早期研究过程中,研究者忽略了颗粒和气泡性质的影响,将颗粒视为随流线运动的点,气泡视为刚性球体,利用流线方程对颗粒-气泡间的相对运动展开研究;随着认知过程的不断深入,颗粒和气泡物理化学性质的影响逐步得到了关注,研究者分别从颗粒惯性力、重力、形状和粗糙度以及气泡表面流动性等方面并展开了大量研究;颗粒-气泡间相对运动的试验研究多通过颗粒沉降法进行,研究对象由单个玻璃微珠发展为大量矿物颗粒,且出现了关于运动玻璃球与上升气泡之间相对运动的研究。研究表明,当颗粒粒度较细、密度较小时,利用流线方程对颗粒-气泡间相对运动的研究具有一定的适用性;当颗粒粒度较粗、密度较大时,需考虑正负惯性力、重力等因素对颗粒-气泡间相对运动的影响。此外,颗粒形状的不规则性会影响颗粒周围液体对颗粒的作用力,导致临界碰撞半径减小,且颗粒表面不规则的凸起会促进颗粒-气泡间水化膜的破裂,减少诱导时间,增大颗粒表面粗糙度有助于增强颗粒-气泡间的黏附强度。气泡表面的流动性可采用"滞留帽"模型进行分析,具有较好的适用性。对于颗粒-气泡间相对运动的试验研究主要采用颗粒沉降法,亲水玻璃微珠只能在气泡上半球滑行,到达气泡赤道位置附近后便离开气泡,疏水玻璃微珠会刺破颗粒-气泡间的水化膜,越过气泡赤道后会继续沿气泡表面滑行并最终黏附在气泡底部,煤颗粒与气泡的黏附效率随碰撞角和密度的增大而减小。然而目前的试验研究多集中于静水领域,对于浮选流场中颗粒-气泡间相对运动的试验研究尚需进一步探索。     

密度对细粒煤颗粒与气泡间相对运动的影响

颗粒与气泡间相对运动的研究对浮选机理的认识十分重要,目前关于颗粒与气泡间相对运动的研究多为理论推导,试验研究比较匮乏且试验对象多为形状规则,表面性质均匀的颗粒。以内蒙古公乌素原煤为研究对象,利用自行设计搭建的试验装置研究了粒级为0.100～0.074 mm、密度级分别为-1.3,1.4～1.5和+1.7 g/cm~3的煤样与气泡间的相对运动。试验通过追踪大量煤颗粒的运动轨迹,研究了颗粒沉降阶段、运动轨迹偏离阶段和碰撞阶段中颗粒运动特征参数的变化规律。试验结果表明:颗粒当量直径均值为0.092 mm,颗粒经短暂加速后便达到沉降末速,颗粒沉降末速随颗粒当量直径和密度的增大而增大。气泡会影响颗粒的运动轨迹,同一初始沉降区间内,竖直方向上煤样轨迹偏离点到气泡的距离随煤样密度的增大而减小。静水条件下颗粒和气泡碰撞角的主分布区间为20°～50°,且碰撞区间和颗粒集中分布区间随初始沉降区间向外扩展而扩展。颗粒和气泡的碰撞角小于50°时,碰撞点处颗粒速度减小比例随碰撞角增大近似直线减小,碰撞角大于50°时,碰撞点处颗粒速度减小比例趋于平稳,低密度颗粒的速度减小量大于高密度级颗粒的速度减小量,然而差异并不明显。理论计算发现,颗粒初始沉降位置距气泡中轴较近时理论碰撞速度较小,且颗粒理论碰撞速度随颗粒初始沉降位置向外扩展而增大,与试验规律较为吻合。     

煤颗粒与气泡黏附行为的试验研究

浮选微观模型认为,颗粒与气泡的黏附是实现浮选的关键步骤,对颗粒与气泡黏附规律的直接研究非常重要。采用自行设计搭建的颗粒与气泡碰撞、黏附行为测量装置,以内蒙古公乌素原煤为试验对象,直接观测了不同密度级的0.1~0.15 mm粒级煤样的黏附行为,并采用自行开发的多目标追踪软件进行分析。结果表明:煤颗粒在与气泡碰撞前会发生绕流,速度大小和方向均会改变,当煤颗粒与气泡碰撞时,煤颗粒的速度降为最低。煤颗粒在气泡表面的滑动速度先是逐渐增大,在气泡"赤道"位置处达到最大值,越过"赤道"后,煤颗粒的滑动速度逐渐减小,并最终黏附在气泡底部。煤颗粒与气泡的黏附效率随碰撞角的增大而降低,在碰撞角相同时,随煤样密度级的增大,黏附效率降低,临界黏附角减小。随煤颗粒沉降末速的增大,煤颗粒与气泡的黏附效率降低,临界黏附角减小。     

旋流器中颗粒临界直径和颗粒间的碰撞

介绍了浮选过程中关键设备—气泡发生器以及结构与工作原理。详细介绍随着流场强度和气泡大小的变化,浮选颗粒临界尺寸的变化。描述了颗粒在流场中的受力状态以及它们的碰撞效率。     

浮选柱内紊流强度对气泡与颗粒碰撞概率的影响

文章首先介绍了KYZ-B型浮选柱的动力学分区,论述了矿物颗粒所需矿化环境与浮选柱紊流区的特点。借助计算流体力学及气泡紊流雷诺数和碰撞概率模型,分析三种不同尺寸颗粒与气泡的碰撞概率,表明100μm颗粒的碰撞概率整体分布都较74μm和37μm颗粒的大,37μm颗粒的碰撞概率整体最小。研究了4个充气速度100、140、180、220 m/s条件下,距充气入口200、400、600、800、1 000 mm的不同位置直线上气泡雷诺数和颗粒碰撞概率的分布。结果表明,相同充气速度条件下,充气紊流区内气泡紊流雷诺数、颗粒的碰撞概率明显大于其他区域;浮选柱给矿口区域由于矿浆流的冲击,增大了气泡运动能量;相同位置充气速度的增大会增加充气紊流区的气泡湍流雷诺数和颗粒与气泡碰撞的概率,为细粒矿物的矿化创造了条件。     

微纳米气泡对细粒稀土矿物聚团行为的影响

通过自制微纳米气泡产生装置,研究微纳米气泡对细粒稀土矿物聚团行为的影响。运用图像拍摄系统和Image J图像处理软件,对絮团进行了粒度级的划分,通过统计学的方法和Stokes沉降公式对每个粒度级的絮团与气泡的碰撞及吸附效率进行了分析与计算,较为直观的揭示了微纳米气泡对絮团形态特征的影响。研究结果表明:微纳米气泡的粒径会影响絮团粒度及密度,而絮团的粒径和絮团密度对碰撞效率和吸附效率起主导作用。     

絮团形态学特征对絮团与气泡碰撞、吸附的影响

为了研究絮团的形态对絮团与气泡碰撞及吸附的影响,设计了图像分析系统,拍摄了絮团与气泡接触过程中的视频文件并从中提取含有絮团位置及形态特征的静态帧。使用Image Pro Plus 6.0根据絮团的粒径对絮团进行了粒度级的划分,使用统计学的方法,对每个粒度级的絮团与气泡的碰撞及吸附效率进行了分析及计算,发现碰撞效率随絮团粒径的增加而增长,吸附效率先随着粒径的增加而增长但是在絮团粒径为200μm左右时出现转折,开始下降。利用Matlab位置提取程序对絮团运动过程中位置信息进行获取,根据Stokes沉降原理,计算絮团密度,发现絮团的密度随着粒径的规律性变化,在粒径为170μm时密度最大。认为絮团粒径对碰撞效率起主导作用,絮团密度对吸附效率起主导作用。此外,通过观测絮团与气泡接触过程发现,结构密实的絮团自与气泡发生接触后接触点恒定,而结构疏松的絮团与气泡接触后普遍存在旋转的现象,接触点的变化,导致结构疏松的絮团极易从气泡上脱落,吸附效率低。     

煤颗粒密度和粒度及浓度对浮选效果的影响研究

为研究煤颗粒密度、粒度及浓度对浮选末速度的影响,构建了颗粒-气泡结合体模型,并在此基础上推导出了其上浮末速度计算公式;运用上浮末速度计算公式可计算出不同密度、粒度、浓度时颗粒-气泡结合体的上浮末速度。计算结果表明:煤颗粒粒度越大,不同密度、浓度的颗粒-气泡结合体上浮末速差值越大;煤颗粒浓度越大,不同粒度、密度的颗粒-气泡结合体上浮末速度越接近。     

旋流器底流口直径及入料性质对固体颗粒运动的影响研究

结合水力旋流器分级原理,利用计算流体力学的原理和方法,在底流口直径和入料性质参数多个水平下,对旋流器内部流场进行了数值模拟,揭示了两因素对旋流器分级的影响。结果表明:增大底流口直径,流场内流速降低,零速包络面向内向上收缩,分级粒度变小;增大入料固体颗粒密度、粒度或者质量浓度,固体颗粒指向中心的径向速度减小,底流产率增加,细颗粒含量增加。根据选煤厂的实际生产工况,合理设计旋流器的结构参数,对控制分离粒度、提高分级效率尤为重要。     

淀粉分子结构对钛铁矿与浮选气泡间相互作用的影响研究

淀粉是由糖苷键结合的多糖聚合物,可作为调整剂运用于钛铁矿反浮选脱硅。矿物颗粒与浮选气泡 的相互作用是决定矿物浮选效率的关键因素,而不同的淀粉由于分子结构的差异对其有重要影响。研究了在不同 玉米淀粉作用下的钛铁矿颗粒与气泡的碰撞及黏附过程。采用自行搭建的颗粒-气泡相互作用观测装置,发现不 同淀粉组分对钛铁矿颗粒与气泡的碰撞概率及黏附概率有重要影响。结合接触角检测和激光粒度测试试验推测 支链淀粉含量越高的淀粉分子更容易团聚矿物颗粒从而增大其与气泡的碰撞概率,且其更容易减小钛铁矿疏水性 从而降低其与气泡的黏附力。最后基于试验结果和前人理论,建立了颗粒与气泡碰撞及黏附过程的数学模型,并 讨论了淀粉分子结构在模型中的作用。     

淀粉分子结构对钛铁矿与浮选气泡间相互作用的影响研究

淀粉是由糖苷键结合的多糖聚合物，可作为调整剂运用于钛铁矿反浮选脱硅。矿物颗粒与浮选气泡 的相互作用是决定矿物浮选效率的关键因素，而不同的淀粉由于分子结构的差异对其有重要影响。研究了在不同 玉米淀粉作用下的钛铁矿颗粒与气泡的碰撞及黏附过程。采用自行搭建的颗粒-气泡相互作用观测装置，发现不 同淀粉组分对钛铁矿颗粒与气泡的碰撞概率及黏附概率有重要影响。结合接触角检测和激光粒度测试试验推测 支链淀粉含量越高的淀粉分子更容易团聚矿物颗粒从而增大其与气泡的碰撞概率，且其更容易减小钛铁矿疏水性 从而降低其与气泡的黏附力。最后基于试验结果和前人理论，建立了颗粒与气泡碰撞及黏附过程的数学模型，并 讨论了淀粉分子结构在模型中的作用。     

流态化浮选气泡直径对粗粒中煤分选效果的影响研究

流态化浮选为结合重选与浮选特点的新兴粗粒分选技术,其在传统的流态化干扰床分选中引入微泡以增大煤与矸石颗粒之间的密度差异,可有效提高粗粒煤的分选效率。气泡直径是影响分选效果的关键因素之一,通过改变气泡发生器结构以产生2种不同尺径分布的气泡群,探究气泡直径对不同粒级粗粒煤炭的分选影响。结果表明:随着中煤入料粒级的增大,流态化浮选的精煤产率和回收率逐渐减小;在不同粒度级入料条件下,减小气泡尺度有利于中间粒度级煤炭颗粒的流态化浮选回收;流态化浮选后的精尾煤粒度出现分级现象,而气泡尺度减小可有效减小粗粒度级精尾煤的分级程度。     

基于湍流涡调控的煤气化渣炭-灰浮选分离过程强化

煤气化渣因炭、灰包裹夹杂严重、嵌布粒度细，导致浮选分离困难，制约了其资源化利用。浮选大多发生在湍流环境中，调控湍流是强化微细颗粒矿物浮选回收的有效途径，湍流小尺度涡直接作用于微细颗粒运动，研究借助涡流发生器实施湍流涡调控以进行煤气化渣中的炭-灰浮选分离过程强化。利用计算流体力学数值模拟对涡流矿化管内部流场进行数值计算，分析涡流发生器结构对湍流特征参量及煤气化渣浮选指标的影响，在此基础上设计了与矿物可浮性相适配的梯级涡流浮选过程。结果表明：管内矩形涡流发生器可诱导出发卡涡、流向涡及旋转方向相反的二次流向涡对，涡-涡、涡-主流之间的交互作用显著提高了湍流动能、降低了涡尺度，有利于微细颗粒与气泡间的碰撞。涡流发生器的倾斜角度从25°增至55°时，湍流动能均值由0.041 m²/s²增到0.142 m²/s²,最小涡尺度均值由16.10μm减至10.34μm。采用内置结构相同涡流发生器的均衡涡流浮选装置对煤气化渣进行炭-灰浮选分离试验，不同粒级浮选回收率表明，粒度越细，需要的湍流动能越大、涡尺度越小，诱发的...     

煤颗粒与气泡间相对运动过程的试验研究

针对当前颗粒与气泡间相对运动过程研究中理论推导居多、试验研究相对匮乏的情况,在阐述和分析两种颗粒与气泡间相对运动过程监测方法的基础上,提出了一套颗粒与气泡碰撞、黏附行为测量系统,并利用该系统对内蒙古公乌素原煤颗粒与气泡间的相对运动过程进行了观测。试验结果表明:在远场区,煤颗粒处于自由沉降状态,运动轨迹不受影响,进入近场区后,受气泡阻力的影响,煤颗粒逐渐偏离原来运动轨迹,趋于沿气泡切线方向运动;在远场区,煤颗粒以沉降末速向气泡逼近,随着二者间距离的不断减小,煤颗粒运动速度逐渐降低,且在二者碰撞时达到最低,之后煤颗粒沿气泡表面向下滑落,运动速度逐渐增大,当滑落至气泡"赤道"位置时达到最大,越过气泡"赤道"位置后又开始降低;当煤颗粒滑落至气泡中心以下0.34 mm位置时,彻底从气泡上脱落。     

无烟煤颗粒对浮选体系中气泡运动及兼并行为的影响

为探究颗粒浓度及粒度对浮选体系中气泡运动及兼并行为的影响,以无烟煤颗粒为研究对象,采用单气泡兼并行为观测系统,对不同条件下的气泡兼并行为进行了研究。试验结果表明:随着无烟煤颗粒浓度的增加,溶液的表面张力及气泡挣脱直径逐渐下降,但下降趋势逐渐变缓;随着颗粒粒度的增加,二者变化趋势不明显;气泡的运动速度随着颗粒粒度和浓度的增加而减小,同时减少了气泡与液面碰撞弹跳次数。     

湍流场中浮选颗粒-气泡脱附行为的尺寸效应研究

湍流诱发浮选颗粒-气泡脱附已达成广泛共识,但湍流场中颗粒的脱附行为机制仍未明晰。传统离心脱附理论认为当颗粒所受离心力大于毛细力时颗粒从气泡表面脱附,忽略了颗粒重力对浮选颗粒-气泡间稳定性的影响,且未考虑不同尺寸颗粒间的脱附行为差异。采用自制的微流体通道湍流槽探索了湍流涡中不同尺寸颗粒的脱附行为,运用Image-Pro Plus图像处理软件对颗粒脱附过程的动力学参数进行测量分析。结果表明,粗颗粒(2.0 mm)质量大,颗粒在气絮体升浮阶段发生直接脱附;而中颗粒(1.0 mm)和细颗粒(0.5 mm)质量小,气泡会带动颗粒由湍流槽底部向湍流涡中心旋转迁移,同时颗粒在气泡表面高速旋转发生离心脱附。此外,颗粒稳定性分析表明传统邦德(B_O^*)模型并不能对湍流场中的颗粒-气泡气絮体稳定性进行准确判断,颗粒易受湍流涡加速或气泡振荡的影响,导致颗粒脱附时邦德数在1左右波动。     

浮选机内气液两相流数值模拟

基于群体平衡理论和CFD数值计算方法,考虑不同尺寸气泡及气泡间聚并与破碎,建立了气液两相流的CFD-PBM耦合模型。应用该模型和Fluent软件对某铝厂的KYFⅡ-40型机械搅拌充气式浮选机内的矿浆-气泡两相流进行数值模拟,获得了其两相流场、气含率和气泡尺寸分布等信息。模拟结果表明,在生产工艺条件下,浮选机内的流体在转子带动下形成上下两个循环流场;气含率保持在0.1左右,壁面附近及循环流场的中心处气含率偏高,并沿气液混合区向气液分离区减少;气液混合区的气泡变化以破碎为主,气泡较小,分离区的气泡变化以聚并为主,且气泡尺寸逐渐增大;气泡尺寸总体上呈多峰分布,其主峰对应的气泡直径位于3~4mm之间,有利于提高浮选生产效率。     

冲击倾向性煤体强度尺寸效应的影响因素研究

为理清煤体强度尺寸效应数值模拟过程中力学参数折减的原因,以强度尺寸效应作为问题切入点,通过实验室试验探讨强冲击倾向性煤体强度尺寸效应,结合最弱链理论的Weibull分布推导强度尺寸效应的理论公式,利用数值模拟研究强度尺寸效应的影响因素。研究结果表明:冲击倾向性煤体强度具有明显的尺寸效应,随着尺寸(长、宽、高)增大,强度降低,两者符合指数函数关系;概率统计分布能够表达出强度尺寸效应内在本质,指出均质度m是煤岩体强度尺寸效应的主要影响因素;数值模拟结果显示:在尺寸一定时,随着均质度增大,煤岩强度表现为上凸的增长曲线,按照强度大小变化可划分为3个阶段,即波动上升阶段、快速增长阶段、渐缓增长阶段;随着均质度增大,强度趋于收敛,极限值即为煤岩体细观尺寸强度;随着均质度增大,尺寸变化对强度的影响程度降低。     

静态煤粉分离器中颗粒运动特性数值模拟研究

为了研究不同性质的颗粒在静态煤粉分离器内部的运动行为,利用Fluent数值模拟软件包,采用雷诺应力模型(RSM)和离散相模型(DPM)对分离器内的流场流态和不同粒度、密度颗粒的运动轨迹进行模拟,并从动力学角度分析了颗粒在第一分离区和离心分离区的运动状态,同时使用实验室静态分离器进行试验验证。研究结果表明,模拟数据与实验室实验数据结果匹配度良好,颗粒的密度越大在流场中的加速度越小,密度通过影响颗粒在流场中的运动,进而影响颗粒的分离效率;颗粒在第一分离区为单一的轴向运动,在离心分离区为复杂的三维旋转运动,湍流场对颗粒"鱼钩效应"的产生有一定的影响。     

起泡剂作用下悬浮液中气泡的上升特性研究北大核心

利用高速摄像技术研究了起泡剂作用下悬浮液中气泡上升时的行为特性。观察在起泡剂作用下气泡脱离管口后0~100 ms内气泡上升形态与尺寸的演变过程,对比分析了正戊醇、聚乙二醇200和甲基异丁基甲醇三种起泡剂对固液悬浮液中气泡上升特性的影响规律差异,揭示了不同正戊醇浓度对悬浮液中气泡形态、尺寸、运动速度和上升轨迹的影响规律。研究结果表明,三种起泡剂相比,正戊醇抑制气泡形变,减小气泡尺寸,降低气泡垂直速度,抑制气泡水平运动,规范气泡上升轨迹的能力强于其他两种起泡剂;随着正戊醇浓度的增大,对气泡上升时的形变、尺寸、垂直速度、水平运动、上升轨迹的作用增强,但效果不明显;在同一正戊醇浓度作用下,增加颗粒浓度以及减小颗粒粒度会使气泡上升时的形态趋于球形或椭球形,气泡尺寸增大。