浮选柱技术

澳大利亚纽卡赛尔大学 Jameson 教授 1987 年发明的一种新型浮选柱,自发明后在选煤厂和选 矿厂都得到了广泛的应用。詹姆森浮选柱从 1990 年初开始在芒特·艾萨、希尔顿、田纳特 湾(Tennant Creek)矿山和纽兰德煤矿应用至今。詹姆森浮选柱主要由柱体和带混合头的下导 管组成。 其工作原理是:将调好药剂的矿浆用泵经入料管打入下导管的混合头内, 通过喷嘴形 成喷射流而产生一负压区, 从而吸入空气产生气泡, 形成一股稳定的气、液、固三相混合流, 精矿颗粒在下导管内与气泡碰撞矿化, 下行流从导管底口排入分离柱内, 矿化气泡上升到柱 体上部的泡沫层, 经冲洗水精选后流入精矿溜槽, 尾矿则经柱体底部锥口排出。其结构示意 图如图 2-3。
第 2 章 浮选柱的历史、基本结构、类型及 应用
2.1 引 言
随着矿物加工工业的发展，品位低、嵌布粒度细、矿物组成复杂的难选矿石所占比例日益增 大，而冶金、材料等用户对矿产品的质量要求愈来愈高，加之环境保护、经济效益等方面的 压力，使矿物加工工业面临着前所未有的挑战，给加工工艺方法、药剂和设备的研究提出了 更高的要求。 浮选技术作为一种重要的矿物加工技术， 从出现到现在已经有一百多年的历史， 在这一百多 年中浮选理论、药剂、设备都有了很大的发展。其中浮选设备性能的优劣在很大程度上决定 着浮选指标的高低。所以在选择浮选设备时，要使其具备以下的性能和特点：1)良好的充气 性能，适量空气进入并充分弥散成为大小适中的均匀气泡；2)气泡与疏水颗粒高效碰撞、粘 附并顺利浮出排走，尽量减少亲水性颗粒的夹带；3)处理能力大，动力、药剂消耗低，投资 省，运转可靠，操作维修方便，适宜自动控制。 最初发明的浮选设备是浮选机， 最早的浮选机不论是选矿效果还是功率消耗方面都不能达到 人们的要求，后来经过不断的改进，特别是在理论及药剂的协同发展下，使得浮选机在大型 化及浮选效果方面都有了长足的进步，但在处理微细粒矿物方面还不是很理想。基于此，一 种新的浮选设备被发明了， 那就是浮选柱， 这种设备在处理微细粒矿物方面有其绝对的优势， 但由于最初的浮选柱设计方面存在的一些缺陷， 使得在早期并没有被很好的推广应用， 到了 现在由于其本身结构的不断改进以及新技术的应用， 使得浮选柱成为了一种很有前途的浮选 设备。
旋流微泡浮选柱是由中国矿业大学的欧泽深教授提出并获得专利的。 其最大特点是集浮选与 旋流力场中的重选于一体,可对中矿进行扫选,提高了精煤回收率；同时采用了外置自吸式微 泡发生器,大量节能。旋流微泡浮选柱的主体结构包括柱浮选、旋流分选、管流矿化三部分， 见图 2-4。整个设备为柱体,柱浮选段位于柱体上部,它采用逆流碰撞矿化的浮选原理,在低紊 流的静态分选环境中实现微细物料的分选,在整个柱分选方法中起到粗选与精选作用;旋流分 选与柱浮选呈上、下结构连接,构成柱分选方法的主体;旋流分选包括按密度的重力分离以及 在旋流力场背景下的旋流浮选。旋流浮选不仅提供了一种高效矿化方式,而且使得浮选粒度 下限大大降低,浮选速度大大提高。旋流分选以其强回收能力在柱分选过程中起到扫选柱浮 选中矿作用。 管流矿化利用射流原理,通过引入气体及粉碎成泡,在管流中形成循环中矿的气固- 液三相体系并实现了高度紊流矿化。管流矿化沿切向与旋流分选相连,形成中矿的循环 分选。该设备具有运行稳定、分选选择性好、效率高、处理能力大、电耗低、适应性强等特
固气 固液 液气 cos
（1）
式中 固气 、 固液 和 液气 表示固气、固液和液气界面的自由能； 为接触角。 上式表明，接触角 是三个相界面自由能的函数，它既与矿物表面性质有关，也与液相、气 相的界面的性质有关。 凡是能引起任何三相界面自由能改变的因素， 都可以影响矿物表面的 润湿性。 同时还可以看到接触角 值越大， cos 值愈小，这说明矿物润湿性愈小，其可浮性愈好。 并且 cos 值介于 0~1 之间。于是对矿物的润湿性与其可浮性的度量可定义为： 润湿性= cos 可浮性=1- cos ； 由此可见，通过测定矿物的接触角，可以对矿物的润湿性和可浮性做出大致的评价。
2.2 浮选柱的发展历史
浮选柱的设计思想源于 1915 年[1]。当时把一个从中部给入矿浆而从底部充气的圆柱体容器 作为石墨浮选的设备，后来人们为了克服矿石在底部的沉积，安装了搅拌装置，因而逐渐演 变为现在的浮选机。但在二十世纪六十年代，加拿大工程师 Bouttin 申请了带泡沫冲洗水装 置的现代意义的第一个浮选柱专利。 其后， 在前苏联和中国迅速形成了浮选柱研究和开发应 用的热潮。 但由于早期浮选柱采用的内部气泡发生器结构上存在一些缺陷， 主要原因表现在 气泡发生器易堵塞、脱落和破裂,充气不均,流态不稳定,停机必须排出机内滞留矿浆以及缺乏 按比例放大的正确方法[2]，并且体积又偏大，所以大多数工业应用未能持久。到 70 年代时 浮选柱的研究陷入低谷。 进入 80 年代,由于对浮选柱气泡发生器和运行稳定控制上的研究取 得较大进展,同时由于矿产资源的日益匮乏，矿物的嵌布粒度越来越细，这些都要求有一种 对细粒矿物有很好分选效果的设备的出现， 而这些正好是浮选柱所拥有的优点之一， 这样就 促使各国将目光再度转到浮选柱的设计和研究上。在设计方面出现了一大批新型的浮选柱， 如国内的旋流-静态微泡浮选柱、喷射式浮选柱、充填浮选柱[3]以及加拿大的 CFCC 浮选柱,
图 2-1 加拿大 Boutin 浮选柱示意图 1 入料箱；2 入料管；3 柱体；4 充气器； 5 精矿收集槽；6 尾矿管 浮选柱一般为细长的柱型结构，早期工业浮选柱较高，一般柱高 9~15m,直径 0.5~3.0m,断面 为矩形或圆形。 矿浆从上部约 1/3 的位置给入柱体内。 另一方面,通过在柱体内设置的气泡发 生器,从底部导入空气而产生气泡。 此外,为了提高泡沫产品的品位,在泡沫槽上部设置冲洗水 装置。在柱体内向下移动的矿浆与上升的气泡逆流接触,疏水性矿粒在气泡上附着(捕收区), 进而随气泡上升至泡沫槽中,由于冲洗水精选而成为精矿(精选区)没有在气泡上附着的矿粒 作为浆状尾矿从浮选柱下部排出。 （2）充填介质浮选柱[7] 1985 年,美国的杨锦隆教授发明了充填式浮选柱。 该浮选柱除具有传统浮选柱的优点外,还克 服了传统浮选柱气泡易兼并、 易产生强烈紊流形成翻花等流态问题。 充填式浮选柱没有发泡 器，在柱内装有多层波形介质以构成更多有规则的迂回曲折通道，空气从下部进入，经过通 道时形成均匀气泡并携带疏水矿粒上浮。其结构见图 2-2。 （3）詹姆森浮选柱[8]
德国的 KHD 浮选柱,美国的 Flotair 浮选柱、VPI 微泡浮选柱、MTU 型充填介质浮选柱和 Wemco 利兹浮选柱,前苏联的乌克兰浮选柱 , ФП浮选柱,澳大利亚的詹姆森浮选柱及全泡 沫浮选柱,印度的电浮选柱和磁浮选柱等[4]。其中在中国旋流-静态微泡浮选柱已在许多矿山 上得到应用。世界范围内对基础理论、结构型式、发泡方式、模拟放大及自动控制等方面的 研究上取得了长足的发展 ,获得重大专利技术 100 余项 ,并成功地将浮选柱应用于各种矿石 的工业浮选和废水处理[5]。
1.2 矿物表面的润湿性和可浮性 1.2.1 润湿现象
矿物润湿性的好坏的最直观的标志、 就是被水润湿的程度不同。 易被水润湿的矿物叫做亲水 性矿物，不易被水润湿的矿物叫做熟水性矿物。 矿物表面的亲水或是疏水程度，常用接触角θ来度量。在液体所接触的固体（矿物）表面与 气相（气泡、空气）的分界点处，沿液滴或是气泡表面作切线，则此切线在液体一方的，与 固体表面的夹角称为“接触角” 。 亲水性矿物接触角小，比较难浮；疏水性矿粒接触角大，比较易浮。
第 1 章 浮选发展和应用
1.1 浮选历史简介
浮选是泡沫浮游选矿的简称。 从其表面意思我们可以知道， 浮选就是用泡沫将可用矿物上浮 从而达到富集的效果。 十九世纪，由于工业发展需要大量矿物原料，要处理当时大量堆积的铅锌矿尾矿，而开始在 澳大利亚铅锌矿山试用原始的浮选方法。 1860 年首次用大量的油类与水及尾矿一起搅拌，使疏水亲油的硫化铅锌矿与油一起上浮， 从而与脉石分离。1898 年，这种“全油浮选法”开始用于工业生产，从此，大规模的工业 化的浮选法开始了应用。 1902 年有人建议在矿浆中加入皂类配合少量油搅拌，使硫化矿与皂液及油聚集成团，再用 水冲走分散的亲水性脉石，这就是近代的“团粒浮选法”的开始。 1907 年， “表面浮选法”在工业上得到应用。该法是将铜矿石研成细粉，轻轻撒在移动的水 流表面，疏水的硫化铜矿物浮在水面上，收集后成为精矿；亲水下沉的脉石作为尾矿废弃。 上述各种方法都比较简单，效率也较低。二十世纪初，提出利用气泡增加液气表面，提高分 离效率。这种泡沫浮选法首先在澳大利亚用来处理含锌 20%的重选尾矿。当时是将干的尾 矿加入稀硫酸溶液中， 因该尾矿含有碳酸盐类脉石， 则碳酸钙与硫酸反应放出二氧化碳气泡， 闪锌矿就附着与气泡表面上浮，刮出上浮气泡，所得的精矿含锌 42%。 1909 年发现可以用松油、醇类等作为起泡剂；1925 年发现用黄药作硫化矿的捕收剂，浮选 效果显著提高，这个发现引起了多方面人员的注意。从此真正意义上浮选技术才得以提出。 浮选工艺不但适用于硫化矿，而且也适用于非硫化矿。许多过去认为难浮的矿物，经过研究 及生产实践，都可以变为可浮或是易浮的矿物。 浮选是一种效率高的分离过程。近几十年来，向矿物浮选以外的领域快速的发展。
浮 选 柱 技 术
目录
前
言
浮选柱是一种新型的浮选设备， 从第一个真正意义上的浮选柱的出现到现在也仅仅只有 40 年的时间，虽然时间不长，但却有了飞速的发展，从最开始的 Boutin 浮选柱到现在的形 形色色的新型的浮选柱，这些都是无数选矿工作者艰辛研究的结果。 几十年的研究并不仅仅在设备的改造上取得了成果， 在浮选柱的基础理论研究方面也取 得了一系列的成果。其中包括浮选柱的浮选机理、浮选柱的放大、浮选柱的动力学模拟及浮 选柱的自动化研究。 但即使是这样，由于浮选的复杂性，以及一些其他的外部原因，在浮选柱的浮选过程中 还有很多待解决的问题。 本文归纳总结了一些前人的研究成果， 基本包括了所研究过的所有方面， 以此作为备份 资料。其中难免有很多错误，以后再慢慢改正。
1.3 浮选的应用
浮选是当今矿物分选过程中应用最广的一种选矿方法， 在绝大多数的矿山中都得以应用， 其 中包括有色金属、黑色金属、无机非金属矿物及煤等。随着浮选技术的发展，它的应用已经 远远的超出了选矿领域，大致可以分为以下几个方面： 1）冶金工业产品浮选 2）在化学工业中的应用，如回收肥皂厂的油脂 3）在造纸工业的应用 4）在农产品及食品工业中应用 5）在医药微生物方面的应用 6）在工业废物及废水处理方面
2.3 浮选柱的结构和特点
由上文我们可以知道，从 60 年代到现在，经过了几十年的发展，浮选柱的结构已经发生了 翻天覆地的变化， 以下就来对这几十年中出现的一些比较重要的浮选柱的结构和特点做一个 总结。主要包括最开始的 Boutin 浮选柱以及后来新出现的充填式浮选柱、Jameson 浮选柱以 及旋流微泡浮选柱。而其余的将不在这里详述。 （1）Boutin 浮选柱[6] 最初的 Boutin 浮选柱如图 2-1 所示：
1.2.2 接触Βιβλιοθήκη Baidu与矿物润湿性的度量
当气泡在矿物表面附着时，如图 1-1 所示，一般认为气泡与矿物表面接触处是三相接触，并
将这条接触线称为“润湿边界” 。
图 1-1 矿粒与气泡接触平衡示意图 气泡附着于矿物表面的过程中，润湿周边是可以移动的，或是变大，或是缩小。当润湿周边 不在变化时，表明该周边上的三相界面的自由能（以表面张力表示）已达到平衡，此时的接 触角名为“平衡接触角” 。 图 1-1 中气-液-固三相平衡时，其平衡状态方程（Young 方程）为：
图 2-2 充填式浮选柱示意图 1.压缩空气; 2.减压器; 3.流量计; 4.压力表;5.泵; 6.搅拌叶轮; 7.给料; 8.精矿; 9.冲洗水; 10.充填介质; 11 控制矿浆液面; 12.冲洗水流量计; 13.阀; 14.尾矿 （4）旋流微泡浮选柱[3]
图 2-3 詹姆森浮选柱结构示意图 1. 给料; 2. 给料泵; 3. 矿浆水平控制器; 4. 压力传感线; 5. 给料管; 6.给水管; 7. 空气供给管; 8. 给料管; 9. 混合头; 10.下导管; 11. 冲洗分配器; 12. 精矿溜槽; 13. 精矿; 14. 尾矿