浮选柱技术的研究现状及发展趋势

（!） "#$ 浮选柱［%］。由加拿大工艺技术公司 （ "#$） 研制，其核心是它的空气分散系统，共有 四种类型，其中最新的是 &’()*+, 分散器和 &-(.*+,
分散器。经浮选药剂处理后的矿浆，从距柱顶部以 下约 / 0 !) 处给入，在柱底部附近安装有可从柱 体外部拆装检修的气体分散器。气体分散器产生的 微泡，在浮力作用下自由上升，而矿浆中的矿物颗 粒在重力作用下自由下降，上升的气泡与下降的矿 粒在捕收区接触碰撞，疏水性矿粒被捕获，附着在 气泡上，从而使气泡矿化。负载有用矿物颗粒的矿 化气泡继续浮升而进入精选区，并在柱体顶部聚集 形成厚度可达 ’) 的矿化泡沫层，泡沫层被冲洗水 流清洗，使被夹带而进入泡沫层的脉石颗粒从泡沫 层中脱落，从而获得更高品位的精矿。尾矿矿浆从 柱底部排出，整个浮选柱保持在“ 正偏流” 条件 下工作。其结构如图 !。
图 =B 旋流 & 静态微泡浮选柱
表 =B 煤用旋流 & 静态微泡柱技术特征
类型与规格浮
矿浆量 K 泵功率 K 单机配套厂
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床 不定规格浮选床
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第 ; 期1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 刘炯天等：浮选柱技术的研究现状及发展趋势1 1 1 1 1 1 1 1 1 !::@ 年 /: 月 !; 日
浮选柱技术的研究现状及发展趋势
刘炯天，王永田，曹亦俊，张海军 （ 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州* ’’!""+） 摘要：简要论述了国内外浮选柱技术的研究现状及发展趋势，指出浮选柱技术是进行微细物料分 选的先进技术，主要表现为：!柱分选技术成为研究重点；"柱分选设备的研制成绩显著；#柱 分选工艺取得重大突破；$浮选柱自动控制迈上新台阶；%柱分选技术应用领域不断拓展。 关键词：浮选柱；细粒分选；设备；工艺 中图分类号：,-.)$* * * * * 文献标识码：/
供了依据和方法。 %A %A %B 几种典型浮选柱简介
（=） 旋流 & 静态微泡柱分选设备［I］。由中国 矿业大学研制，曾获得 %??% 年国家技术发明二等 奖。其主体结构包括柱浮选、旋流分选、管流矿化三 部分，见图 =。整个设备为柱体，柱浮选段位于柱体 上部，它采用逆流碰撞矿化的浮选原理，在低紊流的 静态分选环境中实现微细物料的分选，在整个柱分 选方法中起到粗选与精选作用；旋流分选与柱浮选 呈上、下结构连接，构成柱分选方法的主体；旋流分 选包括按密度的重力分离以及在旋流力场背景下的 旋流浮选。旋流浮选不仅提供了一种高效矿化方 式，而且使得浮选粒度下限大大降低，浮选速度大大 提高。旋流分选以其强回收能力在柱分选过程中起 到扫选柱浮选中矿作用。管流矿化利用射流原理， 通过引入气体及粉碎成泡，在管流中形成循环中矿 的气 & 固 & 液三相体系并实现了高度紊流矿化。管 流矿化沿切向与旋流分选相连，形成中矿的循环分 选。该设备具有运行稳定、分选选择性好、效率高、 处理能力大、电耗低、适应性强等特点。在煤炭分选 方面已应用成熟，突出地表现出了选择性好，分选下 限低的特点，设备实现了系列化与产业化，如表 = 所 示。通过“ 十五”科技攻关，大型高效矿用柱分选设 备的研制取得巨大成功，在萤石、白钨、铜矿、磁铁矿 等矿物浮 选 方 面 已 成 功 实 现 工 业 化 应 用，开 发 了 !=%??、!=G??、!%C??、!<???、!J???、!JC?? 系列矿 用微泡柱分选设备，实现了系列化［>］。
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!""#$ 浮选柱等。 （%） 按成泡 方 式 划 分。柱 分 选 设 备 可 分 为 空
气分割型、空气射流型、气 & 液混合型等。空气分割 型如 ’()*+, 浮选柱、-./ 充填介质浮选柱、旋流充 气浮选柱；空气射流型如 01. 浮选柱、002 浮选柱 等；气 & 液混合型如射流浮选柱、203-0 旋流 & 静 态微泡浮选柱、4"56( & !""#$ 搅拌式浮选柱、785"9 $(, 浮选柱、-+6:(6"; 浮选柱、2;(*8+: 浮选柱等。
* * 随着国民经济的发展，“ 高开发、低利用、高 排放” 的粗放型 资 源 开 发 模 式 已 逐 步 制 约 了 资 源 回收率及资源的循环利用率。从长远看，这必然导 致自然资源匮乏、能源短缺和环境污染，矿产资源 的开发面临巨大挑战。浮选柱因其对微细物料高选 择性的分选优势，在浮选技术领域显示出了强大的 生命力，越来越受到选矿界的重视，许多国家进行 了大量研究工作。在此背景下，一批浮选柱新技 术、新设备、新工艺应运而生。柱浮选到柱分选技 术的历史创新、大型高效矿用柱分选设备的成功研 制及高效柱分选工艺的开发应用等，为柱式矿物分 选展示了良好的前景。
2+,6D 等人首先建立了轴向分散模型，经过改 进，目前应用最为广泛，它根据浮选速率常数和分 散数进行浮选柱的设计放大；E((, 等建立了浮选 速率常数 ! 与浮选柱操作变量的关系，提出了另 一种放大方法；F((#8;; 用带同位素标记的颗粒研 究了固体颗粒在浮选柱中停留时间分布，认为带循 环的塞流反应器模型适用于泡沫相；分散相模型适 用于矿浆中固体的行为，有死角的混合反应器模型 适用于给矿 区。 近 几 年， 我 国 学 者 杨 彩 云 等［G］利 用流体力学（ 02H） 计算软件根据浮选柱内气液流 动的特点，在气速与气含率的径向分布一致的基础 上，建立了通用的计算浮选柱内流体流动模型，简 便且较准确地模拟出了浮选柱内气液的流动状况， 为浮选柱内气体发生器设计以及柱内返混的研究提 %G
’* 柱分选设备的研究现状
’G !* 柱分选设备的分类 目前，用于矿物分选的浮选柱种类繁多，结构
多样，差别主要表现在柱体高度、充气方式、矿化 方式等方面。
（!） 按柱体 高 度 划 分。柱 分 选 设 备 可 分 为 矮 柱型、中高柱型和高柱型三种。矮柱型如旋流充气 浮选柱、全泡沫浮选柱、0123456 浮选柱、H32I5 # F33J4 浮选柱等；中高柱型如 ;7EK7 旋流 # 静 态微 泡 浮 选 柱、K>I?5I3< 浮 选 柱、;LM 静 态 浮 选 柱、9NM 顺流喷射式 浮 选 柱 等；高 柱 型 如 /5O=>6 浮选 柱、77; 浮 选 柱、 K,P 充 填 介 质 浮 选 柱 和
!* 浮选柱技术的发展概况
自上世纪 +" 年代以来，浮选柱分选技术取得 了重大突破，一批新型浮选柱脱颖而出。如国内的 旋流 # 静态微泡浮选柱、喷射式浮选柱、充填浮选 柱以及澳大利亚的 0123456 浮选柱、加拿大的 78, 浮选柱、德国的 9:- 浮选柱、美国的 ;<5=1>? 浮选 柱和 @8A 微泡浮选柱等。在处理极细物料方面，它 们具有常规浮选机所不可比拟的分选效果。在众多 类型的浮选柱中，旋流 # 静态微泡柱分选设备拥有 我国的自主知识产权（ 专利号：7B.&!"&".!C ! ） 并在国内得到广泛应用。
浮选柱的发展必然要走出实验室，投入到实际工 业生产当中。而研究浮选柱的数学模型，对于物料特 性和操作参数已知时预测选别指标、浮选柱的设计放 大及浮选过程的控制和优化有着重要意义。已有很 多研究者从不同角度对浮选柱数学模型进行研究［C］， 并建立了初步的数学模型。到目前为止，有许多问题 尚未解决，因而还不能从理论出发建立数学模型，已 提出来的浮选柱数学模型均属经验模型，这些经验模 型一般分为动力学模型和非动力学模型。
纵观几十年国内外浮选柱的研究现状［! # )］，浮 选柱新的进展总体来说表现在如下几个方面：
（!） 柱体高 度 降 低。 已 由 原 来 的 十 几 米 降 至 几米，大型浮选柱的高径比逐渐减小，即使大型化
收稿日期：’""( # "( # $" 作者简介：刘炯天（!.($ # ），男，河南南阳人，教授，博士生导 师，矿物加工重点学科方向带头人，煤炭工业专业技术拔尖人才。 现任中国矿业大学化工学院院长，中国煤炭学会选煤专业委员会副 主任委员，国家环境保护清洁煤炭与矿区生态恢复工程技术中心主 任。电话：（"%!(）+$++%+&+。
（$） 矿化 方 式 多 样 化，选 择 性 和 分 选 效 率 提 高。已突破传统的逆流碰撞矿化方式，并把旋流与 管流矿化 引 入 柱 式 分 选，形 成 多 样 化 的 矿 化 方 式。 机型向着大型化、系列化方向发展，在给矿和排矿方 式上也有了较大改进，数学模拟与按比例放大方面 开展的研究越来越深入，自动控制的程度越来越高。
的浮选柱的高度也基本上都在 !"2 以下；矿浆在 浮选柱内浮选的时间越来越短；近年来，出现了多 种类型的充填介质和介质床层，解决了充填介质在 碱性矿浆中易堵塞的问题，改善了柱内矿浆流态的 稳定性以及气泡分散的均匀性等。
（’） 充气 方 式 完 善。基 本 上 都 由 上 世 纪 ("、 &" 年代易堵塞的内置式气泡发生器发展为外置式。 当然也有经改进比较先进的内置式，且其发泡方式 多样，更为先进合理。有旋涡气泡发生器、文丘里 管气泡发生器、静态在线混合器、高效气动液压型 充气器、美国的 ;<5=1>?3 型气泡发生器、加拿大的 7DEF 型气泡发生器、78, 公司的 E<1203= 气体分散 器、超声波气溶发泡器、射流气泡发生器和空气喷 射式气泡发生器等。
图 21 *()+345 浮选柱
（6） 789 型［/:］顺流喷射浮选柱。利用射流原 理引入空气，其圆锥形收缩管和喇叭管在空室中间 相联，当高速水流由圆锥形收缩管流向喇叭管时， 因水流断面逐渐缩小，在圆锥形收缩管出口处形成 较大流速，致使该处压强降低至大气压以下，在空 室中形成负压，使空气从外部进入到空室中。在分 选槽底部安装有一个反射假底，其作用是将高速水 流所携带的空气粉碎成气泡，进而弥散到整个分选 槽。结构如图 6。该设备具有产生的气泡直径较 小、空气保有量较高、空气分散比较均匀、结构简 单、操作方便、无运动部件等优点。
（<） 按矿化 方 式 划 分。柱 分 选 设 备 可 分 为 逆 流（ =>?? ） 碰 撞 矿 化 型、旋 流（ @?? ） 碰 撞 矿 化 型、管流或离心（?? ） 碰撞矿化和多种矿化组合 型。逆流碰撞矿化型如全泡沫浮选柱、01. 浮选 柱、002 浮选柱等；旋流碰撞矿化型如旋流充气浮 选柱；管流或离心碰撞矿化型如 785"$(, 浮选柱、 喷射式浮选柱、射流浮选柱等；多种矿化组合型如 203-0 旋流 & 静态微泡浮选柱。203-0 旋流 & 静 态微泡浮选柱将柱浮选、旋流分离、高度紊流矿化 有机地结合起来，形成了完善的矿化反应机制和梯 级优化分选过程，越来越受到选矿界的重视。 %A %B 柱分选设备的研制 %A %A =B 浮选柱数学模型、设计放大研究深入
图 !1 "#$ 浮选柱
（2） *()+345 浮选柱。由澳大利亚研制，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，矿粒在下导管与气泡 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。充气搅 混装置是 *()+345 浮选柱的关键部件，它采用了射 流泵原理，在把矿浆压能由喷嘴转换成动能的同 时，在密封套管内形成负压，并由空气导管吸入空 气。经密封套管，射流卷裹气体进入混合套管，在 高度紊动流体作用下，气体被分割成气泡并不断与 矿粒碰撞粘附，得到矿化。分散器相当于静态叶 轮，将垂直向下的矿浆沿径向均匀分散，其结构如 图 2。