【摘 要】
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随着优质矿产资源的持续消耗,低品质矿石成为今后矿产资源利用的主要对象,这类矿石中有价矿物通常嵌布粒度极细,其高效利用首先面临微细粒分离问题。浮选是应用广泛的细粒矿物分选方法,目的矿物首先在浮选药剂作用下进行疏水化处理,而后在气-液-固三相流动过程中,目的矿物颗粒与气泡碰撞并发生黏附,跟随气泡上浮实现与杂质矿物的分离。通常,矿物颗粒越细,浮选效率越低,主要原因是其质量小、动量低,与气泡的碰撞概率低。
【基金项目】
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国家自然科学基金河南省联合基金重点项目,低品质铝土矿分选界面调控与流体动力学强化研究（项目编号: U1704252）； 国家自然基金面上项目,湍流微涡强化微细粒矿物浮选的作用机理及调控机制（项目编号:51974310）；
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随着优质矿产资源的持续消耗,低品质矿石成为今后矿产资源利用的主要对象,这类矿石中有价矿物通常嵌布粒度极细,其高效利用首先面临微细粒分离问题。浮选是应用广泛的细粒矿物分选方法,目的矿物首先在浮选药剂作用下进行疏水化处理,而后在气-液-固三相流动过程中,目的矿物颗粒与气泡碰撞并发生黏附,跟随气泡上浮实现与杂质矿物的分离。通常,矿物颗粒越细,浮选效率越低,主要原因是其质量小、动量低,与气泡的碰撞概率低。浮选大多发生在湍流环境中,调控湍流强化微细粒与气泡碰撞是改善微细粒浮选效率的有效方法。但当前湍流对颗粒-气泡碰撞概率的作用机制不明确,湍流中颗粒-气泡碰撞概率的定量预测模型缺乏,这导致强化微细粒分选过程的湍流调控方法有限、强化效果不显著,影响了微细矿产资源的回收利用。本文以湍流中颗粒-气泡碰撞概率预测模型的构建为重点,首先在层流中明确了流体流动与颗粒、气泡性质对颗粒-气泡碰撞概率的影响规律及作用机制;通过深入挖掘层流、湍流中颗粒-气泡碰撞过程的差异性,明晰了湍流在颗粒-气泡碰撞过程中的作用机理,构建了湍流中颗粒-气泡碰撞概率预测模型;依据新建模型的预测结果,设计了提高微细粒与气泡碰撞概率的流动环境,最后验证了该湍流调控方法对微细粒矿物分选的强化效果。主要研究内容与结论包括:建立了在单气泡-多颗粒体系中计算颗粒-气泡碰撞概率的数值方法。使用大涡模拟方法精细解析气泡周围湍流特征,将颗粒视为质点,基于欧拉-拉格朗日法耦合计算流体流动与颗粒运动。通过该方法计算所得的颗粒-气泡碰撞概率与第三方经典文献数据基本吻合,证明了该数值方法可以用来解析颗粒-气泡碰撞过程。基于验证的数值方法,计算了不同流动条件及颗粒、气泡性质下的碰撞概率。结果表明,无论在层流或湍流中,碰撞概率总是随颗粒直径、密度增加而升高,随气泡滑移速度增加而降低;对于确定的颗粒和气泡,存在最优的湍流强度使碰撞概率达到最大值,该湍流强度最优值随颗粒粒径、密度的增加而减小,随气泡滑移速度的增加而增大。揭示了湍流在颗粒-气泡碰撞过程中的作用机理:其一,湍流扩散作用使颗粒时均下落速度降低,而对时均径向速度没有影响,由此,颗粒下落运动相同距离的时间增加,进而径向运动距离增大,导致颗粒与气泡相距更远,引起了时均碰撞概率的降低;其二,湍流中颗粒随机脉动运动增大了发生随机碰撞的概率。两种机制共同作用导致了碰撞概率最大值的出现:在颗粒粒径、密度较小时,颗粒随机运动引发的碰撞概率随湍流强度增大而增长更快,时均碰撞概率降低更慢,因而最大碰撞概率出现在较大湍流强度处。建立了湍流中颗粒-气泡碰撞概率数学模型。首先通过引入惯性作用项与临界碰撞角修正,建立了准确性更好的层流中颗粒-气泡碰撞概率预测模型,在90?Reb?496 0.05?St?3.33的范围内,修正后模型预测结果的平均相对误差为9.36%,最大相对误差为18.34%,优于经典的Weber-Paddock模型（平均相对误差为18.6%,最大相对误差达36.8%）。在湍流中,现有模型预测结果与模拟结果之间存在显著偏差,均不能满足定量预测的需求。在层流中碰撞概率修正模型的基础上,综合考虑了湍流扩散作用与随机作用,以与湍流强度、湍流动能耗散率和颗粒、气泡性质相关的函数来描述湍流扩散作用项与随机作用项,建立了湍流中颗粒-气泡碰撞概率预测模型。当0.0035?Sttu r?1.199时,该模型预测结果的平均相对误差为9.41%,最大相对误差为18.45%。构建了微细矿物颗粒与气泡高效碰撞的湍流环境。颗粒-气泡碰撞概率模型表明,针对性提高湍流脉动强度和湍流动能耗散率是强化微细粒浮选的关键,而非简单的增加浮选设备能量输入、提高矿浆流速。增加湍流脉动强度与动能耗散率可使随机碰撞概率增大、气泡尺寸降低,有利于粒径不超过75μm的微细颗粒与气泡碰撞概率的提高。通过研究强化湍流的流体动力学方法,在浮选管流矿化方式的基础上,借鉴强化换热领域的湍流调控技术,通过在圆管中布置多个三角翼形涡流发生器诱导含能湍流涡来提高湍流强度和动能耗散率。数值模拟结果显示,当矿化管内流速为2m/s时,在矿化管中布置多个底面张角为90°的涡流发生器后,其内部横截面平均湍流强度峰值可达到50%以上,湍流动能耗散率可达174m~2/s~3以上,矿化管中气泡Sauter平均直径降低至0.12mm,效果远超当前浮选设备。以微细一水硬铝石纯矿物与低品质铝土矿为矿物样品开展浮选试验,在相同管流流速2m/s下,添加涡流发生器可使粒径在20μm以下、20～45μm、45～75μm的一水硬铝石纯矿物的浮选回收率分别提高30.26%、14.73%与6.38%。相同能耗与药耗下,与当前常规的实验室浮选设备XFD单槽浮选机相比,涡流矿化管将低品质铝土矿中Al2O3的回收率提高了17.11%。本课题的研究结论有望丰富湍流强化微细粒矿物分选过程的基础理论,为微细粒矿物浮选设备的优化与研发提供理论参考。该论文有图89幅,表12个,参考文献124篇。
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