RefluxClassifier分离细颗粒的技术发展与应用前景.pdf
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1、:106:doi:10.3969/j.issn.1671-9492.2024.01.012Reflux Classifier分离细颗粒的技术发展与应用前景有色金属(选矿部分)2024年第1期马梦绮,张志远,荆隆隆,方佳豪,李延锋(中国矿业大学化工学院,江苏徐州2 2 1116)摘要:矿石综采技术带来诸多便利的同时,也导致了矿石中细颗粒比例增多。细颗粒分离成为了国内外矿物加工领域面临的难题。由于细颗粒质量小、比表面积大、表面能高、容易团聚,进而难以有效分离。本世纪初,由澳大利亚学者Galvin所研制的RefluxClassifier(回流分级机,简称RC)作为一种新型重力分选设备进人到矿物加工设
2、备行列。该设备由液固流化床与倾斜通道组成,分为垂直段与倾斜段,具有操作简单、成本低廉和高效节能等优点。据研究,RC因其特殊的结构与工作机理可以有效解决细颗粒分离问题。本文首先归纳了国内外有关RC的理论研究,详细描述了RC倾斜段中颗粒在流体中的运动状态,阐明了倾斜通道内颗粒运动与流体流动特性之间的关系,简要分析了颗粒性质与流体之间的力与速度关系。此外,本文对目前现有RC的水速预测模型(经典动力学模型、经验模型、弱化粒度模型、平衡模型)进行了总结,并综合分析了各模型的适用范围。结合试验案例,介绍了RC在煤炭、黑金属、砂石骨料等领域的应用现状,举例分析不同试验条件下RC对细颗粒回收的分离情况。最后结
3、合我国资源现状与现代设备发展趋势,提出如何深人优化RC分选理论模型、拓展更广阔的应用领域是国内外学者的长期研究目标,并展望RC在工业范围内的全面推广。关键词:RefluxClassifier;细粒回收;重力分选;颗粒运动中图分类号:TD922Development and Application Prospect of Reflux Classifier for Fine Particles SeparationMA Mengqi,ZHANG Zhiyuan,JING Longlong,FANG Jiahao,LI Yanfeng(School of Chemical Engineering
4、and Technology,China University of Mining and Technology,Abstract:The comprehensive mining technology of ore brings many conveniences,but it also leadsto an increase in the proportion of fine particles in the ore.Fine particle classification has become a challengein the field of mineral processing b
5、oth domestically and internationally.Due to the small mass,large specificsurface area,high surface energy,and easy aggregation of fine particles,effective separation isdifficult.At the beginning of this century,the Reflux Classifier(RC),developed by Australian scholarGalvin,entered the ranks of mine
6、ral processing equipment as a new type of gravity sorting equipment.Thisequipment consists of a liquid-solid fluidized bed and an inclined channel,divided into vertical and inclinedsections.It has the advantages of simple operation,low cost,and high efficiency and energyconservation.According to the
7、 research,RC can effectively solve the problem of fine particle separation dueto its unique structure and working mechanism.This article first summarizes the theoretical research on RCat home and abroad,describes in detail the motion state of particles in the fluid in the inclined section ofRC,clari
8、fies the relationship between particle motion and fluid flow characteristics in the inclined channel,and briefly analyzes the force and velocity relationship between particle properties and fluid.In addition,this article summarizes the current water velocity prediction models for RC,including classi
9、cal dynamicmodels,empirical models,weakened particle size models,and equilibrium models,and comprehensivelyanalyzes the applicability of each model.Based on experimental cases,the current application status of RCin the fields of coal,black metal,sand and gravel aggregates was introduced,and examples
10、 were given to文献标志码:AXuzhou 221116,Jiangsu,China)文章编号:16 7 1-9 49 2(2 0 2 4)0 1-0 10 6-10收稿日期:2 0 2 2-10-0 9基金项目:国家自然科学基金资助项目(518 7 430 4);江苏省研究生科研与实践创新计划资助(KYCX22_2646);中国矿业大学研究生创新计划项目(2 0 2 2 WLJCRCZL063)作者简介:马梦绮(19 9 8 一),女,山西晋城人,硕士研究生,主要从事细颗粒矿物分级研究。2024年第1期analyze the separation of fine particle
11、 recovery by RC under different experimental conditions.Finally,based on the current situation of resources in China and the development trend of modern equipment,proposal is given on how to deeply optimize the theoretical model of RC sorting and expand its widerapplication fields is the long-term r
12、esearch goal of domestic and foreign scholars,and the comprehensivepromotion of RC in the industrial scope is also expected.Key words:Reflux Classifier;recovery of fine particles;gravity separation;particle motion马梦绮等:RefluxClassifier分离细颗粒的技术发展与应用前景:107矿物资源是人类社会全方位发展的重要物质基石,利用并改造自然资源成为社会进步中重要的一环。矿产资
13、源的开发也在潜移默化中推动着社会的发展。然而自然原生矿物中有价组分较为分散,无法直接加以利用,往往需要额外手段富集有用组分,以满足人们的日常生产生活。细粒回收问题一直以来是矿物加工中的难题,由于细颗粒的质量较小,比表面积较大,导致颗粒的表面能较高,容易团聚,难以通过传统分离法进行高效回收。此外,细颗粒会增加矿浆的表观黏度,对有价矿物的总体回收率产生不利影响1。在大多数选矿厂中,无法分离的细颗粒会归为尾矿或是流入废液池,不仅容易造成环境污染,也是严重的资源浪费行为。因此,急需一种有效处理细颗粒的技术缓解局面,同时也有利于推广洁净能源技术、减少污染物排放。现今国内外学者致力于研究如何利用矿物自身重
14、力来完成分离作业,其中常用的细粒回收设备有水力旋流器、液固流化床、螺旋分选机等2 。水力旋流器结构简单、占地面积小,但是分选精度不高,错配物较多;液固流化床操作简捷,处理量大,但是调控参数尚不明朗;螺旋分选机虽然功耗低,但是分离效率较差。现有设备对于细颗粒处理问题方面各有利弊,在资源高效利用与洁净加工的背景下,有必要对设备做出新的革新。本世纪初,GALVIN等3 研制的分级(选)设备RefluxClassifier(回流分级机,又称为逆流分级机,简称RC)映入世人眼帘。与传统细颗粒回收设备相比,RC具有结构简单、操作方便、高效节能等优点。本文主要描述近2 0 年来RC在细粒矿物分离与回收方面的
15、应用研究,并对现有理论作出总结分析,为今后其优化与发展提供参考。1RC介绍与相关理论1.1RC基本构造与工作原理1920年,BOYCOTT等4观测到倾斜试管中血细胞的沉降速度增加,进而发现Boycott效应。有研究表明,倾斜通道可以缩小颗粒的沉降距离,增加有效沉降面积,从而提高颗粒的分离能力。基于此理论,GALVIN在本世纪初开发了RC。R C 的基本结构如图1所示,主要由下方垂直段流化床系统与上方倾斜段倾斜通道系统组成,下方的垂直流化段为颗粒分选提供了稳定的流化环境,上方的倾斜通道为流化床系统中上浮的颗粒进行了二次分离,以达到颗粒富集的目的。使用RC分离颗粒时,首先从底部端口通人外加水源,为
16、设备提供向上的上升水流,流化水通过布流板均匀给人垂直段,为设备创造一个相对稳定的流化床分选环境。人料由设备侧面中段给入,在流化水的作用下分散,并通过稳定床层的作用,向上或向下迁移。倾斜段由倾斜的流化床与若干个相同的平行斜板组合而成,并在通道内完成颗粒的二次分离。OverflowDistributorPlateFluid flowUnderflow图 1RC基本构造图Fig.1A schematic representation of theRefluxClassifier通过分析倾斜通道中颗粒的运动情况,可以得到颗粒在倾斜通道中的平衡方程,并根据通道内的流型特点计算出不同位置下颗粒所受水速大小
17、。在此基础上,可以对倾斜通道中运动的颗粒情况有一InclinedchannelsectionHFeed.Fluidizedbedsection:108个较为详尽的描述,这为接下来研究颗粒群的运动与颗粒在倾斜通道中的离析问题奠定了基础。1.2倾斜段基本理论1.2.1泛流体流动特性研究倾斜通道中的流体流型以层流流态为主,其运动呈现出速度梯度形式5。图2 为流体在平行窄缝中的平均水速速度轮廓。Boundarylayer图2 平行窄缝中水速速度轮廓Fig.2Liquid velocity profile in parallelnarrow channelJOHNSTON 等6 在文中指出,Navier
18、 和Stokes通过建立通道内三维体系下流体运动的微分等式,得出三维坐标系中不可压缩牛顿流体的速度微分方程,称作Navier-Stokes方程(简称N-S方程)。PERRY等7 在此基础上进一步简化了层流通道的N-S方程。据分析,由于颗粒在通道内深度方向的运动偏移量较小,故忽略之轴上的偏移。方程由三维系统简化为二维。从而得到距离通道板面处的局部流体速度为:6UU()=6(1一二)之之其中,U(a)表示距离通道板面处的速度,m/s;U表示通道平均水速,也就是外加流化水水速,m/s;之表示通道间距,m。通过上式可以求得通道内任意位置处的速度。侧面说明了颗粒位于板面不同位置时所受到的水速不尽相同,通
19、道内最大水速位于板中间/2 处,是平均水速的1.5倍。由于黏性力的影响,从平板表面至液流之间存在一个流速较低的区域,称为边界层8 。颗粒在边界层处受到的速度差称作剪切速率。PERRY等通过对式(1)求导,可以求出不同位置下颗粒的剪切速率,得到颗粒在倾斜通道内所受剪切速率大小,具体计算如式(2)所示:6U(1-2)Y=6有色金属(选矿部分)其中,为颗粒距板面处的剪切速率,s-。剪切速率是提供颗粒剪切诱导升力的重要指标,作为研究颗粒提升力的基础,对倾斜通道内颗粒的运动有较大影响。1.2.2颗粒再悬浮现象与提升力计算倾斜通道内边界层处的壁面效应显著,且流体速度近似为零。当颗粒靠近板面时,在边界层的作
20、用下,局部流速产生变化,进而对颗粒产生压力。根据流速压强变化规律,通道中流速较高区域压强较低,而靠近板面的边界层流速较低,压强较高,造成U板面存在高压差环境,使颗粒出现从高压强区向低压强区迁移的趋势。在此过程中,使物体产生迁移的力称作剪切诱导升力,简称提升力。在提升力的Fluid flow作用下颗粒会一改向下滑落的趋势,从而向板中间Z靠近,此为颗粒的再悬浮运动9。由再悬浮运动的定义可知,颗粒的提升力与再0悬浮运动趋势呈正相关关系,即提升力越大,颗粒再悬浮运动的几率越大。而提升力的大小与颗粒所受剪切速率的大小息息相关。19 9 7 年,KING等10 1提出了颗粒是否进行再悬浮运动的边界条件J。
21、此后,由GALVIN等11I对边界条件进行了优化,建立了颗粒粒度与颗粒迁移运动之间的关系,如式(3)所示:J=ReRerRe,=eryd?Re=Re,coso其中,Re,为颗粒剪切雷诺数,Re.为颗粒在方向上的沉降雷诺数,pr为流体密度,kg/m;为颗粒剪切速率,s-l;d 为颗粒直径,m;为流体黏度,(1)Pas;0为倾斜板与水平方向的夹角,()。当J32时,颗粒受到的提升力大于重力的分力,从而向上悬浮;当J32时,颗粒会落在板面上,受到板面的支持力,有向下滑落的趋势。除此之外,GALVIN等在此基础上建立了颗粒的平衡方程并优化了提升力的计算公式,见式(6)。Lf=0.0567 ed从提升力
22、的定义与公式中可以看出,颗粒所受提升力与剪切速率密切相关,说明颗粒所处环境的流速差与提升力的大小有密切联系。基于对倾斜通道内流体流动特性与颗粒运动情况的分析,众多学者建立了颗粒在倾斜通道内运动(2)的稳定模型,并以此拓展到RC处理量计算与通道2024年第1期(3)(4)(5)=0.0567Repr2dt(6)2024年第1期水速预测等方面的研究。1.2.3倾斜通道中的颗粒运动分析液固流化床中自由沉降的颗粒主要受到重力(G)、浮力(F,)和力(Fa)。曳力主要由黏性阻力和压差阻力组成:黏性阻力由颗粒和流体之间的摩擦引起,而压差阻力是由颗粒在移动时其前后表面之间的压力差引起12 。由此可以看出曳力
23、的大小与流体性质密切相关。在研究中可以通过流体雷诺数的大小确定颗粒所在流体分区,进而计算出阻力系数和曳力大小。19 8 1年,ZIGRANG等131提出在Re,10的条件下,可以利用式(7)为来计算球形颗粒的沉降雷诺数,并可以进一步计算出颗粒的沉降末速,即:Re=(14.51+(g(pp-pr)pr)0.5 1.83Re,=erU,d其中,Re,为颗粒沉降雷诺数;U,为颗粒沉降末速,m/s;p p 为颗粒密度,kg/m;p r 为流体密度,kg/m;d为颗粒直径,m;为流体黏度,Pas;g为重力加速度,m/s。沉降末速公式从运动学角度描述了只受重力影响下颗粒的运动趋势。并且该式综合考虑了曳力的
24、测算,故在后续计算过程中不再额外计算曳力大小。同时,分析颗粒在倾斜通道内的受力情况时,也应该考虑剪切速率作用下产生的提升力(Lr)对颗粒运动的影响。故综合情况下颗粒在倾斜通道中的运动受力情况如图3所示。G图3低倾斜通道中颗粒的受力情况与速度分析Fig.3 Force and velocity analysis of particlesin inclined channel颗粒在倾斜通道内主要受到净重力与流体作用影响,两者之间的协同作用决定了颗粒的运动轨迹。不同性质的颗粒在倾斜通道中由于水力作用产生不同轨迹的迁移运动,从而导致颗粒之间的分离。不少学者通过分析发现可以通过控制上升水流的速度马梦绮等
25、:RefluxClassifier分离细颗粒的技术发展与应用前景510.5d1.53.81(7)(8):109调控颗粒迁移。通过研究颗粒之间的运动特性来预测颗粒群的分选情况,进而优化RC的分离性能。1.3水速预测模型对于RC垂直段部分的液固流化床系统来说,分选颗粒的关键是上升水速的大小。现今对于流化床水速控制方面已有较多理论与经验支撑。当上升水速大于颗粒的沉降末速时,颗粒拥有向上运动的趋势并逐渐上浮,反之通过床层向下滑落。对于RC而言,倾斜段是决定颗粒分离的重要环节,调控倾斜段流化水速是预测矿物分离情况的重要途径。通过分析处于临界平衡的颗粒与上升水速的关系,可以较为准确地确定颗粒群的分离粒度或
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