CN101370592A - 改进的浮选方法 - Google Patents

Abstract

浮选方法，其中将液体或淤浆加入其中其形成高空隙度部分的区域的降液管(20)，该高空隙度部分流出该降液管(20)进入其中泡沫上升且液体或淤浆下降的容器(10)中，其特征在于当该液体或淤浆离开孔口并进入自由射流区时其以小于8米/秒的射流速度进入降液管(20)。

Description

改进的浮选方法

发明领域

本发明涉及浮选方法。

发明背景

浮选是用于从淤浆悬浮液中分离颗粒材料的熟知技术。在浮选中，用试剂处理含颗粒的淤浆以使某些颗粒成为疏水性的(抗水的)并且气体(通常是空气)以小气泡形式传到该悬浮液中。当疏水性颗粒和气泡接触时，疏水性颗粒附着于气泡上。由于静水压力，气泡连同附着的颗粒向上升起通过淤浆形成泡沫。然后将含附着颗粒的泡沫以浓缩物或产物除去，同时任何亲水性(亲水)颗粒保留在淤浆相中并随淤浆相一起以尾渣(tailings)流出。浮选法可以应用于矿物质在水中的悬浮液，煤炭在水中的悬浮液，以从水中除去油滴，以及应用于纤维性或植物性物质例如造纸纤维、细菌细胞等。除了将试剂添加到淤浆中以使颗粒成为疏水性的(此种试剂称作捕集剂)之外，还通常添加起泡剂以帮助形成稳定泡沫。

常规浮选在槽或容器中进行。此种槽或容器装备有叶轮，该叶轮搅拌该淤浆并帮助维持颗粒处于悬浮中。通常经由该叶轮使空气进入浮选槽。该叶轮具有三种主要功能：

-产生气泡；

-使气泡和颗粒碰撞并彼此附着；和

-保持颗粒处于悬浮中。

随着浮选原料中的颗粒变粗，通常将叶轮速度增加以保持颗粒处于悬浮中。在常规浮选槽中，使叶轮浸入浮选槽内并构成该浮选槽的主要部分。因此，为了影响其功能之一(例如颗粒悬浮)而不影响其它功能(例如气泡产生和气泡/颗粒碰撞/附着)，调节叶轮速度是不可能的。

一种可供选择的浮选设备是自吸气的充气式浮选机。此种设备让淤浆运动通过混合设备，其中该淤浆的运动产生真空，该真空引起在大气压下对该淤浆充空气。这些浮选设备可以商品名

浮选槽、Imhoflot V-浮选槽、Imhoflot G-浮选槽和Jameson浮选槽商购。该Jameson浮选槽在美国专利4,938,865号和澳大利亚专利677542号中进行了描述。这两篇专利的全部内容在此引入供参考。这些专利中描述的浮选设备可以商品名“Jameson浮选槽”(该浮选槽以它们的发明人Professor Graeme Jameson命名)商购。Jameson浮选槽已经广泛商业化并且已经用于浮选细煤粉和煤粘泥(主要是为了清洗煤)，浮选贱金属、非硫化物脉石，浮选钾碱、石墨，处理铜、钴、锌、镍和铂的电解提取中的液体(主要通过从负载的浸提液中除去有机物)，用于从由溶剂萃取法产生的有机物/萃余液混合物中回收有机相，和用于从油砂工业中考虑的砂和淤泥(亦称焦油砂和沥青砂)中回收沥青及其它石油烃混合物。

该Jameson浮选槽包括降液管(或多个降液管)，通常呈大体垂直的柱形式。与机械浮选槽相比，Jameson浮选槽中产生气泡和颗粒气泡碰撞/附着的功能单独地在降液管内部实现。构成Jameson浮选槽降液管的不同的水动力学区域示于图2中并且由自由射流、吸入喇叭形口、卷射流(plunging jet)、混合区和管流区构成。以下步骤在降液管内进行，下面将更详细地阐明所述步骤：

-由通过孔口的淤浆产生的射流促进空气吸入降液管中

-射流的剪切作用产生细小气泡并输送它们通过混合区

-颗粒和气泡彼此碰撞并附着并随后沿降液管向下流动通过管流区

-通过静水压力从降液管中除去气泡，从而产生真空以进一步夹带空气

自由射流

淤浆原料在压力下被输送到喷嘴并且当它通过孔板时导致浆状物的自由射流产生。当自由射流通过降液管时，与空气的接触导致射流的稍微减缓，射流直径的微小膨胀和射流表面之上的波动，该波动夹带少量空气。

吸入喇叭形口(induction trumpet)

自由射流冲击降液管内的淤浆混合物并且碰撞的压力在淤浆表面上产生凹陷，称作吸入喇叭形口。由于吸入喇叭形口的沟槽进口形状，空气进入在自由射流基部的区域。自由射流通过吸入喇叭形口，其携带着该层夹带的空气。此外，吸入喇叭形口的周期性瓦解导致进一步空气夹带。

卷射流(plunging jet)

一旦射流通过吸入喇叭形口的底部进入降液管中淤浆的主体，就将它称为卷射流。卷射流的高剪切速率导致空气的夹带层分解为许多小气泡，通常直径<500μm，它们被携带入降液管下段。

混合区

卷射流产生强能量耗损和湍流的区域，其中动量转移至周围的混合物并且扩大以占据降液管横截面，产生充气浆状物的再循环涡流。这种射流损耗的区域称为混合区并且限定为由(i)吸入喇叭形口下面的淹没射流内的淤浆和(ii)淹没射流和降液管壁之间的再循环淤浆的主体占据的降液管容积。在该混合区内，进行气泡聚结并且持续产生气泡。

管流区

混合区下方是均匀多相流的区域，称为管流区。因为向下速度抵消气泡的向上浮力，所以气泡群集在一起而形成具有高空隙度部分的移动膨胀的气泡床。该管流区的特征在于在较低空气速率下的起泡流动和在较高空气速率下的适中的涡流-湍流。

如上所述，Jameson浮选槽在US专利4,938,865号和澳大利亚专利677542号中进行了描述。澳大利亚专利677542号说明降液管中淤浆射流的速度优选为大约15米/秒，其中射流进入降液管的最小速度是8米/秒。在实践中，工业Jameson浮选槽通常在降液管中以15-18米/秒的射流速度下操作。普通知识是要求约为8-17米/秒的降液管射流速度，以便：

(a)夹带足够量的空气以在降液管中产生大量小气泡；和

(b)提供高剪切以获得空气和淤浆在降液管的混合区中的良好混合。

已经证明Jameson浮选槽是工业上成功的并且提供良好的回收率，尤其是对细颗粒。然而，由于降液管中的高度湍流条件，观察到粗颗粒与气泡分离的增加。在某些情况下，这已经导致浮选法中较低的粗颗粒回收率。

术语＂包含(comprise)＂和该术语的变体例如＂包含(comprises)＂或＂包含(comprising)＂在本文中用来表示包括所述实体而不排除任何其它实体(integer)，除非在上下文或使用中该术语的排外解释是需要的。

对本说明书中引用的出版物的任何参考文件不是承认该公开内容构成澳大利亚的公知常识。

发明内容

本发明提供浮选方法，其中将液体或淤浆加入降液管，在降液管中液体或淤浆形成具有高空隙度部分的区域，该高空隙度部分流出该降液管进入其中泡沫上升且液体或淤浆下降的容器，其特征在于当该液体或淤浆离开孔口并进入自由射流区时其以小于8米/秒的射流速度进入降液管。

通过加入降液管的淤浆的体积流速和孔口或淤浆透镜状体(slurry lens)的开口面积确定射流的速度。本发明可以将类似的体积流速看作当前由Xstrata Techno logy销售的Jameson浮选槽的体积流速。这如下进行：增加孔口的尺寸和通过周密的工艺设计或通过控制输送泵的速度调节淤浆流速。

优选地，淤浆射流速度在1-7.5米/秒，更优选1.5-7米/秒，甚至更优选2-6.5米/秒的范围内。

本发明基于以下令人意外的发现：空气的足够夹带和空气和液体或淤浆在降液管混合区中的后续混合甚至可以通过使用降液管中的液体或淤浆的以下射流速度发生，该液体或淤浆射流速度显著地低于澳大利亚专利677542号中公开的液体或淤浆射流速度并且显著地低于Jameson浮选槽的任何工业设备中使用的液体或淤浆射流速度。

在一个优选的实施方案中，本发明的方法在US专利4,938,865号或澳大利亚专利677542中号所述的浮选设备，或在Xstrata Technology制造且以商品名称“Jameson浮选槽”销售的设备中进行。然而，本领域技术人员将领会本发明的原理适用于先前所述的任何自诱导充气式浮选设备。

在一个实施方案中，将淤浆加入降液管并且该淤浆由颗粒材料和液体的混合物构成，该容器中的泡沫(froth)主要包含粘着性、疏水性颗粒，该容器中的淤浆主要包含亲水性尾渣颗粒。

在另一个实施方案中，将液体加入降液管，该液体包括有机材料并且该泡沫包含有机材料。在这个实施方案中，加入降液管的液体可以是有机材料和得自溶剂萃取法的萃余液(或有机物和电解质)的两相混合物。

在另一个实施方案中，加入降液管的淤浆包括沥青、水和颗粒状固体的三相混合物，如在油砂工业中说明的。

在本发明优选的实施方案中，经由节流孔口或淤浆透镜状体以小于8m/s的速度将液体或淤浆进入降液管。降液管适合地呈柱形式。降液管优选是垂直柱。液体或淤浆的射流优选以面向下的淤浆射流形式进入降液管。

为了描述的方便和简洁，下面本发明的描述将提到使用淤浆作为原料。然而，应当理解，本发明不应该认为被限于使用淤浆并且本发明还可以用来处理未必包含固体或颗粒的液体。

适合地，由通过淤浆透镜状体的淤浆产生的射流促进空气引入(inducement)至降液管并且射流的剪切作用产生细小气泡并输送它们通过混合区。颗粒和气泡彼此碰撞并附着并随后沿降液管向下流动通过管流区，在那里通过来自降液管的静水压力除去气泡，从而产生真空以进一步夹带空气。

使用流量控制设备控制空气进入降液管的流速以保持真空，其中夹带到降液管中并且从降液管排出的空气体积等于流入降液管的空气体积。适合地，可以使用流量控制阀来调节进入降液管的空气的量。

附图简述

图1是适合用于本发明方法的浮选槽的示意图；

图2是用于图1所示的浮选槽的降液管的示意图，其中图2所示的降液管是按比例放大的；

图3是不同射流速度的百分回收率对颗粒尺寸的曲线图；和

图4是在与图3的实施例不同的APR下不同射流速度的百分回收率对颗粒尺寸的曲线图。

优选实施方案的详细描述

图1示意地表示的浮选槽是由Xstrata Technology制造和销售的Jameson浮选槽的实例。Jameson浮选槽在美国专利4,938,865号和澳大利亚专利677542号中进行了更详细地描述，所述文献的全部内容在此引入供参考。

图1所示的浮选槽包括容器10。容器10具有大体上垂直的侧壁12和斜底壁14。容器10在其底端具有出口16。控制阀18用来调节容器10中的液面。应当理解，控制阀18还控制经由出口16排放的速率。

该容器可以包括单个或多个降液管20。大多数工业应用包括多个降液管，并且按原样绘制该剖视图。

每一降液管包括大体上垂直取向的柱22，其具有位于容器10内的下部出口24。原料淤浆从集管26经由流道28进入各个降液管20。原料淤浆然后通过淤浆透镜状体30。将参照图2更详细地描述降液管20的加料部分。

将原料淤浆以淤浆射流形式注入降液管中，该原料淤浆由颗粒材料和水的混合物构成。每一降液管20的上方部分还包括从空气集管34吸入空气的空气入口32。空气集管34具有空气入口36。空气入口36可以经调节用来调节许可进入集管34，并因此进入降液管的空气的量。

当将原料淤浆加入降液管20时，空气被淤浆射流夹带并且在降液管中形成泡沫床。该泡沫沿着降液管向下移动并离开下部出口24。该流出降液管的流动引起真空，该真空又会促使更多空气进入降液管。

然后泡沫移动进入容器10。在容器10中，气泡和大多数任何附着的颗粒向上移动，同时主要由尾渣颗粒组成的淤浆向下沉积。因此，在容器10中，形成淤浆相和泡沫相。泡沫上升到液面，在那里，它扩张超过堰38。该泡沫然后移动超过堰38进入流槽40。从流槽40回收该泡沫。它还回收任何附着的颗粒，该颗粒通常称为产物颗粒。为了改进图1所示的设备的操作，经由洗涤水喷淋或淋盘42加入的洗涤水可用来洗涤来自容器10中的泡沫的不希望的颗粒。

如上所述，主要由尾渣颗粒组成的淤浆在容器10中沉降并经由出口16除去。将主要由尾渣颗粒组成的淤浆的一部分送到尾部。将尾渣颗粒的另一部分和经由出口16离开的淤浆再循环到原料贮槽45。在原料贮槽45中，将新鲜原料淤浆46与再循环淤浆混合。然后经由泵48将该淤浆混合物泵送到原料集管26。

在图2中更详细地示出了每个降液管20的上部。在图2中，经由导管50将淤浆加入淤浆透镜状体52。淤浆透镜状体52具有进入降液管20的出口。该出口通常呈孔形式。如图2所示，离开淤浆透镜状体52的出口的淤浆形成向下的淤浆射流54。

降液管20的上部还包括空气入口32。空气入口32经由导管56与空气集管34连接。

通过经过淤浆透镜状体泵送淤浆产生的淤浆射流54引起空气的夹带。这在自由射流区58中产生。

在降液管的稳态运行期间，用泡沫床60部分地填充降液管20。淤浆54和夹带的空气的射流进入泡沫床60。射流进入泡沫柱的剪切作用在混合区62中产生细小气泡。淤浆中的气泡和颗粒互相碰撞并且颗粒附着于气泡。颗粒中的气泡流向管流区64，随后它们向降液管20下部流动并流出出口24进入容器10。

与图1和2中所示类似的工业安装设备的常规操作对于淤浆射流54使用15-17米/秒的射流速度。澳大利亚专利677542号规定淤浆射流54的一般操作速度应该是大约15米/秒，其中射流54进入降液管的最小速度是8米/秒。然而，在小于11米/秒的淤浆射流速度下实际操作或类似浮选槽的试验从来没有报道过。

本申请人已经意想不到地发现，如果淤浆射流具有小于8米/秒的射流速度，则可以获得令人满意的空气夹带和剪切而产生气泡和足够的泡沫。这种结果是完全出乎意料的并且与操作此类浮选槽的通用知识完全不同(fly inthe face of)。本申请人不但发现在这些出人意料低的淤浆射流速度下可以发生足够的空气夹带和气泡/泡沫形成，而且作为进一步的利益，降液管中湍流的减少降低粗颗粒与气泡的分离，因此增加从该过程中回收所需颗粒。

本发明与关于此类浮选槽操作的常规知识完全相反可以通过本发明的方法证实。本发明人正在试验设备上进行实验工作，偶然间无意使用有故障的流量计在认为是12米/秒的淤浆射流速度下进行实验。然而，随后发现流量计的读数高于实际流速，以致实验工作中正在使用的实际射流速度约为2.5-7.5米/秒而不是最初为该实验设计的9-12米/秒。当冶金分析带着积极结果时，申请人进行了进一步工作来验证该结果和进一步验证本发明。

从这一试验工作得到的其它有利的发现是在较低射流速度下泵送所需要的功率消耗(power draw)的减少。虽然从前述工作预期当使用11m/s的射流速度时存在功率消耗的略微降低，但是直到将该试验工作的结果按比例放大到煤炭洗涤厂的实际设计才实现绝对功率降低。实际上，在典型的煤炭操作中，进料泵和Jameson浮选槽分配器之间的浆状物压头(head)为几十米。因此，当采取更大输送浆状物压头时，进料压力改变的影响更加显著。

例如，从试验结果，在5m/s射流速度，30KW电动机输入(drew)15Amps，而在15m/s的设计速度下，发现是18Amps。在设备操作实践中，为加工原因，将浮选槽设置在设备中的上方20-35米之间的任何地方。当将在试验工作中获得的操作条件按比例放大到全尺寸设备时，在100kPa的进料压力下，这折算为30-45m压头，该压力是在试验程序中在15m/s下获得的。试验工作的实际功率消耗，和不同射流速度的按比例增大功率消耗在下表中示出：

表1：试验工作的实际结果

 

射流速度	实际功率消耗(KW)	功率消耗差异
			m/s	l/s	％
15.1	7.43	-
			8.1	7.22	2.8％
5.65	6.23	16.2％
			3.25	5.89	20.7％

表2：对于全尺寸设备基于试验工作的按比例增大结果

 

射流速度	流速	泵输送压头	基于水的功率消耗	基于淤浆的功率消耗*	假定淤浆s.g.	功率消耗差异	功率消耗差异
								m/s	l/s	m	kW	kW	kg/m3	kW	％
15.1	417	30.7	159	196.5	1.03	-	-
								8.1	417	22.9	119	147.1	1.03	49.4	25％
5.65	417	21.6	112	138.4	1.03	58.1	30％
								3.25	417	20.5	107	132.3	1.03	64.3	33％

^*表示基于水×s.g.×1.2的kW

这种33％的降低率相当于6分/吨产生的洁净煤的显著能量节约，这对于澳大利亚Bowen Basin地区中的典型煤矿按现行价格将使浮选流程的总运行成本降低超过10％，折算为每年超过$160,000。

实施例

本发明对通过位于Queensland的Bowen Basin的试验设备Jameson浮选槽进行煤炭试验。该Jameson浮选槽具有工业规模降液管，直径为280mm，位于直径为1.6m的槽中。将来自加工厂的放出料流(bleed off stream)加入Jameson浮选槽。该试验槽具有变速泵，以及若干不同尺寸的淤浆透镜状体，该透镜状体允许在被试验的降液管中具有不同的射流速度。将阀和流量计与空气入口连接，其允许改变空气与浆状物比例。空气与浆状物比例(或APR)是与淤浆的体积流速混合的空气的体积流速的量度。因此，APR为1表示存在相等体积的淤浆与相等体积的空气混合。工业规模的Jameson浮选槽具有0.7-1.5的APR，尽管这种试验工作证实1.7的APR可以成功地用于Jameson浮选槽。

在该试验工作中，重要的是，当APR是0.7时，在3m/s的射流速度下，与15m/s的正常设计值相比存在从100-600μm的煤炭回收的显著增加，如图3所示。

当APR增加到1.7时，图4显示类似的结果。在这一情形下，存在尺寸大于600μm的粗煤回收的显著增加。

本领域技术人员将领会本发明可能对除特别描述的那些以外的变化和修改敏感。应当理解本发明涵盖属于其精神和范围的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.浮选方法，其中将液体或淤浆加入降液管，在降液管中液体或淤浆形成高空隙度部分的区域，该高空隙度部分流出该降液管进入容器，在该容器中泡沫上升且液体或淤浆下降，其特征在于当该液体或淤浆离开孔口并进入自由射流区时其以小于8米/秒的射流速度进入降液管。

2.根据权利要求1的浮选方法，其中该淤浆射流速度在1-7.5米/秒的范围内。

3.根据权利要求1的浮选方法，其中该淤浆射流速度在1.5-7米/秒的范围内。

4.根据权利要求1的浮选方法，其中该淤浆射流速度在2-6.5米/秒的范围内。

5.根据权利要求1的浮选方法，其中将淤浆加入降液管并且该淤浆由颗粒材料和液体的混合物构成，该容器中的泡沫主要包含粘着性、疏水性颗粒，该容器中的淤浆主要包含亲水性尾渣颗粒。

6.根据权利要求1的浮选方法，其中将液体加入降液管，该液体包括有机材料并且该泡沫包含有机材料。

7.根据权利要求1的浮选方法，其中将淤浆加入降液管并且加入该降液管的淤浆包括油砂、焦油砂或沥青砂并且该淤浆包含石油烃、水和颗粒状固体的三相混合物。

8.根据权利要求1的浮选方法，其中经过节流孔口或淤浆透镜状体将该液体或淤浆加入降液管。

9.根据权利要求1的浮选方法，其中液体或淤浆的射流以面向下的淤浆射流形式进入该降液管。

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