CN112495592B

CN112495592B - 空化与起泡一体化尾矿浮选装置

Info

Publication number: CN112495592B
Application number: CN202011439436.2A
Authority: CN
Inventors: 孙逊; 陈颂英; 玄晓旭; 杨泽; 王云平; 王梦洁
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112495592A

Abstract

一种空化与起泡一体化尾矿浮选装置，包括定子、转子、转轴、超声波换能器和起泡剂注入装置，定子为密封筒体，定子内壁上安装有超声换能器，定子的一侧设置精矿排料口和尾矿排料口，另一侧设置有进料口，定子的进料口一侧与起泡剂注入装置连接，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空芯，叶片上在空芯的相对两侧分布有空化通孔。该装置通过高效耦合水力空化、超声空化与起泡浮选三种工艺，高效深度浮选尾矿中的价值矿物，提高尾矿的回收率。整个过程回收效果好、可放大性强、处理量大、可连续作业、成本低、不产生二次污染，在尾矿浮选领域具有广阔的应用前景。

Description

空化与起泡一体化尾矿浮选装置

技术领域

本发明涉及一种用于尾矿浮选的装置，该装置耦合水力空化、超声空化与起泡浮选技术，属于尾矿回收技术领域。

背景技术

尾矿中仍含有一些有价成分可被利用，一般是通过浮选工艺将尾矿中的有价成分挑出。浮选的基本原理是利用晶体表面的晶格缺陷，将其向外的疏水端部分插入气泡内，浮选过程中气泡把指定的矿粉带走，达到选矿的目的。尾矿浮选时，由于气泡收集不充分，以及氧化产物和煤泥对颗粒表面的钝化作用，使得部分细小的矿物颗粒被划分到浮选废矿中。

空化现象是指当压力降至低于饱和蒸汽压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量气泡。针对如何提高尾矿中微细粒的浮选回收率的问题，国内外研究机构做了大量工作，研究者发现纳米气泡有助于尾矿中微细粒矿物的浮选，并发现空化作用形成的纳米气泡对尾矿的浮选回收率有显著提高作用。

起泡剂是指能降低水的表面张力形成泡沫，使充气浮选矿浆中的空气泡能附着于选择性上浮的矿物颗粒上的一类表面活性剂。起泡剂大多数是由极性基和非极性基组成的异极性分子表面活性物质，即分子一端是极性基，另一端是非极性基。

涉及水力空化技术在浮选中的应用的文献，如CN110586340A公开的一种基于孔板水力空化成泡的粗颗粒矿物水力浮选设备及浮选方法，该设备包括浮选柱体和多孔板水力空化器，通过将多孔板水力空化器与浮选柱体结合使用，多孔板水力空化器在浮选柱体内产生均匀微小气泡，同时在浮选柱体内形成上升水流，形成基于重力分选和浮力分选耦合进行的分选过程。但装置仅提供多孔板式水力空化器，水力空化效果较差。且未耦合其他工艺，无法达到大体量、高精度的尾矿浮选要求。

除此之外，CN207468248U公开的《一种剪切式空化装置》，WO2012077889A1公开的《FLUID HEATER》，CN104613661A公开的《一种动力旋转加热器》虽然提出了旋转式的空化器，但均属于单纯的空化发生装置，不具备尾矿浮选功能，也未耦合其他物理、化学强化方法。

发明内容

本发明针对现有尾矿浮选技术存在的不足，提出一种浮选效率高，效果好的空化与起泡一体化尾矿浮选装置。

本发明的空化与起泡一体化尾矿浮选装置，采用以下技术方案：

该装置，包括定子、转子、转轴、超声波换能器和起泡剂注入装置，定子为密封筒体，定子内壁上安装有超声换能器，定子的一侧设置精矿排料口和尾矿排料口，另一侧设置有进料口，定子的进料口一侧与起泡剂注入装置连接，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空芯，叶片上在空芯的相对两侧分布有空化通孔。

所述起泡剂注入装置包括依次连接的起泡剂注入管、起泡剂泵和起泡剂储仓，起泡剂注入管与定子连接，向定子中输送的起泡剂为0.3～0.5kg/h。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～65℃。

所述定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚度为15～30mm。

所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。

所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器的频率为40～75 kHz，单机功率为2000～3500W。

所述进料口和精矿排料口对角设置，以防止产生短流现象。

所述进料口的进料流量为3～8m³/h。

所述转轴的转速为4000～4500r/min。

所述转子在转轴上等距分布，共有2～6个。

所述叶片在转子13上等间隔沿周向分布4～10个。

所述叶片长50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。

所述空化通孔的轴线与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。

所述空化通孔为文丘里结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。

所述空化通孔在叶片上呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布。所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。

为保证空化现象的形成并高效地完成尾矿浮选工艺，上述结构与工艺参数均由实际尾矿浮选生产实验所得。

本发明所述装置采用旋转空化技术，创新地通过转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里形空化通孔高效生成空化气泡，当饱和液体通过收缩部时，其瞬时压力低于其蒸汽压，在速度增加的同时，会形成大量纳米气泡，对尾矿中所需矿物进行浮选。当浆料进入反应器中，由于转子的旋转作用，会发生重复且强烈的颗粒间相互作用，同时空化气泡对矿物颗粒表面进行高效清洗，增加细粒矿物的释放量。此外，还耦合超声空化与起泡剂工艺，通过转子搅拌的湍流效果与空化现象产生的极端条件，促进空化气泡的生成，并增强所产生气泡的捕捉性，进而改善浆料中泡沫的破碎、重组与上浮效果。相对于现有装置，本发明优越性更强，更大的气体流量和微气泡形成的综合效应转化为显著增加的气泡通量，旋转式空化器赋予进料显著更高的剪切力和能量耗散率，能产生较为优越的空化效益，大大优化尾矿浮选效果，实现效率的大幅度提升。

利用本发明装置进行的过程如下所述：

将尾矿浆料经过进料口输送至定子中，通过起泡剂注入装置向浆料中注入起泡剂，再利用水力和超声空化处理浆料，产生纳米空化气泡，对尾矿进行浮选，经过气泡浮选的尾矿浆料从精矿排料口流出，剩余浆料通过尾矿排料口排出。

本发明具有以下特点：

1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化与起泡浮选工艺协同进行尾矿浮选，远远比单独使用水力空化、超声空化或起泡浮选工艺的方法效率高（可提高2～3倍以上），具有高效性，且此方法的处理量大，可连续作业；

2.本发明所述装置转子内空化通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形空化通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；

3.叶片的空芯为空化过程提供低流速高压强的发生面，增强扰流效应，提升空化效果；

4.本发明所述装置转子空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率（较未精加工的空化通孔，空化效率可提高20%）；

5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转子叶片开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与起泡剂注入管，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；

6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；

7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大硫化物废水处理量的需求；

8.本发明所述装置耦合了水力空化、超声空化与起泡浮选工艺，一体化设备大大简化了整个工艺流程；

9.本发明所述装置运转过程中，内表面周期性被空化清洗，故具有自清洁功能；

10.本发明所述装置结构简单、适应性强，、操作方便、安全可靠且便于维修；

11.本发明所述装置使用的起泡剂不局限于XP20离子型起泡剂，使用其他类型的离子型起泡剂也预计拥有良好的处理效果；

12.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际工艺处理实验所得。

附图说明

图1本发明尾矿浮选装置的结构示意图。

图2是本发明中定子和转子的截面示意图。

图3是本发明中转子的结构示意图。

图中：图中：1.精矿排料口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.尾矿排料口，8.定子端盖，9.密封圈，10.定子，11.超声波换能器，12.超声波发生器，13.转子，14.空化通孔，15.空芯，16.进料口，17.楔键，18.起泡剂注入管，19.起泡剂泵，20.起泡剂储仓，21.叶片。

具体实施方式

本发明的尾矿浮选装置耦合水力空化、超声空化和起泡浮选，其结构如图1和图2所示，包括定子10、转子13、转轴4、超声波换能器11和起泡剂注入装置。起泡剂注入装置包括依次连接的起泡剂注入管18、起泡剂泵19和起泡剂储仓20，起泡剂注入管18与定子10连接。

定子10为密封筒体，两端通过螺栓连接定子端盖8，连接处有密封垫圈9，使得定子10内部形成密封的空腔。定子端盖8的内部设有角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈9，形成密封结构。定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚度为15～30mm。定子10内壁上安装有超声换能器11，各个超声波换能器11均与超声波发生器12连接。所述超声波换能器11等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。超声波发生器12数量为1～4个，频率为40～75kHz，单机功率为2000～3500W。耦合超声波后，可使加快空化气泡的产生，提高浮选效率。

定子10的左侧端盖下部设置精矿排料口1，右侧端盖上部设置有进料口16。进料口16和精矿排料口1对角设置，以防止产生短流现象。定子左侧端盖上部设置尾矿排料口7，用于剩余废弃浆料排出。进料口16、尾矿排料口7与精矿排料口1分别与泵相连，用于控制流量。进料口16的流量为3～8m³/h。定子右侧端盖下部连接起泡剂注入管18，并通过起泡剂泵19与起泡剂储仓20相连，将XP20离子型起泡剂（储存在起泡剂储仓20中）注入至定子10中，起泡剂受转子13搅拌的湍流效果与空化现象产生的极端条件，促进空化气泡的生成，并增强所产生气泡的捕捉性。起泡剂添加量为0.3～0.5kg/h。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～65℃。

转轴4通过角接触球轴承5安装在定子10中，一端伸出定子10，伸出端依次连接联轴器、增速器和电机，带动转子13在定子10内转动。转轴4与定子10的连接处设有机械密封6，机械密封6设置在定子端盖8外侧，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。所述转轴4的转速为4000～4500r/min。转子13处于定子10的空腔中，并通过楔键17固定安装在转轴4上。

转子13沿转轴轴向在转轴上等距分布，共有2～6个。参见图2和图3，转子13为多叶片叶轮结构，叶片21为带有空芯15的中空梯形体结构，转子13上等间隔沿周向分布有4～10个叶片，空芯15为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片21上在空芯15的相对两侧分布有空化通孔14，空化通孔14的轴线与转子13的转动切线方向一致，而不是与转子13的轴向一致。空化通孔14为文丘里结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm；收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。空化通孔14在叶片上呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。空芯15相对两侧的空化通孔14两两对正。转子13高速旋转时，流体从一侧空化通孔的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出；之后流体便会进入另一侧对正的空化通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述空化通孔14内壁的表面粗糙度Ra小于1.6 mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。

以上所述结构是根据浮选工艺特点经过实际工艺处理实验得出，达到了处理的最佳匹配条件。

本发明上述装置进行尾矿浮选的过程如下所述。

尾矿浆料由进料口16进入定子10中。转轴4由电机带动高速旋转，转子13随转轴4一起转动，使得叶片上的空化通孔14高速剪切流体，使局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器12把电转换成高频交流电信号，传递到嵌于定子10内壁上的超声波换能器11，超声波换能器11将电能转化为声能，产生高频超声波。超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大增加水力空化生成的空泡数量，提高处理效率；此外，XP20离子型起泡剂从起泡剂注入管18进入定子，旋转空化技术高速剪切流体产生的强湍流效应增强了起泡剂的起泡效果，提高了起泡速率，从而进一步促进尾矿浮选效果。处理过程中的所浮选出的精矿浆料由气泡流引导经左侧定子端盖上的精矿排料口1流出，处理完毕后，剩余废弃浆料从尾矿排料口7排出。

以下给出具体实例：

通过对尾矿处理后的10kg尾矿浆料进行尾矿浮选工艺处理，在最优工况下与该结构下（参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm, 收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每圈4个，共6圈；超声波发生器为2个，单机功率为2000W），获得如下结论：

在转速4500rpm，空化数0.14，流量为4 m³/h，超声波频率为40kHz，起泡剂为XP20离子型起泡剂，反应温度60℃的工况下：无辅助水力空化过程，经过30分钟浮选工艺，总回收率由现有浮选槽的49%提升至52%；单独使用传统超声波（40kHz、 2000W）和起泡浮选工艺（XP20离子型起泡剂、0.3kg/h）进行浮选，尾矿回收率分别为27.15%与30.39%；而耦合水力空化、超声空化与起泡浮选工艺，可将总回收率提升至73%，可见该工艺流程对尾矿浮选过程高效且环保。

Claims

1.一种空化与起泡一体化尾矿浮选装置，其特征是：包括定子、转子、转轴、超声波换能器和起泡剂注入装置，定子为密封筒体，定子内壁上安装有超声换能器，定子的一侧设置精矿排料口和尾矿排料口，另一侧设置有进料口，定子的进料口一侧与起泡剂注入装置连接，转轴安装在定子中，转子处于定子中并安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空芯，叶片上在空芯的相对两侧分布有空化通孔；

所述转子在转轴上等距分布，共有2～6个；所述叶片在转子上等间隔沿周向分布4～10个；所述转轴的转速为4000～4500r/min；所述空化通孔为文丘里结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，喉部内径为0.4～1mm，收缩角为35～50°，扩张角为8～15°；所述空化通孔在叶片上呈4～10排，3～10列的矩形阵列排布；

定子中输送的起泡剂为0.3～0.5kg/h。

2.根据权利要求1所述的空化与起泡一体化尾矿浮选装置，其特征是：所述起泡剂注入装置包括依次连接的起泡剂注入管、起泡剂泵和起泡剂储仓，起泡剂注入管与定子连接。

3.根据权利要求1所述的空化与起泡一体化尾矿浮选装置，其特征是：所述定子的内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm；所述叶片长50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。

4.根据权利要求1所述的空化与起泡一体化尾矿浮选装置，其特征是：所述超声波换能器等间距地沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。