HydroFloat?粗颗粒浮选(CPF, Coarse Particle Flotation)槽体的流体动力学与混合特征研究

《Minerals》：Characterization of Hydrodynamics and Mixing Regime of a HydroFloat ? Cell

　　

研究人员开展了一项研究，利用某工业铜矿山粗选尾矿样品表征HydroFloat?粗颗粒浮选(Coarse Particle Flotation, CPF)槽体的性能。该研究在较宽的操作工况下测量了槽体内部的流体动力学变量，并评估了不同操作和流体动力学条件对HydroFloat?槽体选矿(冶金)性能的影响。研究人员记录了充气分散(Aeration and Gas Dispersion)测量参数，包括气泡尺寸分布(Bubble Size Distribution)、表观气速(Superficial Gas Velocity, Jg)、气泡比表面积通量(Superficial Area Flux, Sb)及停留时间分布(Residence Time Distribution, RTD)，据此对槽体运行状况进行了详细分析。结果表明，铜回收率受表观气速(Jg)和表观液速(Superficial Liquid Velocity, Jl)的强烈影响；Sauter平均直径(d32)在各操作条件下均保持在约0.5 mm且相对恒定，显著小于常规机械浮选槽典型气泡尺寸。这说明在此类设备中，小气泡同样可实现粗颗粒的浮选。气泡图像观测表明HydroFloat?槽体能营造利于气泡—颗粒聚团(Bubble–Particle Aggregates)形成的条件，从而解释小气泡浮选粗颗粒的机制。本研究增进了对粗颗粒浮选的理解，并为铜选矿厂中HydroFloat?的优化运行提供了框架。

论文解读：HydroFloat?粗颗粒浮选槽体的流体动力学与混合特征研究

该论文发表于《Minerals》，针对当前高品位铜矿资源枯竭导致选矿厂被迫处理低品位复杂矿石的背景展开。常规磨矿回路能耗占选矿厂运营成本的50%，为避免过磨、提前丢弃脉石并在大于150 μm粒级下回收有用矿物，粗颗粒浮选(Coarse Particle Flotation, CPF)技术应运而生。Fluidized-bed flotation（流体化床浮选）设备如Eriez HydroFloat^?可回收粒径达600 μm的颗粒，降低能耗并改善浓密机回水效率。然而，目前关于CPF内部流体动力学（气固液分散、气泡—颗粒相互作用、混合模式）的研究较少，缺乏界定其最佳操作条件的标准化方法。为此，研究人员利用工业铜矿粗选尾矿，在实验室规模HydroFloat^?槽体上系统测定关键流体动力学变量与选矿指标的关系，阐明其运行机制并为工业优化提供依据。

为开展此项研究，研究人员取自某工业铜矿山粗选尾矿（含固体30%，Cu品位0.1%，P₈₀≈145 μm，以106 μm为界限分离粗细粒级），在直径15 cm、高37 cm的实验室HydroFloat^?槽体中进行试验。关键技术方法包括：(1) 采用Bubble Viewer System（气泡观测系统，FT Ingeniería制）原位采集气泡图像，经ImageJ分析获气泡尺寸分布及Sauter平均直径d₃₂，通过气体流量计和槽体截面积计算表观气速J_g及气泡比表面积通量S_b；(2) 采用放射性示踪剂（于核反应堆活化）脉冲注入给矿，利用NaI(Tl)探测器及ALTAIX数据采集系统测定尾矿和精矿流的停留时间分布(Residence Time Distribution, RTD)，并按Fogler公式计算串联理想釜数N；(3) 在不同J_g、J_l、给矿细泥含量（?106 μm百分比）、捕收剂（Potassium Amyl Xanthate, PAX）与柴油用量、床层高度及调浆时间下开展浮选试验，测定铜回收率、质量回收率及富集比(Enrichment Ratio, ER)。

3.1. Copper and Mass Recoveries Obtained（铜回收率与质量回收率）

研究人员将铜回收率对质量回收率作图分析，发现质量回收率超过25%后铜回收率不再升高，说明过高质量回收伴随非选择性夹带使脉石进入精矿。曲线可分为三段：高选择性段（斜率>1）、选择性减弱段（斜率≈1）及受限段（趋于平坦，受脉石非选择性回收主导）。富集比随质量回收率上升而下降，印证回收率与品位间的典型权衡关系。

3.2. Effect of Air Injection（进气量的影响）

提高气体流量（J_g）提升了铜回收率，尤其改善了粗粒级（+106 μm）回收。原因是增大J_g增加了流体化床内气泡数目及气泡比表面积通量S_b，提高了气泡—颗粒碰撞与附着概率；高气泡密度还促进链状气泡—颗粒聚团(Chain-like Bubble–Particle Aggregates)形成，增大粗颗粒有效浮力促使其向上运移。

3.3. Effect of Water Injection Rate（注水速率的影响）

提高表观液速J_l亦提升铜及粗粒级回收率（通过床层膨胀改善颗粒 mobility），但过量注水会因细粒脉石夹带(Entrainment)降低选择性。

3.4. Bubble Size（气泡尺寸）

Sauter平均直径d₃₂在所有操作条件下恒定为约0.5 mm，远小于常规浮选槽（~1.0 mm）。气泡观测器捕捉到多个气泡与粗颗粒形成链状聚团，表明流体化床的低湍流环境与小气泡多气泡聚合机制可补偿单一小气泡浮力不足，实现粗颗粒上浮——此为与传统认识（粗颗粒需大气泡）相悖的重要发现。

3.5. Effect of Bubble Surface Area Flux (Sb)（气泡比表面积通量Sb的影响）

固定床层高度（距溢流唇3 cm）、给矿细泥含量（10% ?106 μm）及药剂制度时，铜回收率随S_b升高而增加，但在S_b≈17 s^?1后不再增长，继续增大S_b仅增加脉石夹带与质量拉下(Mass Pull)，故S_b≈17 s^?1可作为工业操作参考上限。

3.6. Effect of Fines Particles Content on Feed（给矿细泥含量的影响）

给矿中?106 μm细泥质量分数超过10%时铜回收率显著下降。细泥增高浆体表观黏度、降低流体化床渗透性并增强颗粒间相互作用，阻碍气泡—颗粒聚团运移，凸显上游分级/脱泥工序的重要性。

3.7. Effect of Collector and Diesel Dosages, Bed Level, and Conditioning Time（捕收剂、柴油用量、床层高度及调浆时间的影响）

较低PAX用量获更高铜回收率（工艺水中残存药剂致过量添加反而有害）；添加柴油作为疏水延伸剂(Hydrophobic Extender)增强部分解离硫化颗粒疏水性及聚团稳定性，改善粗粒回收。提高床层高度提升铜与质量回收率，低床位未必降低精矿品位。调浆时间不少于10 min对粗颗粒表面疏水化及附着至关重要，缩短时间明显损害回收。

3.8. Residence Time Distribution (RTD)（停留时间分布）

基线工况下尾矿流平均停留时间(Mean Residence Time, MRT)约7 min，精矿中不可浮颗粒MRT约5 min。串联理想混合槽数N尾矿流>1（具轴向弥散与内部循环），溢流区N≈1.5（近似全混区）。RTD曲线呈非理想平推流也非全混流的中间混合态：尾矿RTD具延迟峰与长拖尾（存在内循环/滞流区），精矿流呈早峰低幅（快速短路流）。说明上部接近全混区利于快浮也易夹带，下部流体化床为多釜串联特性，需平衡混合强度与相分离以优化回收与品位。

讨论与结论总结：

讨论部分指出HydroFloat^?性能受J_g、J_l、S_b、细泥含量、药剂制度及床高的耦合控制，需在流体动力学与表面化学间取得平衡——流体动力学决定输运、碰撞频率与RTD，药剂化学决定附着概率与聚团稳定性，起泡剂联结二者调控气泡尺寸与泡沫稳定性。小气泡在流体化床低剪切环境中通过多气泡聚团机制克服单泡浮力不足，实现粗颗粒上浮，这一机制区别于常规机械浮选。RTD揭示的局部全混与部分返混特征为放大设计提供停留时间依据。结论如下：(1) HydroFloat^?性能强烈受给入Teeter Bed的气与水流量影响；(2) 推荐气泡比表面积通量上限S_b≈17 s^?1，超出仅增脉石夹带；(3) d₃₂≈0.5 mm基本恒定，证较小气泡亦可捕集粗颗粒；(4) 观察到链状气泡—颗粒聚团，可为流体化床内现象建模提供参考；(5) 尾矿MRT≈7 min，返混有限；(6) 细泥过量与捕收剂过量损害性能，适量起泡剂至关重要；(7) 流体动力学与表面化学整合考量系HydroFloat^?优化关键。