閆小康，蘇子旭，王利軍，張海軍，曹亦俊，劉炯天

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450000)

隨著煤化工行業(yè)的快速發(fā)展及煤炭清潔高效利用要求的提高，煤氣化技術(shù)越發(fā)受到重視，氣化過程中產(chǎn)生大量煤氣化渣廢棄物，受限于技術(shù)及成本問題，主要以填埋堆存為主，煤氣化渣中富含大量硅、鋁組分，可用于制備水泥等建筑材料，具有較高資源化利用價(jià)值，但同時(shí)也含有部分未燃炭，會降低建筑材料強(qiáng)度，制約了其資源化利用，因此，開展煤氣化渣中炭、灰組分的高效分離是其資源化利用的必要前提。煤氣化渣中存在大量礦物熔融體，炭、灰包裹夾雜嚴(yán)重，嵌布粒度細(xì)，分選前需充分破碎解離，因此其分選粒度極細(xì)，浮選是分選細(xì)顆粒礦物的主要方法，根據(jù)礦物表面疏水性差異實(shí)施分離，氣泡礦化是浮選的核心環(huán)節(jié)，在礦化過程中疏水性顆粒與氣泡在流體作用下發(fā)生碰撞黏附浮升，而親水性顆粒則難以穩(wěn)定黏附在氣泡表面極易脫附，從而遺留在浮選槽中形成尾礦。通常，微細(xì)顆粒質(zhì)量小、動能低、慣性弱，遇氣泡時(shí)易跟隨流線從氣泡周圍繞流而過，難以與氣泡發(fā)生碰撞，導(dǎo)致礦化效率低，制約了微細(xì)粒礦物的浮選回收，因此，實(shí)施煤氣化渣中的炭-灰分離首先面臨微細(xì)粒難浮的問題。

浮選大多發(fā)生在湍流環(huán)境中，通過湍流調(diào)控提高顆粒動能，促使其擺脫流線與氣泡發(fā)生湍流碰撞(圖1)是提高微細(xì)粒礦化效率有效的方法。學(xué)者通過理論或試驗(yàn)研究已證實(shí)強(qiáng)湍流有利于微細(xì)顆粒浮選。 SCHUBERT等在20世紀(jì)70年代開始研究浮選機(jī)內(nèi)的流體動力學(xué)行為，重點(diǎn)研究了浮選機(jī)內(nèi)部的湍流，指出葉輪區(qū)域的高湍流區(qū)是氣泡與顆粒發(fā)生碰撞和黏附的主要區(qū)域，且細(xì)粒浮選需要強(qiáng)湍流碰撞及高湍流耗散；JAMESON針對浮選設(shè)備設(shè)計(jì)新方向研究，指出微細(xì)顆粒浮選需強(qiáng)剪切的流場環(huán)境，且設(shè)計(jì)了由噴嘴及碗狀部件構(gòu)成的強(qiáng)剪切發(fā)生組件，該組件產(chǎn)生的流體環(huán)境具有極強(qiáng)的湍流強(qiáng)度，微細(xì)粒分選試驗(yàn)效果較好；LIU和SCHWARZ等通過計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬預(yù)測得出細(xì)粒在局部高湍流耗散區(qū)礦化概率高；HOANG 等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了浮選機(jī)轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速帶來的強(qiáng)湍流能量耗散為細(xì)顆粒的浮選提供了良好的流體力學(xué)環(huán)境；NGUYEN等在浮選體系湍流效應(yīng)研究中指出，湍流對浮選顆粒及氣泡相互作用的微觀過程具有重要影響，對于湍流隨機(jī)過程的定量化認(rèn)知需開展更深入的研究；CONG等研究了各向同性湍流中的氣泡-顆粒碰撞，認(rèn)為湍流的加速剪切比重力對碰撞的影響更大，通過理論計(jì)算得出顆粒-氣泡碰撞效率隨湍流動能的增加而增加。周凌鋒等設(shè)計(jì)了以高速射流為主要特征的高效細(xì)粒浮選柱；楊潤全等研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械攪拌式浮選機(jī)內(nèi)增加格柵板可同時(shí)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的湍流場，為不同粒徑的顆粒提供相適應(yīng)的流體力學(xué)條件；黃光耀等開發(fā)了以管流紊態(tài)礦化為特征的CFC高效微細(xì)粒浮選機(jī)；劉炯天將管流單元集成在旋流-靜態(tài)微泡浮選柱中，用于強(qiáng)化細(xì)粒礦物回收，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用；筆者對該多流態(tài)梯級強(qiáng)化柱式分選過程進(jìn)行了流體動力學(xué)研究，認(rèn)為具有強(qiáng)湍流特性的管流礦化單元是入浮物料中可浮性最差的微細(xì)粒礦物回收的主要場所。

圖1 顆粒與氣泡湍流碰撞Fig.1 Turbulent collision between particles and bubbles

湍流本質(zhì)上由大小不一的渦組成，流體流動通過渦運(yùn)動進(jìn)行動能傳遞，筆者團(tuán)隊(duì)對格柵誘導(dǎo)湍流場內(nèi)的顆粒運(yùn)動進(jìn)行粒子圖像測速(PIV)測量時(shí)發(fā)現(xiàn)，顆粒始終跟隨一定尺寸的小尺度渦運(yùn)動，如圖2所示(圖中黑點(diǎn)為固體顆粒，藍(lán)色曲線為流體流線，視場10.7 mm×8 mm，相機(jī)幀數(shù)10 000幀/s，顆粒粒度180～210 μm，分辨率20 μm/pix)，即湍流渦直接作用于顆粒運(yùn)動。

圖2 顆粒在湍流場運(yùn)動的高頻高分辨率PIV測量Fig.2 Particle motion measurement in turbulent field using high frequency and resolution PIV

基于該認(rèn)知，將傳熱領(lǐng)域用于強(qiáng)化管內(nèi)換熱的渦流發(fā)生器應(yīng)用于微細(xì)粒礦物浮選領(lǐng)域，在旋流-靜態(tài)微泡浮選柱的管流單元中均勻布置了結(jié)構(gòu)相同的多排渦流發(fā)生器，針對性地促進(jìn)了微細(xì)顆粒與氣泡的相互作用，相對于單純提高流速以及轉(zhuǎn)速，該方法能夠誘導(dǎo)出大量含能宏觀渦，一方面增強(qiáng)顆粒與氣泡的輸運(yùn)混合，另一方面，渦-渦交互作用及主流與渦流發(fā)生器壁面，尤其是其頂部的尖端部位之間的交互作用，使得局部湍流耗散率極大值顯著提高，小尺度渦的能量增強(qiáng)，使流體動能更有效地傳遞至小顆粒，提高了顆粒動能，幫助其擺脫流線、提高顆粒-氣泡碰撞概率，促進(jìn)了微細(xì)粒礦物的浮選回收。浮選試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在不增加能耗的前提下該湍流渦調(diào)控方法可有效提高微細(xì)粒礦物的浮選指標(biāo)，由此將微細(xì)粒浮選的湍流調(diào)控向前推進(jìn)到湍流渦調(diào)控層面。但通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該方法在強(qiáng)化微細(xì)顆粒碰撞的同時(shí)，對粒度稍大的顆粒將產(chǎn)生不利影響，例如在對黃銅礦的浮選過程中，-15 μm顆粒浮選回收率顯著提升，但37～74 μm顆?；厥章氏陆担砻髟撏牧鳒u調(diào)控方法未充分考慮入浮物料的可浮性差異，未實(shí)現(xiàn)寬粒級顆粒的整體回收，使工業(yè)應(yīng)用受限。

筆者以微細(xì)粒問題突出的煤氣化渣為研究對象，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)研究不同結(jié)構(gòu)渦流礦化裝置內(nèi)部的兩相湍流流場特征，結(jié)合浮選試驗(yàn)，分析湍流特性與煤氣化渣顆粒浮選效果之間的適配關(guān)系，依此進(jìn)行基于湍流渦調(diào)控的渦流浮選過程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與礦物可浮性適配的湍流能量合理有序分布，最終強(qiáng)化寬粒級煤氣化渣高效浮選分離，也可為其他貧細(xì)礦物的高效浮選設(shè)備開發(fā)提供參考。

1 渦流礦化管段結(jié)構(gòu)及工作原理

渦流礦化裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括礦化管和矩形渦流發(fā)生器。其中礦化管是長度=300 mm，直徑=10 mm的空心圓柱管，為迎流面矩形邊長，為側(cè)面直角三角形直角邊長，α為矩形渦流發(fā)生器與管壁之間的傾斜角度，為了便于適配關(guān)系的探索，矩形渦流發(fā)生器與礦化管壁之間的傾斜角度分別設(shè)置為25°，35°，45°和55°，如圖3(b)所示，依次在礦化管內(nèi)定向排列，相鄰渦流發(fā)生器間距=40 mm，首排渦流發(fā)生器與入口截面距離=20 mm，筆者將內(nèi)置多排渦流發(fā)生器的傾角均相同時(shí)稱之為均衡渦流礦化管。礦漿通過入料泵給入礦化管，在礦化管一側(cè)給入空氣，形成含氣礦漿，在管內(nèi)發(fā)生湍流礦化，之后富含礦化氣泡的礦漿進(jìn)入泡沫分離柱分離。

圖3 均衡渦流礦化管段結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the equilibrium vortex mineralization device

2 渦流礦化管內(nèi)部流場數(shù)值模擬及湍流特征

2.1 網(wǎng)格劃分

依據(jù)圖3在ICEM CFD中建立幾何模型，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界層和渦流發(fā)生器區(qū)域網(wǎng)格予以加密，如圖4所示。以45°矩形渦流礦化管為例，以體積平均湍流耗散率(ε)為特征參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如圖5所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過76萬時(shí)，體積平均湍流耗散率趨于穩(wěn)定，選取76萬的網(wǎng)格劃分策略進(jìn)行后續(xù)計(jì)算的網(wǎng)格劃分。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)Fig.5 Grid independence verification

2.2 控制方程

煤氣化渣解離后粒度極細(xì)(大多小于45 μm)，且研究采用低濃度浮選，因此數(shù)值模擬簡化為氣-液兩相，模擬中采用歐拉-歐拉雙流體模型處理兩相流動、RNG-ε模型計(jì)算湍流、Schiller-Naumann模型計(jì)算氣-液相間曳力、Tomiyama模型計(jì)算升力。

連續(xù)性方程：

(1)

式中，為q相體積分?jǐn)?shù)；為q相密度，kg/m；為q相速度，m/s。

動量守恒方程：

(2)

2.3 邊界條件與求解設(shè)置

入料口設(shè)置為速度入口(Velocity Inlet)，設(shè)置為2.12 m/s，對應(yīng)入料流量為0.6 m/h，氣含率設(shè)置為10%，出口設(shè)置為壓力出口(Pressure Outlet)，靜壓設(shè)置為0 (表壓)，固體壁面為無滑移壁面，工作介質(zhì)使用室溫下的空氣和水。

借助ANSYS FLUENT軟件進(jìn)行求解，采用隱式求解器算法對控制方程進(jìn)行離散化處理，采用Phase Coupled SIMPLE算法進(jìn)行壓力-速度耦合計(jì)算，方程離散格式中，梯度采用Least Squares Cell Based格式，動量項(xiàng)和體積分?jǐn)?shù)采用一階迎風(fēng)格式，湍流動能項(xiàng)、湍流耗散率項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，收斂殘差精度設(shè)為10，計(jì)算采用非穩(wěn)態(tài)求解，步長設(shè)為10～10s，計(jì)算達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)穩(wěn)定后，取后2～3個(gè)周期作時(shí)均處理用于后續(xù)結(jié)果分析。如無特別說明，后處理結(jié)果均取混合相的物理參量值。

2.4 湍流特征

湍流動能表征湍流流態(tài)下流體的速度脈動強(qiáng)度，決定微細(xì)顆粒是否能獲得足夠大的動能突破流線與氣泡發(fā)生碰撞及穩(wěn)定黏附，湍流耗散率表征由于速度梯度產(chǎn)生的流體內(nèi)摩擦引發(fā)湍流動能耗散的速率，與湍流最小渦尺度密切相關(guān)，渦尺度與其能有效作用到的顆粒尺寸相關(guān)。

..渦流發(fā)生器作用下的渦產(chǎn)生機(jī)理

不同傾斜角下渦流發(fā)生器后方(下游)流向截面與展向截面上的流體壓力分布如圖6所示，圖6中虛線為渦流發(fā)生器位置。如圖6(a)所示，沿流向截面，流體在經(jīng)過渦流發(fā)生器后，在后方形成了壓力較低的負(fù)壓區(qū)，該區(qū)域內(nèi)沿流動方向壓力遞增，即出現(xiàn)逆壓梯度，流體回流，形成渦旋，其旋轉(zhuǎn)流動的旋轉(zhuǎn)軸垂直于流向，為展向渦(圖7(a))；展向截面上渦流發(fā)生器兩側(cè)的逆壓梯度促使流向渦形成(圖6(b)，7(b))；隨渦流發(fā)生器傾斜角度增大，逆壓梯度提高。

圖6 內(nèi)置不同傾斜角度渦流發(fā)生器的礦化管內(nèi)流向與展向截面壓力云圖Fig.6 Pressure contours of flow direction and spanwise section in mineralized pipes with built-in vortex generator of different inclination angles

圖7 流向與展向截面流線Fig.7 Cross-section streamline diagram in the flow direction and spanwise direction

圖8為速度分布云圖，在渦流發(fā)生器的上方與側(cè)方的外圍主流區(qū)速度較高，而渦流發(fā)生器后方及兩側(cè)速度較低，由此形成了高速度梯度區(qū)，速度梯度越大，流體內(nèi)摩擦越強(qiáng)，湍流耗散率越高。隨著渦流發(fā)生器傾斜角度增大，速度梯度進(jìn)一步增大。

..渦流發(fā)生器作用下的渦演化特征

利用判據(jù)對矩形渦流發(fā)生器誘導(dǎo)的湍流渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別，圖9(a)為渦流發(fā)生器后方2 mm展向截面上渦的空間分布，可見展向發(fā)卡渦在渦發(fā)生器上邊緣產(chǎn)生，騎在渦流發(fā)生器兩側(cè)產(chǎn)生的流向渦之上；圖9(b)中，以=8 000的等值面表征湍流空間渦結(jié)構(gòu)，并使用流向渦量()著色，可看到每個(gè)渦流發(fā)生器下游又形成一對旋向相反的長流向渦(流向渦量的數(shù)值正負(fù)代表旋轉(zhuǎn)方向不同)，這個(gè)反向渦對是由發(fā)卡渦和流向渦的交互作用誘導(dǎo)而出的二次渦，這些渦-渦、渦-主流之間強(qiáng)烈的交互作用將引發(fā)湍流脈動速度和速度梯度的急劇增加，使得湍流動能和湍流耗散率的急劇上升。隨著渦流發(fā)生器傾斜角的增加，壓力梯度與速度梯度提高(圖6，7)，渦的影響范圍及渦量進(jìn)一步增大，渦-渦交互作用進(jìn)一步增強(qiáng)。

..湍流動能

圖10為礦化管軸截面上不同矩形渦流發(fā)生器傾斜角度下的湍流動能分布云圖。流體經(jīng)過渦流發(fā)生器后，湍流動能均顯著增大，礦化管中心區(qū)域湍流動能低于近渦流發(fā)生器區(qū)域，可見渦流發(fā)生器誘導(dǎo)出的一系列湍流渦及其相互作用增強(qiáng)了湍流脈動；隨著與渦流發(fā)生器距離增加，流體湍流動能不斷衰減。渦流發(fā)生器傾斜角度對湍流動能分布影響顯著，結(jié)合圖9，在相同入口流速下，隨著傾斜角度增加，湍流渦對流場影響范圍和強(qiáng)度增大，渦作用持續(xù)增強(qiáng)，隨之帶來湍流動能提高，高湍流動能區(qū)域增大，當(dāng)傾斜角度為25°，35°，45°及55°時(shí)，湍流動能體積平均值分別達(dá)0.041，0.056，0.080，0.142 m/s。

圖8 內(nèi)置不同傾斜角度渦流發(fā)生器的礦化管內(nèi)流向與展向截面速度云圖Fig.8 Velocity contours of flow direction and spanwise section in mineralized pipes with built-in vortex generator of different inclination angles

圖9 內(nèi)置不同傾斜角度渦流發(fā)生器的礦化管展向與流向宏觀渦演化特征Fig.9 Evolution characteristics of spanwise and streamwise macro-vortices in mineralized tubes with built-in vortex generators of different inclination angles

..湍流耗散率

截取裝置中心軸截面，分析矩形渦流發(fā)生器角度對礦化管內(nèi)湍流耗散率分布的影響，如圖11所示。

圖10 內(nèi)置不同角度渦流發(fā)生器的礦化管內(nèi)湍流動能云圖Fig.10 Turbulent kinetic energy contours in the mineralization tubes with built-in vortex generators of different inclination angles

圖11 內(nèi)置不同角度渦流發(fā)生器礦化管內(nèi)湍流耗散率云圖Fig.11 Turbulent dissipation rate contours in the mineralized tubes with built-in vortex generators of different inclination angles

由圖11可知，對于任一角度矩形渦流發(fā)生器礦化管，其湍流耗散率分布與湍流動能分布特征基本一致，在渦流發(fā)生器后端，流體存在強(qiáng)湍流耗散，之后沿著流動方向逐漸衰減。在相同入口流速下，整體湍流耗散率隨著傾斜角度增加而增大，高湍流耗散率范圍顯著增大，當(dāng)傾斜角度達(dá)55°時(shí)，高湍流耗散率區(qū)幾乎布滿渦流發(fā)生器后端整個(gè)橫向區(qū)域，這主要是由于渦流發(fā)生器傾角的增加，使得速度梯度提高，即流體內(nèi)摩擦進(jìn)一步增強(qiáng)，加劇了湍流動能耗散的速率。

..湍流最小渦尺度

湍流能譜分為含能區(qū)、慣性子區(qū)和耗散區(qū)，其中含能區(qū)渦為大尺度渦，大尺度渦裂變形成若干小尺度渦，不同尺度的渦之間不斷發(fā)生能量傳遞，能量從大尺度渦向小尺度渦傳遞，小尺度渦能量則向更小的渦旋傳遞，直至最小尺寸的渦旋，最后受流體黏性耗散的影響轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。根據(jù)Kolmogorov湍流理論可知，最小渦尺度()與湍流耗散率和流體黏度有關(guān)，數(shù)學(xué)表征為

(3)

式中，為流體運(yùn)動黏度，m/s；為湍流耗散率，m/s。

根據(jù)式(3)計(jì)算礦化管的最小渦尺度及管內(nèi)最小渦尺度均值，如圖12所示。

圖12 內(nèi)置不同渦流發(fā)生器傾斜角度礦化管內(nèi) 最小渦尺度云圖及平均最小渦尺度Fig.12 Minimum eddy scale contours and mean minimum eddy scale in the mineralized tubes with built-in vortex generators of different inclination angles

由圖12可知，在研究范圍內(nèi)，任一傾斜角度渦流發(fā)生器均可在礦化管內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生微米級小尺度渦，礦化管內(nèi)部中央?yún)^(qū)域的最小渦尺度大于距離渦流發(fā)生器較近的周邊區(qū)域，隨著內(nèi)置渦發(fā)生器傾斜角度增加，管內(nèi)大多區(qū)域上產(chǎn)生的最小渦尺度逐漸降低，平均最小渦尺度減小，渦尺度的降低有助于流體將自身動量有效傳遞到微細(xì)顆粒上。由圖12(b)可知，當(dāng)渦流發(fā)生器傾斜角度為25°時(shí)，礦化管內(nèi)最小渦尺度平均值為16.10 μm，已達(dá)顆粒尺度湍流渦范圍，將有利于強(qiáng)化微細(xì)顆粒與氣泡的碰撞；隨著傾斜角度的增大，當(dāng)傾斜角度為35°，45°，55°時(shí)，平均最小渦尺度分別可達(dá)14.71，12.74，10.34 μm。

綜上，隨著矩形渦流發(fā)生器角度的增大，渦交互作用增強(qiáng)，管內(nèi)湍流動能和湍流耗散率均顯著提高，產(chǎn)生的最小渦尺度逐漸變小。

3 均衡渦流礦化煤氣化渣浮選試驗(yàn)

3.1 試樣與試驗(yàn)方法

..試 樣

試樣取自寧東能源化工基地某企業(yè)煤氣化工藝條件下的氣化細(xì)渣。試驗(yàn)前將試樣進(jìn)行烘干、縮分后收集，其工業(yè)分析結(jié)果為：=1.61%，=74.75%，=4.07%，F(xiàn)C=19.57%，無法滿足其資源化利用要求。煤氣化渣大多炭、灰包裹嚴(yán)重，為了促使炭、灰組分解離，試驗(yàn)前，將試樣按質(zhì)量濃度150 g/L加入水中，利用棒磨機(jī)以50 Hz頻率研磨10 min，以制備浮選試驗(yàn)樣品。利用BT-9300S激光粒度分析儀(中國丹東百特)測量浮選試樣的粒度分布，如圖13所示，，，分別約為1.5，9.9，34.5 μm。

圖13 試樣粒度分布Fig.13 Size distribution of test sample

..試驗(yàn)系統(tǒng)

利用實(shí)驗(yàn)室渦流礦化浮選系統(tǒng)進(jìn)行浮選試驗(yàn)，如圖14所示，主要由礦漿調(diào)質(zhì)裝置、泡沫分離柱、渦流礦化管段(圖3)、多孔陶瓷氣泡生成裝置、電磁流量計(jì)、蠕動泵、空壓機(jī)、調(diào)壓閥、氣體微調(diào)流量閥、氣體流量計(jì)等組成。

圖14 實(shí)驗(yàn)室渦流礦化浮選系統(tǒng)Fig.14 Laboratory vortex mineralization flotation system

..試驗(yàn)方法

浮選前，配備質(zhì)量濃度30 g/L礦漿加入1.5 L攪拌槽中，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌2 min，按8 kg/t加入捕收劑(柴油)，攪拌3 min后，加入起泡劑(甲基異丁基甲醇，MIBC)，用量為8 kg/t，攪拌2 min，之后收集礦漿，加入實(shí)驗(yàn)室渦流礦化浮選系統(tǒng)，開啟蠕動泵，調(diào)節(jié)入料流量為0.6 m/h，待礦漿穩(wěn)定循環(huán)流動后開啟進(jìn)氣閥門，控制進(jìn)氣量為1 L/min，浮選時(shí)間為7 min，分別在30，60，120，240，420 s收集精礦，將收集的精礦和尾礦過濾烘干后測試灰分，調(diào)整內(nèi)置渦流發(fā)生器傾斜角度，重復(fù)試驗(yàn)。

產(chǎn)率()、燒失量(LOI)、可燃體回收率()的計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

式中，為不同時(shí)間浮選精礦質(zhì)量，g；為入料質(zhì)量，g；為空瓷坩堝質(zhì)量，g；為氣化渣試樣質(zhì)量，g；為燒后氣化渣試樣與坩堝總質(zhì)量，g；LOI為原樣燒失量，%。

對浮選精礦和尾礦分別進(jìn)行激光粒度測試，測試后計(jì)算不同粒級顆粒浮選回收率()：

(7)

其中，為精礦中各粒級產(chǎn)率，%；為精礦產(chǎn)率，%；為尾礦中各粒級產(chǎn)率，%；為尾礦產(chǎn)率，%。浮選速率常數(shù)()利用一級浮選動力學(xué)模型計(jì)算。

=(1-e-)

(8)

式中，為最大可燃體回收率，%；為浮選時(shí)間，s。

3.2 均衡渦流礦化浮選試驗(yàn)結(jié)果

浮選試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。由圖15可知，隨著渦流發(fā)生器傾斜角度由25°增至45°，可燃體回收率由72.35%增至83.74%，精礦燒失量變化不顯著，尾礦燒失量有所降低，該試驗(yàn)結(jié)果與前述理論分析一致，渦流發(fā)生器傾斜角度增大使湍流動能及湍流耗散率增加，湍流渦尺度減小，增強(qiáng)了微細(xì)顆粒與氣泡的碰撞，提高了礦化概率，可燃體回收率提升，尾礦中炭組分含量降低。但隨著傾斜角度持續(xù)增至55°，可燃體回收率由83.74%降至75.70%，這可能是由于湍流強(qiáng)度持續(xù)增加，導(dǎo)致部分黏附到氣泡表面的粗顆粒發(fā)生脫附，可燃體回收率降低。

3.3 浮選產(chǎn)物粒度

浮選產(chǎn)物中不同粒徑顆粒的浮選回收率如圖16所示。由圖16可知，隨著渦流發(fā)生器傾斜角度增大，-45，45～75 μm煤氣化渣顆粒的浮選回收率均先增大后減小。-45 μm顆粒的浮選回收率拐點(diǎn)發(fā)生在傾斜角度為45°，結(jié)合2.4節(jié)分析結(jié)果，此時(shí)湍流產(chǎn)生的最小渦尺度均值為12.74 μm，湍流動能均值為0.080 m/s；45～75 μm煤氣化渣顆粒的浮選回收率拐點(diǎn)前移，在傾斜角度為35°時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)湍流最小渦尺度為14.71 μm，湍流動能均值為0.056 m/s，

圖15 內(nèi)置不同傾斜角度渦流發(fā)生器的 均衡渦流礦化浮選試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Flotation results of equilibrium mineralized tube with vortex generators of different angles

圖16 均衡渦流礦化浮選試驗(yàn)各粒級顆粒浮選回收率Fig.16 Flotation recovery rate of each size particle by equilibrium mineralized tube

超過拐點(diǎn)后，回收率下降說明顆粒脫附。

可見，不同粒徑的細(xì)粒浮選，需要適配不同湍流特性的流場，顆粒粒度越細(xì)，越需要強(qiáng)湍流，而隨著顆粒粒度增大，相適配的湍流環(huán)境能提供的湍流動能逐漸降低，最小渦尺度逐漸增大，以降低脫附概率。

4 梯級渦流浮選過程設(shè)計(jì)

4.1 過程構(gòu)建

根據(jù)上述得出的渦流發(fā)生器結(jié)構(gòu)、湍流特征參量與浮選指標(biāo)之間的關(guān)系，同時(shí)借鑒前期針對微細(xì)粒黃銅礦浮選的研究，將不同角度的矩形渦流發(fā)生器在礦化管內(nèi)有序排列，使其能產(chǎn)生梯級變化的湍流環(huán)境，如圖17所示，相鄰渦流發(fā)生器的間距=40 mm，首排渦流發(fā)生器與入口截面的距離=20 mm，第1排與第2排設(shè)置傾角為55°的渦流發(fā)生器，第3排與第4排設(shè)置傾角為45°的渦流發(fā)生器，第5排設(shè)置傾角為35°的渦流發(fā)生器，考慮到可能存在的顆粒聚并，第6排增設(shè)了傾角為25°的渦流發(fā)生器。

圖17 梯級渦流礦化管結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of the stepped vortex mineralized tube

4.2 湍流特性

對梯級渦流礦化管的內(nèi)部流場開展相同條件下的CFD數(shù)值模擬。梯級渦流礦化管內(nèi)湍流動能、湍流耗散率以及渦結(jié)構(gòu)分布如圖18所示。

由圖18(a)，(b)可知，在任意一排渦流發(fā)生器后均存在局部強(qiáng)湍流動能及強(qiáng)湍流耗散區(qū)域，與單一角度均衡渦流發(fā)生器礦化管內(nèi)渦流發(fā)生器后方流場特征一致；沿著流動方向，隨著渦流發(fā)生器傾斜角度逐漸減小，渦流發(fā)生器后局部湍流動能及湍流耗散率逐漸降低(即最小渦尺度逐漸增大)，礦化管內(nèi)湍流特性呈梯級變化趨勢；由圖18(c)可以看出，流向渦渦管的長度及渦量減小，使得湍流渦間的交互作用減弱，湍流脈動降低。滿足構(gòu)建湍流特性梯級有序分布的流場構(gòu)建要求，即首先產(chǎn)生強(qiáng)湍流區(qū)，強(qiáng)化微細(xì)顆粒與氣泡的碰撞，之后湍流動能應(yīng)逐漸減小，渦尺度應(yīng)增大，確保高湍流環(huán)境下脫附的粗顆粒二次回收。

圖18 梯級渦流礦化管湍流耗散率、湍流動能及 渦結(jié)構(gòu)分布云圖Fig.18 Distribution of turbulent flow energy,turbulent dissipation rate and vortex structure in stepped vortex tube

4.3 梯級渦流礦化裝置浮選試驗(yàn)結(jié)果

利用梯級渦流礦化浮選裝置進(jìn)行煤氣化渣浮選試驗(yàn)(試驗(yàn)條件參考3.1節(jié))，并開展相同功耗(近似相同)、相同藥耗及相同體積容量條件下實(shí)驗(yàn)室機(jī)械攪拌式浮選機(jī)浮選試驗(yàn)，2者的浮選效果對比見表1。

由表1可知，梯級渦流礦化浮選裝置可燃體回收率達(dá)89.99%，優(yōu)于任一單一角度均衡渦流礦化浮選裝置，且尾礦燒失量為4.66%，達(dá)到一級灰的國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步證實(shí)了所構(gòu)建的渦流梯級浮選過程流場特征分布較為合理，可提高微細(xì)粒碰撞概率且有效降低粗粒脫附概率，初步實(shí)現(xiàn)了寬粒級顆粒的梯級浮選回收，提高了整體浮選效率。在相同條件下，梯級渦流礦化浮選裝置相比于實(shí)驗(yàn)室機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，精礦產(chǎn)率提高23.44%，可燃體回收率提高49.74%，浮選速率常數(shù)提高0.000 9 s。

表1 浮選效果對比

5 結(jié) 論

(1)流體經(jīng)過礦化管內(nèi)矩形渦流發(fā)生器后，可誘導(dǎo)產(chǎn)生發(fā)卡渦、流向渦及旋轉(zhuǎn)方向相反的二次流向渦對，渦-渦、渦-主流之間的交互作用顯著提高湍流動能、降低渦尺度；在相同入料流量條件下，隨著傾斜角度由25°增至55°，湍流動能和湍流耗散率增大，高湍流作用區(qū)域范圍增大，平均最小渦尺度由16.10 μm減至10.34 μm。

(2)隨著渦流發(fā)生器傾斜角度由25°增至45°，煤氣化渣可燃體回收率逐漸增大，尾礦燒失量逐漸減小，傾斜角度進(jìn)一步增至55°時(shí)，可燃體回收率降低，尾礦燒失量略有回升，-45 μm 與45～75 μm煤氣化渣顆粒浮選回收率均隨著渦流發(fā)生器傾斜角度增大而先增大后減小，其中45～75 μm顆?；厥章蕼p小的幅度更大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的湍流動能更低，表明不同粒徑的顆粒浮選需要適配不同湍流特性流場，顆粒粒度越小，越需要小尺度渦及強(qiáng)湍流流場，而隨著顆粒粒度的增大，相適配的湍流環(huán)境能夠提供的湍流動能應(yīng)逐漸降低，最小渦尺度應(yīng)逐漸增大，以避免粗顆粒的脫附；在研究范圍內(nèi)，-45 μm 與45～75 μm煤氣化渣顆粒相適配的最小湍流渦尺度均值分別是12.74 μm和14.71 μm，湍流動能均值不宜超過0.080 m/s及0.056 m/s。

(3)將不同角度矩形渦流發(fā)生器在礦化管內(nèi)有序排列，構(gòu)建了梯級變化的湍流環(huán)境，浮選試驗(yàn)表明該裝置可燃體回收率達(dá)到89.99%，尾礦燒失量為4.66%，均優(yōu)于相同條件下均衡渦流裝置和機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的浮選指標(biāo)，初步實(shí)現(xiàn)了煤氣化渣炭-灰浮選分離過程強(qiáng)化。