典型的浮选柱工作原理及技术参数计算

（一）旋流-静态微泡柱分选设备

1、旋流-静态微泡浮选柱技术的创新点

旋流-静态微泡柱分选的分离方法由中国矿业大学提出。该方法的提出打破了最初柱浮选设备单一的“层流”矿化反应模式，在保持柱浮选选择性优势的同时，引入了“紊流”矿化反应机制，实现了物料的梯级优化分选，将柱浮选、旋流分离、高度紊流矿化有机地结合起来，建立了以浮选柱为基本结构形式的微细物料分离与回收方法，形成了完善的矿化反应机制和分选过程，实现了由柱浮选到柱分选的方法创新。

A  三相旋流分选与柱浮选的结合

三相旋流分选的特点在于保持柱浮选优势的同时，在柱浮选段下部引入了三相旋流分选体系。它通过切向旋转的径向逆流碰撞，产生了密度分离与表面浮选的叠加效应，柱浮选背景下旋流场结构的设计，保证了微细旋流分选作用的发挥，克服了旋流对柱浮选的干扰，与柱浮选体系有机地集合成一体，使得柱选中矿得到进一步的有效分选。三相旋流分选体系的引入，使得柱分选粒度下限大大降低，矿化速度进一步得到提高，其分选粒度下限随旋流力场离心因数的增大而降低，矿化速度与旋转角速度平方成正比。

B 柱浮选的静态化与混合充填

浮选柱内的充填是实现“静态化”的有效手段，混台充填模式即在柱分离段的精选区域采用填料充填，分选区域采用筛板充填，二者之间的入料位置不充填。

精选区的填料充填改变了浮选柱运行状况与分选效果。填料分散了气泡和矿浆，改善了浮选柱内的流态和泡沫支撑力，并将压人的气体分割成尺寸均匀的细小气泡，为浮选提供更好的气泡分布及两相接触面积，实现了真正的“塞流”浮选，强化二次富集作用。分选段的多段孔板充填使得柱体内的流态成“S”型方式运动，遏制底部旋流的流体扰紊动；在分选区域内创造一个既有利于气泡矿化，又有利于矿化气泡升浮与分离的精选环境；有效地克服了充填堵塞以及浮选柱内常见的“沟流”、“翻花”等不利现象；充分发挥了分选区域的双重分选作用。

这种混合充填前后平均灰分梯度可由2.6%/m增至6.8%/m，产品质量明显提高。

C 射流成泡与管流矿化

射流成泡是通过高速射流在负压条件下引射气体并把气体粉碎成气泡，它的优势在于产生的泡沫细。通过瞬时采样分析，气泡发生器出口处D=0.50mm的气泡占到了95%。微泡提供了细颗粒矿化条件。由于直径小，微泡周围多呈层流状态，使得微细物料容易吸附且不易脱落。此外，在同样充气量条件下，气泡尺寸越小，数量就愈多，单位充气量的气泡比表面积就越大，从而直接增加了气泡与矿粒的附着机会，提高了浮选回收能力。

循环管中的高紊流状态大大提高了矿化效率，是强化柱分选回收能力，提高柱分选效率的重要手段。形成射流的能量是整个柱分选设备的能量来源，该能量主要通过由柱体外在的循环泵源源不断的输入。射流能主要消耗于四个方面：

△E射=△E引+△E混+△E过+△E旋              

式中， △E引—引射气体的能量

△E混—气体与矿浆混合的能量

△E过—三相流体系在管道内高速流动过程中损失的能量

△E旋—产生旋流力场的能量

其中，△E混耗散最大，即管流矿化消耗了大部分能量。与浮选机相比，旋流微泡浮选柱的一个明显优势在于它的射流能的大小可以通过改变循环泵的负荷得以实现，从而能保证柱体内的能量得到“无限放大”。

D 梯级优化分选过程的形成

旋流微泡浮选柱实现了三种矿化方式的梯级组合。柱浮选用于原料预选，并得到高质量精矿；旋流分选用于柱浮选中矿的进一步分选，并通过高回收能力得到合格尾矿；管流矿化用于旋流分选的进一步分选并形成循环。该分选矿化过程的特点是，随着分选过程的进行，易浮选的物料会优先浮出，物料的可浮性越来越差；与此同时，该过程构建了塞流-旋流-管流的矿化分选环境，流体的紊流度不断增加并且实现了内部循环，这样提高了颗粒与气泡碰撞矿化的概率与强度，从而实现了可浮性较差物料的分选。

对于整个分选过程而言，循环分选链为：旋流预选（中矿分离）Þ气泡发生器内高度紊流矿化（中矿分选）Þ旋流扫选（分离把关）；分选条件依次为：层流Þ旋流Þ管流。分选环境逐步得到加强，矿化效率逐步提高，适应了物料性质随着矿化反应过程而逐渐变差的趋势，弥补了最初柱浮选设备单一矿化条件的不足，即用多重高效矿化方式去处理难浮物料是提高整个矿化效率的关键。

2、旋流-静态微泡浮选柱分选的基本原理

旋流-静态微泡浮选柱属于逆流式浮选柱，其主体结构包括浮选柱分选段（下称柱分离段装置），旋流分离段（或称旋流分离段）、气泡发生与管浮选（或总称管浮选装置）三部分。整个浮选柱为一柱体，柱分离段位于整个柱体上部；旋流分离段采用柱-锥相连的水介质旋流器结构，并与柱分离段呈上、下结构的直通连接。从旋流分选角度，柱分离段相当于放大了的旋流器溢流管。在柱分离段的顶部，设置了喷淋水管和泡沫精矿收集糟；给矿点位于柱分离段中上部，最终尾矿由旋流分离段底口排出。气泡发生器与浮选管段直接相连成一体，单独布置在浮选柱柱体体外；其出流沿切向方向与旋流分离段柱体相连，相当于旋流器的切线给料管）。气泡发生器上设导气管。

管浮选装置包括气泡发生器与浮选管段两部分。气泡发生器是浮选柱的关键部件，它采用类似于射流泵的内部结构，具有依靠射流负压自身引入气体并把气体粉碎成气泡的双重作用（又称自吸式微泡发生器）。在旋流-静态微泡浮选柱内，气泡发生器的工作介质为循环的中矿。经过加压的循环矿浆进入气泡发生器，引入气体并形成含有大量微细气泡的气、固、液三相体系。含有气泡的三相体系在浮选管段内高度紊流矿化，然后仍保持较高能量状态沿切向高速进入旋流分离段。这样，管浮选装置在完成浮选充气（自吸式微泡发生器）与高度紊流矿化（浮选管段）功能的同时，又以切向入料的方式在浮选柱底部形成了旋流力场。管浮选装置为整个浮选柱的各类分选提供了能量来源，并基本上决定了浮选柱的能量状态。

当大量气泡沿切向进入旋流分离段时，由于离心力和浮力的共同作用，便迅速以旋转方式向旋流分离段中心汇集，进入柱分离段并在柱体断面上得到分散。与此同时，由上部给入的矿浆连同矿物（煤）颗粒呈整体向下塞式流动，与呈整体向上升浮的气泡发生逆向运行与碰撞。气泡在上升过程中不断矿化。与其它浮选柱不同的是，气泡一进入浮选柱即被水流很快分散，减少了沿柱体断面扩散所需的路径，从而为降低浮选柱高度创造了条件。

旋流分离段不仅加速了气泡在柱体断面上的分散，更重要的是对经过柱分离段分选的中矿以及循环中矿具有再选作用。在旋流力场作用下，两部分中矿按密度发生分离，低密度物料（包括绝大部分气泡和矿化气泡）汇集旋流分离段中部并向上进入柱分离段，再次经历柱分离的精选过程。因此，作为表面浮选的补充，旋流分离段强化了分选与回收。对于煤泥的降灰脱硫来说，柱分离段和旋流分离段的联合分选具有十分重要的意义，柱分离段的优势在于提高选择性，保证较高的产品质量；而旋流分离段的相对优势在于提高产率，保证较高的产品数量。

旋流分离段的底流口采用倒锥型套锥结构，把经过旋流力场充分作用的底部矿浆机械地分流成两部分：少量微细气泡以及大量中间密度物料进入内倒锥，单独引出后作为循环中矿；而大量高密度的粗颗粒物料则由内外倒锥之间排出，成为最终尾矿。循环中矿作为工作介质完成充气并形成旋流力场。倒锥型套锥结构具有以下功能：

(1)减少了高灰物质循环对分选的影响；

(2)中矿循环恰好使一些中等可浮性的待浮物，在管浮选装置内实现高度紊动矿化；

(3)减少了循环系统，特别是关键部件自吸式微泡发生器的磨损，保证了设备的正常运转，延长了设备寿命。因此，倒锥型套锥结构对整个分选作业具有十分重要意义。

3、旋流-静态微泡浮选柱的影响参数

影响浮选柱的工作参数很多，如矿物解离度、给矿浓度、速度、充气量、泡沫层厚度、循环泵压力、喷淋水用量及药剂消耗等。其中一些是操作因素，设计时主要考虑充气量、泡沫层厚度和循环泵压力等几个参数。

充气量一般被认为是达到浮选柱最佳化控制中最灵活、最敏感的一个因素，对浮选产品的数、质量有直接影响。一般随充气量的增加，精矿产率和品位同时增加，但充气量超过一定值后精矿品位反而下降。循环泵压力是影响浮选柱分选指标的重要参数之一。旋流-静态微泡浮选柱本身没有能量，其能量来源主要在于循环泵能量的不断输入，进而实现柱体内部矿浆的连续有效分选。循环泵压力的大小直接影响到柱体内部旋流力场的强度以及充气速率的大小，进而关系到分选效果的好坏。压力越大，柱体内部旋流力场的强度越大，但在不调整充气阀门的前提下，充气速率也相应加大，浮选过程中产生的气泡也就越多，矿物与气泡接触的机会也相应增加，但过量的气泡会使一些不该上浮的物料随泡沫相排出，导致底流产品回收率和泡沫相品位下降，底流产品品位上升；同时，循环泵压力的增大，浮选柱底部循环泵入料口处较高的向下流速，可能使得向下的矿浆流大于气泡上浮速度，导致部分中矿和泡沫从浮选柱底部的排料口排出，影响分选指标。反之，循环泵压力过小，柱体内部旋流力场的强度实现不了充分分选矿浆的目的，势必会直接降低分选指标。只有在循环泵压力适当和充气速率相匹配的情况下，才能获得较高的分选指标。

4、旋流-静态微泡浮选床

旋流-静态微泡浮选床是在柱分选设备研究的基础上发展起来的大型微细粒物料分选设备。该设备利用旋流分选原理，采用以双旋流结构为主体的旋流分选单元。一个旋流分离单元由一个大直径的旋流分离器与环绕其周围的若干个小直径的分选旋流器组成。分选旋流器的溢流以入料的形式进入旋流分离器，底流排出成为最终尾矿；旋流分离器位于柱分离单元的中心，并把柱分离中矿与分选旋流器的溢流进一步离心分离成两部分：溢流供柱分离进一步精选，底流以循环矿浆形式供管浮选装置进一步分选。旋流-静态微泡浮选床具有以下特点：设备运行稳定可靠，分选选择性好，效率高，处理能力大，电耗低，系统配置简单，安装方便，适应能力强。该设备可应用于-0.5mm粒度级煤泥的浮选，特别对-0.25mm细煤泥选择性好。

5、旋流-静态微泡柱分选设备的特点及技术规格系列

旋流-静态微泡柱分选设备早已形成系列产品，目前国内应用最为广泛。柱分选设备独特的循环中矿加压喷射自吸气成泡、针对物料分选过程难易程度而实施的多样化的矿化方式的集成以及梯级优化分选的实现，使得该浮选柱（床）具有富集比高、回收率高的显著优势。其特点是：处理量大，生产流程简单，分选效果好，对细粒高灰煤泥分选效果好，可生产低灰精煤，没有运动部件，易于安装、维护、操作，易于自动化，电耗低，投资和基建费用很低，占地面积小，维修量少，维修费低。与常规技术相比，该技术可提高2~3个质量档次，设备运行的稳定性与作业效率显著提高，投资与运行费用可降低1/3。最大单台设备能力达到800~1000m3/h。通过柱分选技术的工业应用，降低了粉煤分选下限，较好地解决了煤泥深度降灰脱硫问题，并在特低灰低硫洁净煤制备、高灰细泥粉煤分选方面形成了生产能力。此外，在萤石、白钨、铜矿、磁铁矿等矿物浮选方面已成功实现工业化应用，还可应用于环境工程的污水处理等行业。应用企业逾400家，出口越南、印尼。

6、旋流-静态微泡浮选柱的应用实例

柿竹园有色金属公司曾采用旋流-静态微泡浮选柱回收白钨粗选尾矿中的萤石，浮选柱采用一粗三精四段作业与浮选机一粗二扫九精二精扫共十四段作业相比，旋流-静态微泡浮选柱仅用四段流程即可获得合格精矿，使浮选流程大大缩短。在精一中矿不返回的情况下，浮选柱四段分选获得了萤石精矿品位97.44%，实际回收率28.99%的作业指标，与浮选机萤石精矿品位97.92%，实际回收率28.00%基本相当。在精选中矿返回的情况下，浮选柱四段分选作业取得了萤石精矿品位99.01%，实际回收率40.11%的优异指标，使精矿品位与回收率均有大幅度提高。 

Jameson浮选柱是目前国内外推崇的新型短体浮选柱，从气泡和矿浆运动的方向上看，可归为顺流式浮选柱中。该浮选柱提出了高效矿化与降低浮选柱高度的问题，不仅给浮选柱技术发展注入了新的活力，而且为浮选柱的技术发展指明了方向。随着Jameson浮选柱结构的不断改进，其在我国的应用也得到了进一步发展。

1、Jameson浮选柱的结构及原理

Jameson浮选柱其工作原理是将调好药剂的矿浆用泵经入料管打入下导管的混合头内，通过喷嘴形成喷射流而产生一负压区，从而吸入空气产生气泡，矿粒在下导管与气泡碰撞矿化，下行流从导管底口排入分离柱内，矿化气泡上升到柱体上部的泡沫层，经冲洗水精选后流入精矿溜槽，尾矿则经柱体底部锥口排出。 

充气搅混装置是Jameson浮选柱的关键部件。它采用了射流泵原理，在把矿浆压能由喷嘴转换成动能的同时，在密封套管内形成负压，并由空气导管吸入空气。经密封套管，射流卷裹气体进入混合套管，在高度紊动流体作用下，气体被分割成气泡并不断与矿粒碰撞粘附，得到矿化。分散器相当于静态叶轮，将垂直向下的矿浆沿径向均匀分散。

2、Jameson浮选柱的优缺点

该设备具有以下优点：

(1)矿粒与气泡的碰撞矿化发生在下导管内，柱体只起使矿化气泡与尾矿分离作用，实现了矿化与分离的分体浮选策略；

(2)浮选柱高度低，由于气泡矿化过程不发生在柱体内，省去了常规浮选柱中的捕集区高度(约占总高度的80％)。工业用的Jameson浮选柱高度仅2m；

(3)矿粒在下导管内滞留时间短，连同柱体内总停留时间为lmin，因而浮选效率高；

(4)下导管内矿浆含气率高达40％~60％，而普通浮选柱气溶率为4％~16％；

(5)矿浆通过混合头的喷嘴以射流状进入下导管，从而形成负压将空气吸入，省去了正压充气设备。全机唯一动力设备是一台给料泵，节省了生产投资和电耗。

该柱缺点是：

(1)矿浆停留时间短，对可浮物较多的物料(如煤)，往往需要设置多段扫选；

(2)下导管内不易充满，给矿波动时，分选过程不稳定；

(3)对气体的劈分成泡过程不完善，在下导管内易产生“气团”，在柱体内易形成“气弹”。影响分选效果。

目前，加拿大CPT公司生产的浮选柱在我国选矿行业应用较为广泛。CPT公司的前身是著名的加拿大柯明柯工程服务公司(CESL)的浮选柱分公司，1999年年初浮选柱分公司独立，并更名为Canadian Process Technologies Inc，简称CPT公司。CPT浮选柱技术处于国际领先地位，到目前为止销售的浮选柱总量超过300台及上千套气体分散系统，产品分布在加拿大、美国、智利、秘鲁、墨西哥、巴西、澳大利亚、菲律宾、印尼、南非、赞比亚等27个国家。

2002年8月，德兴铜矿大山选矿厂安装了一台Φ2.44×10m的CPT浮选柱，用于其“后三万”第二段浮选的精Ⅱ作业。浮选柱泡沫产品品位比机械浮选槽泡沫产品品位高3~4个百分点，而此时铜及其他伴生元素的回收率没有下降。浮选柱泡沫产品品位还有进一步提高的可能性。CPT浮选柱除用于矿物处理之外，在含油污水的油水分离、铜溶剂萃取-电解法(SX-EW)中的有机相回收、废纸再生中的油墨脱除作业中也有所使用。

1、CPT浮选柱的工作原理

CPT浮选柱属于逆流浮选设备，其工作过程为：经浮选药剂处理后的矿浆，从距柱顶部以下约1~2m处给入，在柱底部附近安装有可从柱体外部拆装检修的SlamJet气体分散器。气体分散器产生的微泡，在浮力作用下自由上升，而矿浆中的矿物颗粒在重力作用下自由下降，上升的气泡与下降的矿粒在捕收区接触碰撞，疏水性矿粒则被捕获，附着在气泡上，从而使气泡矿化。负载有用矿物颗粒的矿化气泡继续浮升而进入精选区，并在柱体顶部聚集形成厚度可达lm的矿化泡沫层，泡沫层被冲洗水流清洗，使被夹带而进入泡沫层的脉石颗粒从泡沫层中脱落，从而获得更高品位的精矿。尾矿矿浆从柱底部排出，整个浮选柱保持在“正偏流”条件下进行操作。 

2、SlamJet气体分散系统

SlamJet气体分散系统是CPT浮选柱的核心部件，用于将细小气泡注入浮选柱，其所需空气通过一组环绕浮选柱槽体的支管提供，分散系统共有8根简单、坚固的气体喷射管，这8根喷射管均匀地分布在浮选柱底部附近的同一截面上。每根管子配有一个独立的气动自动流量控制及自动关闭装置，该装置可保证喷射管在未加压或发生意想不到的压力损失时能保持关闭和密封状态，防止矿浆流入，确保气体分散系统不因堵塞而影响其正常运行。喷射管喷嘴有多种不同的型号可供使用，通过调整喷射管开启个数及喷射管喷嘴的大小，可调整浮选柱的供气压力、流量，确保柱内空气充分弥散。气体分散系统部件设计得比较合理，使独立的SlamJet即使在浮选柱运行的情况下都易于插入和抽出，检查、维修方便。

3、CPT浮选柱的工艺参数

(1)空气流速率——被浮起的物料量对由分散器引入的空气的流速率是很敏感的，浮起单位固体颗粒量所需的空气量取决于颗粒的大小和气泡的大小，气泡的大小受供气压力的影响。空气流速率太小，泡沫区易发生聚集而形成死区，影响精矿品位；空气流速率太大，会造成浮选柱“溢泡”，影响回收率。

(2)冲洗水偏流——冲洗水量太大会使泡沫破裂，把粗颗粒矿石冲回底流，影响浮选柱回收率的提高。冲洗水量太小，精矿泡沫会带走矿浆中的水分，造成负偏流，影响精矿品位。因此，添加适量的冲洗水能减少精矿中脉石矿物的夹带，有利于提高精矿品位。

(3)界面高度——浮选柱泡沫层厚度的变化对浮选柱的选别指标影响较大，一般需保持有较厚的泡沫层(500~1200mm)，适当厚度的泡沫层有利于泡沫的稳定和精矿品位的提高，但过厚泡沫层会造成“回落”的有用矿物增加，从而影响被浮选矿物的回收率。

(4)冲洗水分配器高度——浮选柱采用泡沫浸没式冲洗水分配系统，冲洗水分配管的位置会影响泡沫的特性。如果分配器正好位于泡沫的表面，它可能会妨碍泡沫至溜槽的输送；当分配器位于泡沫上方时，泡沫的密度将会由于通往浮选柱溢流的水短路而降低。因此，这些管子应设在泡沫层深处，以提高清洗效率。

4、CPT浮选柱的自动控制

(1)浮选柱的界面高度控制回路——浮选柱的界面高度(即泡沫与矿浆的界面位置)通过球形浮子和超声波探测器进行测定。该界面高度由PID控制器调节浮选柱底流管路上的自控管夹阀来实现。

(2)分散器空气流量控制回路——控制分散器的空气流量是保持浮选柱良好运行的最重要的参数。空气流量通过流量计进行测定，并通过球形阀自动控制。

(3)冲洗水流量控制回路——冲洗水的流量通过流量计进行测定，通过流量控制阀可以手动或自动控制。

浮选柱在工业应用过程中，涉及的技术参数很多。由于浮选柱种类多样，很多研究者从不同角度对其浮选动力学进行了研究，其得出的数学表达式也很多。现主要以旋流-静态微泡浮选柱为主，给出浮选柱主要技术参数计算的表达式。

式中，Q ——给料流量，m3/min；

W ——设计作业处理量（包括返回矿量），t/h；

R ——作业矿浆的液体与固体重量之比；

r ——矿石的密度，t/m3；

K1——处理量不均衡系数。当浮选柱前为球磨机时，K1=1.0；当浮选柱前为湿式自磨机时，K1=1.3。

浮选时间的长短对浮选柱容积的大小和浮选指标的好坏影响很大，必须慎重选取。通常根据试验结果并参照类似矿石选矿厂生产实例确定浮选时间。一般可按照柱体容积和处理量粗略计算浮选时间。

式中，t——浮选时间，min；

K——浮选柱容积系数，一般在0.65~0.85之间；

V——柱体几何容积，m3；

Q——给料流量，m3/min。

旋流-静态微泡浮选柱的粒度下限与力场强度密切相关，随着力场强度的增加，浮选的粒度下限迅速单调下降；当力场强度为重力场强的50倍时，浮选粒度下限达到1微米。

浮选分选下限公式为：

式中，dk——固体颗粒的粒度，m；

uK——运动粘度速度，

m——水的粘度，

Dr——矿物与水的密度差，kg/m3；

a——力场强度，即离心加速度与重力加速度的比值，无量纲；

db——气泡直径，m。

旋流-静态微泡浮选柱中的离心力场为浮选的碰撞与矿化提供了一种新的方式。除此之外，颗粒与气泡的碰撞也处于较高的能量状态。

相对速度为：ukq=v2g（Drdk2+2db2）/18u        

式中，v——矿粒与流体的旋转角速度；

g——矿粒与流体的旋转半径。

Dr——矿物与水的密度差，kg/m3；

dk——固体颗粒的粒度，m；

db——气泡直径，m。

式中， D——浮选柱直径，m；

H——浮选柱高度，m；

K0——浮选柱充气率，粗选取K0=0.25~0.35，扫选取K0=0.2~0.25，精选取K0=0.35~0.45，泡沫层厚时取大值，反之取小值；

K1——不均衡系数，浮选柱之前为球磨机磨矿时，取K1=1.0，浮选柱之前为自磨机时，取K1=1.3；

W ——设计作业处理量（包括返回矿量），t/h；

R ——作业矿浆的液体与固体重量之比；

r ——矿石的密度，t/m3；

t——浮选时间，min。

在旋流-静态微泡浮选柱内，柱分离段包括两部分：精选区域与分选区域。因此，柱分离段的长度为：

 H = Hj+ Hf                

Hj=1.2–1.5                     

Hf=（Afz–Ay）/bz           

式中，H——柱分离段长度，m；

Hj——精选区域长度，m；

Hf——分选区域长度，m；

Afz——柱分离中矿品位，%；

Ay——浮选柱入料品位，%；

bz——柱分离段沿柱高的平均分选梯度，%/m。

浮选柱的泡沫承载与输送能力实际上是一个与浮选柱的矿化条件与充气性能有关的一个浮选柱性能指标。对于旋流-静态微泡浮选柱系列设备来讲，一般通过实验室或半工业浮选实验测得C值，然后作为判据来计算工业浮选柱的处理能力。

对于实验室或连续实验系统：C = 4Mf1Y1/pDc12                           

对于工业浮选柱：C = 4Mf2Y2/pDc22                    

                                Mf2=（Y1/Y2）.（Dc2/ Dc1）2.Mf1       

式中，C——旋流-静态微泡浮选柱系列设备的泡沫承载与输送能力；

Mf1、Mf2——实验室浮选柱、工业浮选柱的给料速率；

Y1、Y2——实验室浮选柱、工业浮选柱的浮选精矿产率；

Dc1、Dc2——实验室浮选柱、工业浮选柱的直径。