曾 培 张汉彪 李宋江 刘 杰

(华刚矿业股份有限公司)

浮选是实现矿物分选最重要的方法之一，随着矿产资源禀赋的日益恶化，对浮选工艺和浮选设备都提出了严峻的考验[1]。浮选柱因其独有的优势在浮选设备中占有重要地位，主要体现在结构简单、便于维护、高效节能、选择性好，尤其对细粒级矿物有很好的分选效果[2]。

影响浮选柱浮选性能的因素很多。在浮选柱系统中，气体分布特征对颗粒的捕收(表现为回收率)和颗粒在泡沫中的选择性运输(表现为品位)都起着至关重要的作用。气体分布特征主要包括气泡表面积通量、气含率、气泡尺寸等，其中气含率在浮选柱中是一个重要的流体力学环境参数，其综合了气泡尺寸和充气速率的影响。气泡表面积通量与气含率呈线性关系，并且充气速率越低，线性度越好，因此气含率可以用来评估气泡表面积通量，而气泡表面积通量与捕收区的浮选动力学速率常数有关[3]。气含率和气泡大小共同决定了起泡剂的用量[4]，气含率是表征柱体内气体分布特征最直接也最容易实现测量和控制的因素[5]，因此研究影响气含率的因素尤为重要。

近年来，众多学者对浮选柱内气含率的影响因素做了较为深刻的研究，包括一些结构特殊的浮选柱，影响因素主要包括设备因素和操作因素。设备因素主要有给气方式、柱体结构、挡板结构等，操作因素主要有给充气速率、矿浆流速、固体颗粒类型和浓度、起泡剂类型和浓度等，本文主要阐述这些因素对气含率的影响。

1 设备因素影响

设备本身的结构参数对浮选柱气含率有着重要影响，设备内部结构的变化能改变气体在柱体内的停留时间和运动形式，从而影响气含率。设备因素主要有柱体结构、充气结构和挡板结构。

1.1 柱体结构

柱体长径比(H/D)对气含率有较为明显的影响。研究发现[6]，在H/D>5和D>100～150 mm时，气液之间是逆流，液体向下流动阻碍了气泡的向上运动，并且H/D值越大，阻碍效果越明显。表观充气速率高于1.5～2.0 cm/s时，流场由均质流变为过渡流，气泡间的兼并更为明显，并且气含率在柱体底部较低，随着位置升高，气含率逐渐升高。主要原因是气泡上升速度的变化，同时底部气含率较不稳定，上部则较为稳定。

丁一刚[7-8]等研究充填浮选柱充气表观速度Jg(cm/s)、捕集区高度Hc(mm)与柱直径D(mm)之比对气含率εg的影响发现，在相同的柱体高度下，随着充气速率增加，气含率显著增大，随着捕集区高度的降低，气含率略有上升。充气表观速度、捕集区高度与柱直径之比对气含率的影响关系式为

1.2 充气结构

充气方式的不同对浮选柱内气体的分布特征有着重要作用，充气方式主要取决于充气器的结构。研究发现[9]，将稳定气流通过一流体振荡器后形成摆动的气流给入到浮选柱底部，能够产生相对于稳定给气更高的气含率。表观充气速率上升，稳定给气和振荡给气的气含率均上升，但振荡给气的气含率始终高于稳定给气。表观充气速率越高，两者差异越明显。气含率与气泡尺寸、气泡数量和气泡上升速率有关，起泡尺寸越小、数量越多、速率越低，气含率就越高。振荡给气可降低气泡尺寸、气泡上升速率和气泡兼并程度，且能提高充气速率上限，气含率呈线性上升，直到4 cm/s，该过程中几乎没有发生气泡兼并，因此振荡给气在提高充气速率上限的同时能提高气泡负载能力和浮选速率。稳定给气在充气速率1～3 cm/s时，气流属于均质流体，气泡数量随充气速率线性上升而增多。给充气速率大于3 cm/s，气含率上升变缓，由于流体变成非均质，气泡发生兼并，气泡上升速率高，在矿浆中的停留时间短，因此宜将煤炭浮选充气速率控制在1～3 cm/s。

另外，有学者比较了Microcel(气液混合物通过一个直线式的混合器实现气体分散)、Flotaire(气液混合物通过一个多孔管实现气体分散)、Imox(液体通过一个喉管产生负压吸入空气再扩散实现气体分散)等不同气泡分布器的应用效果发现，在相同的操作条件下，Flotaire型分布器产生的气泡平均直径较小，气含率相对较高；分布器的孔隙率增加、表观充气速率上升、液体高度增大和液体给入速率上升，都会导致气含率上升；分布器的孔隙率增加，促进了小气泡的形成，气含率升高。

1.3 挡板结构

F J Tavera等研究竖直挡板对气含率的影响发现，如果气体从柱体底部均匀给入到矿浆中，竖直挡板对柱体内的气含率没有影响，并且每两个竖直挡板之间的气含率是一致的，且都在径向分布上呈现出中心最高、靠近槽壁最低的特征。但如果气体不均匀给入，如局部充气器故障，增添挡板会加剧气含率在径向上的分布差异。如果气枪出现故障，故障气枪上方的气泡较大，气含率最低，与故障气枪对立的方向气泡最小，气含率最高。

也有学者研究了带孔水平挡板对气含率的影响，认为水平方向的挡板带孔可保证矿浆通过，并具有切割大气泡从而增加气液两相传质面积和延长气泡停留时间的作用。挡板多一方面能提高单位体积矿浆的气含率，另一方面会制约气含率的增加。气含率随挡板数量的增加先上升后下降，峰值即气含率的最大值[10]。

有学者在柱体内部设置吸出管，其结构可以看成是设置在柱体内部的包含水平结构和竖直结构的挡板，气含率随吸出管数量的增多而提高，原因是吸出管强化了液体环流，小气泡随液体环流重新回到浮选区，同时吸出管内的水环流促进了气泡的破灭并阻止气泡兼并，从而有助于提高气含率。

2 操作因素的影响

设备因素可看作是影响气含率的“先天”因素，操作因素则是影响气含率的“后天”因素，关键的操作因素包括充气速率、给矿速率、矿物颗粒的类型和浓度、起泡剂的种类和浓度等。

2.1 充气速率

充气速率是决定气体在柱体内分布特征的关键因素。增加充气速率能明显增加气含率，但充气速率和气含率的关系是变化的。充气速率增加到一定值之后，由于气泡之间的兼并导致大气泡的形成，提高了气泡的上升速度。在较低充气速率(小于0.5 cm/s)内，气体流场为均质流，气含率随充气速率线性上升。随着充气速率进一步上升，气体流场变为非均质流，气泡开始发生兼并，气含率随充气速率上升的速率变慢。在一定范围内，气泡尺寸随充气速率的增大而减小，充气速率增大到1.00 m3/h时，直径1.00 mm以下的气泡约占57.04 %，约97.52 %的气泡直径在2.00 mm以下。当充气速率达到某临界值时不再有气泡生成，反而产生气团或出现气体在上、液体在下的气液分层现象[11]。

气泡数量的增加能提高气泡间的碰撞概率，进而提高浮选指标。将充气速率控制在气泡大量兼并和气含率上升速度转折前，形成的气体特征对浮选最有利。实际应用时，压差传感器将信号反馈给气量控制阀，进而调节充气速率，该控制过程可在水气两相体系中实现，但容易受泡沫层厚度的影响[12]。

另外，通过比较充气速率对浮选柱矿浆径向气含率的影响发现，在较低的表观充气速率下，横截面上中心区域和边缘区域的气含率差异不明显，原因是气泡尺寸差别较小，随着充气速率增加，中心区域气含率增加，更多的气泡富集在中心区域，而不是均布在整个截面。

2.2 给矿流速

矿浆在柱体内的流动速度会对柱体内气体的流动和分布造成一定影响。在气液两相体系中，增加液体(纯水)给入速度，气含率增加，原因是液体向下运动降低了气泡的上浮速率。增加给矿流速，气液之间的逆向流动降低气泡的上升速率，增加气泡在矿浆中的停留时间，从而增加了泡沫负载，提高气含率[13]。因此，适当增加给矿流速能够提高矿物浮选的品位和回收率。

给矿速度上升，矿化气泡受到向下的曳力作用上升速度变慢，气含率缓慢上升。但当表观充气速率较高时，液体流量的影响减弱，因为高表观充气速率形成了较大的气泡。相对而言，给矿速度对气含率的影响不如充气速率的影响显著。

有学者[14]在研究给矿流速对气含率在柱体内的分布特征时发现，给矿流速对气含率的影响存在临界值。给矿流速低于临界值时，气含率在柱体内部从低到高逐渐增加；高于临界值时，气含率分布情况相反。原因是在低给矿流速时，气泡在上升过程中逐渐变大，从而提高气含率；给矿流速较高时，气泡矿化程度较高，负载较重，逆流的矿浆也抑制气泡的上升，导致大量矿化气泡在柱体下部堆积，进而增加浮选柱底部的气含率[15-16]。

2.3 固体颗粒的类型和浓度

固体颗粒的类型和浓度对气含率的影响是当前理论界一个研究热点。主流观点认为固体颗粒的增加降低了浮选柱内的气含率。A R Sarhan等[17]通过CFD模拟发现，添加固体颗粒能降低气含率，并通过试验[18]在气水混合体系中加入疏水性颗粒进行验证，疏水性颗粒能促进气泡兼并，降低气含率。原因[19]是添加固体颗粒提高了矿浆的黏度，从而促进气泡兼并，并且固体颗粒的浓度越高，矿浆黏度越高，对气泡兼并的促进作用越显著。

固体颗粒降低了气含率，在固体浓度1%～15%范围内增高浓度，降低气含率的效果更加明显。亲水颗粒(硅石和方解石)和疏水性颗粒(煤)有降低气含率的相同效果，可能的机理：①兼并；②矿浆密度和黏度的上升；③径向气含率和径向流场类型的变化；④气泡激发效应[20]。

2.4 起泡剂的类型和用量

起泡剂的种类和用量是浮选工艺中重要的操作参数，对浮选柱内的气含率也有着重要影响。起泡剂能够降低气泡尺寸、降低表面张力，稳定气泡，阻止气泡兼并。

在一定的起泡剂用量范围内，相同充气速率下气泡尺寸随起泡剂用量的增加而降低。矿浆中的气泡数量增多，由于起泡剂分子在气液表面的吸附，降低了气泡的上升末速[21]，最终导致气含率增大。但起泡剂浓度超过临界胶束浓度后，不再影响气泡大小和气含率。

表面活性剂能降低气泡尺寸，原因是气液表面的表面活性剂聚集动力的提高，增强了相互碰撞的两个气泡之间液膜的稳定性[22]，从而提高气泡表面刚度和气含率，具体与表面活性剂在水中的溶解度有关，碳链高于C8的醇溶解度过低，碳链低于C5的醇表面改性能力较弱，提高效果均较差[23]。

操作温度和操作压力也会对气含率造成一定影响[24]。但在常规浮选实践中，操作温度和压力通常不会作为操作变量加以控制。

3 特殊结构的浮选柱气含率影响因素

3.1 高压射流浮选柱

高压射流浮选柱是通过高压射流将空气带入下导管内，气含率与射流泵和下导管的参数有关。朱友益[25]研究LHJ浮选柱气含率影响因素，由于该浮选柱是通过高压射流将空气带入下导管内的，其气含率不仅与射流泵的参数有关，也随射流泵面积的增加而先增后降，随液体压力增加及下导管的浸没深度增加而增加。程瑜等[26]研究了挡板对气含率的影响，发现气含率随挡板高度的增加和离矿浆喷射端口距离的增加而增大，挡板的最佳高度应控制在挡柱体总高度的2/10以上，并且控制挡板距给矿口的距离在柱体总长的5/10～7/10。

3.2 旋流微泡浮选柱

与高压射流浮选柱相同，旋流微泡浮选柱也采用射流进气的方式充气，循环压力、充气量和起泡剂用量是影响旋流微泡浮选柱气含率的主要因素。岳双凌等[27]发现在一定范围内气含率随着循环压力、充气量和起泡剂用量增大而增大，当增大到一定程度时，气含率增大的幅度逐渐减小。三者的影响顺序为循环压力<进气量<起泡剂浓度[28]。原因是循环压力低时，所吸入的空气少，并且矿浆对空气的剪切力弱，气泡尺寸较大[29]。

4 结 论

(1)气含率对浮选柱浮选性能具有显著影响，气含率是由矿浆性质和流场特征共同决定。浮选柱柱体结构、挡板和充气器结构可改变柱体内部的流场环境，进而改变气体在矿浆内部的分布特征，从而影响气含率。充气速率和给矿速率、固体颗粒和起泡剂的添加都能提高气含率，固体颗粒和起泡剂的类型和浓度改变的是矿浆性质，包括黏度、表面张力，充气速率和给矿速率和设备结构改变的是浮选柱的流场环境。

(2)气含率不同影响因素间相互制约，如起泡剂浓度和充气速率等，在实际生产中需要综合考虑所有相关因素的优化组合，以获得适宜的气含率。操作因素中给矿速率和固体颗粒的浓度和种类不可调节，优化气含率主要从给矿速率、充气速率和起泡剂添加等方面着手。

(3)通过改进浮选柱结构来优化气体在矿浆中的分布特征进而提高气含率，针对不同目的矿物浮选开展最佳气含率的研究工作，是今后浮选柱研究的一个重要方向。

[1] 沈政昌,史帅星,卢世杰.KYZ-B型浮选柱系统的设计研究[J].有色金属：选矿部分,2006(4):20-24.

[2] 张海军.浮选柱的自吸封闭式泡沫输配研究[D].徐州：中国矿业大学,2009.

[3] Matiolo E,Testa F,Yianatos J,et al.On the gas dispersion measurements in the collection zone of flotation columns[J].International Journal of Mineral Processing,2011(3):78-83.

[4] Tao D,Luttrell G H,Yoon R H.An experimental investigation on column flotation circuit configuration[J].International Journal of Mineral Processing,2000(3):37-56.

[5] Bouchard J,Desbiens A,Del Villar R,et al.Column flotation simulation and control:An overview[J].Minerals Engineering,2009,22(6):519-529.

[6] Vadlakonda B,Mangadoddy N.Hydrodynamic study of two phase flow of Column Flotation using Electrical Resistance Tomography and Pressure Probe techniques[J].Separation and Purification Technology,2017(4):168-187.

[7] 朱友益,张 强,王化军.新结构短柱体浮选柱的研究现状[J].化工矿山技术,1996(5):23-26.

[8] 荀志远,张 强,王化军.低高度浮选柱几个重要参数的研究[J].金属矿山,1998(3):25-27.

[9] Wang J,Wang L,Hanotu J,et al.Improving the performance of coal flotation using oscillatory air supply[J].Fuel Processing Technology,2017(5):131-137.

[10] 李延锋,张 敏,刘炯天.浮选柱筛板充填的气含率研究[J].中国矿业大学学报,2008(2):255-258.

[11] 胡卫新.浮选柱气含率的影响机制与调控研究[D].徐州：中国矿业大学,2010.

[12] Auxiliadora M,Persechini M.Application of Adaptive Control for a Pilot-Scale Flotation Column[J].Ifac Proceedings Volumes,2009(23),84-89.

[13] El-Shall H,Sharma R,Abdel-Khalek N A,et al.Column flotation of Florida phosphate:An optimization study[J].Minerals & Metallurgical Processing,2001,18(3):142-146.

[14] 廖寅飞,刘炯天,李树磊.煤泥柱浮选的承载能力与气含率轴向分布[J].煤炭学报,2013,38(8):1443-1447.

[15] Uribe-Salas A,Perez-Garibay R,Nava-Alonso F.Operating parameters that affect the carrying capacity of column flotation of a zinc sulfide mineral[J].Minerals Engineering,2007,20(7):710-715.

[16] Uribe-Salas A,Lira-Gomez P D,Pérez-Garibay R,et al.Overloading of gas bubbles in column flotation of coarse particles and effect upon recovery[J].International Journal of Mineral Processing,2003,71(1-4):167-178.

[17] Sarhan A R,Naser J,Brooks G.CFD simulation on influence of suspended solid particles on bubbles′ coalescence rate in flotation cell[J].International Journal of Mineral Processing,2016(11):54-64.

[18] Sarhan A R,Naser J,Brooks G.CFD analysis of solid particles properties effect in three-phase flotation column[J].Separation and Purification Technology,2017(4)：1-9.

[19] SarhanAR,NaserJ,BrooksG.CFDModelingofThree-phaseFlotationColumnIncorporatingaPopulationBalanceModel[J].ProcediaEngineering,2017(4):313-317.

[20] Banisi S,Finch J A,Laplante A R,et al.Effect of solid particles on gas holdup in flotation columns-II.Investigation of mechanisms of gas holdup reduction in presence of solids[J].1995,50(14):2335-2342.

[21] Ityokumbul M T,Salama A,Taweel A.Estimation of bubble size in flotation columns[J].Minerals Engineering,1995(8):77-89.

[22] Valkovska D S,Danov K D,Ivanov I B.Effect of surfactants on the stability of films between two colliding small bubbles[J].Physicochemical and Engineering Aspects,2000(175):179-192.

[23] Beneventi D,Allix J,Zeno E,et al.Influence of surfactant concentration on the ink removal selectivity in a laboratory flotation column[J].International Journal of Mineral Processing,2008(3):134-140.

[24] Luo X,Lee D J,Lau R,et al.Maximum stable bubble size and gas holdup in high-pressure slurry bubble columns[J].International Journal of Mineral Processing,1999,45(4):665-680.

[25] 朱友益,张 强,王化军,等.LHJ浮选柱流体静力学研究[J].北京科技大学学报,1999(2):15-18.

[26] 程 瑜,宋永胜,李 宾.旋流喷射浮选柱气含率影响因素研究[J].金属矿山,2008(12):116-120.

[27] 岳双凌,刘炯天,廖寅飞.工业浮选柱的气含率测定及其影响因素研究[J].矿山机械,2012(2):80-84.

[28] 胡卫新,刘炯天,李 振,等.旋流-静态微泡浮选柱气含率影响因素研究[J].中国矿业大学学报,2010,39(4):617-621.

[29] 廖寅飞,桂夏辉,刘炯天,等.浮选柱气含率影响因素及其回归模型研究[J].煤炭科学技术,2011,39(3):108-111,124.