蛭石的粒度组成与组分特性分析

蛭石的粒度组成与组分特性分析

apo石是铁和镁含铝的二级变质矿物。它的外部形状是一棵母罗。它通常是由黑（金）旭化和风化后合成的。浦石具有良好的阳离子交换和吸附性，广泛应用于农业、园艺、建筑、冶金、石油、环保等领域。膨胀后的浦石具有独特的结构特征和表面性质，以及无菌、无菌和化学性质。可用作载体、吸附剂、固体和饲料添加剂。因此，它在建筑、能源、石油、化工、纺织等领域具有良好的应用前景。蛭石在我国产地分布广,储量大,是一种优质的非金属矿产资源,其中95%以上的蛭石矿分布在我国的新疆、甘肃、内蒙、陕西等西部地区.自然界很少产出纯的蛭石,大部分都混有黑云母、金云母、辉石、长石、石英等伴生脉石矿物.因此,采用一种合理高效的回收方法对混有脉石的蛭石矿物进行分选对后续的加工提纯至关重要.国外文献主要侧重于对蛭石改性、膨胀特性、晶体结构及蛭石材料制备与应用的研究,而对蛭石分选回收方法的综述及研究较少,国外基本采用湿法工艺,即浮选法来精选低品位小片径蛭石,分选效率高于80%,精矿品位为85%左右,但投资大、流程复杂、难于操作,增加了不必要的烘干工序,并且分选过程耗水量大,容易产生大量生产废水污染环境.国内研究人员提出了采用机械选矿方法,包括磁选法、电选法、沸腾分离法、空气分离法等对蛭石原矿进行分离提纯,但普遍存在分离精度低,分选效果差,具有一定的原矿选择性,仅在特定的矿物粒度范围内适用等问题.目前,细粒级蛭石矿分选回收方法的分选效率及精矿品位指标普遍偏低,难以获得满意的效果.针对目前蛭石分选回收处理中存在的诸多问题与瓶颈,提出了采用脉动气流分选方法对混有脉石的蛭石矿进行分离提纯.对采自新疆且干布拉克蛭石矿区的原矿进行分选实验研究,并利用计算流体力学软件Fluent6.3对分选过程进行数值模拟验证,结果表明,脉动气流分选对蛭石原矿的分离提纯具有很好的效果.1worm石原矿的分类实验1.1原矿粒度组成实验用蛭石原矿采自新疆且干布拉克蛭石矿区,原矿呈褐绿色,结构松散,粒度较细,且脉石与蛭石粒度分布一致,大部分原矿呈片状,少数呈颗粒状.原矿基本不含泥,因此不需要脱泥.取样10kg进行缩分后,称300g样品,采用标准套筛及振筛仪对蛭石原矿进行筛分实验,粒度组成分析结果见表1.从表1可以看出,蛭石原矿主要集中在0.5~1mm与>1mm这2个粒度级,质量比分别为91.50%和5.70%,而<0.5mm的蛭石原矿只占总体的2.80%,因此该蛭石原矿属于细粒级蛭石矿,较难选.由于>1mm的含量只占5.70%,为了更加有效地分选回收纯度较高的蛭石,提高精矿品位与综合分选效率,采用锤式破碎机将>1mm粒级的原矿破碎至0.5~1mm.将破碎级与0.5~1mm自然级原矿混合后作为分选入料.1.2流通过脉动阀实验室主动脉动气流分选装置如图1所示,该系统主要由供风系统、分选装置和除尘系统组成.当气流通过脉动阀时将所产生的连续脉动气流引入分选装置内,分选物料在分选装置中振荡分层.通过压风机对气流进行整流,使气流稳定,并增加气流的压力,调节气流阀及变频器,分选后的蛭石从分选柱的顶部排出进入旋风除尘器,并经除尘后收集,脉石等杂质则沉降于分选柱的底部,经排料阀门排出.1.3脉动气流速度及脉动频率基于蛭石原矿的单因素分选实验,确定了给料量、脉动气流速度及脉动频率为影响分选效率与蛭石品位的关键因素.给料量由螺旋给料机控制,选取9.81,13.98和18.15kg/h.脉动气流速度通过转子流量计控制,选择2.36,2.75和3.15m/s.脉动频率通过调节变频器改变,选择脉动频率为0.932,1.165和1.398Hz.结果见表2.蛭石原矿分选实验结果表明,当给料量取9.81~18.15kg/h,脉动气流速度为2.36~3.15m/s,脉动频率在0.932~1.398Hz范围时,分选效率均可达88%以上,蛭石精矿品位均高于85%.当给料量取13.98kg/h,脉动气流速度为2.36m/s,脉动频率为1.165Hz时,分选效率达91.16%,精矿品位达到91.51%.2动脉流量分类的数值模拟2.1流场及颗粒运动特点为了简化运算,选取内径为100mm,总长度为1800mm的脉动气流分选柱体作为研究对象,模拟分选颗粒在该柱体内的分离过程,为进一步的实验研究提供理论依据.基于气固多相流复杂的运动特征,结合研究对象特点进行合理的简化假设,所模拟对象的流场及颗粒的运动具有以下特点:模拟研究的分选柱体为圆柱轴对称模型,所以选取过中轴线的任一截面作为模拟对象,因此模型简化为二维平面;流场为稳定的恒温流场,气相介质为空气,密度为1.225kg/m3,黏性系数为常数1.7894×10-5;分选时间为0时,固体颗粒悬浮于分选柱的中部,且初始径向、轴向速度为0,2种固体颗粒的体积分数分别为20%与30%,密度分别为3200与2400kg/m3;假设颗粒相与流体相共存,相互渗透,各相都具有不同的流体速度与体积分数,但同一半径面上的颗粒具有相同的速度,各颗粒相在空间具有连续的速度及体积分数分布;分选过程中,脉动气流对固体颗粒悬浮体产生周期性的加速、减速作用,反之颗粒相的运动会影响流体的变化状态,且2种不同性质颗粒相之间存在碰撞、分离等相互作用.2.2流体与颗粒相模型脉动气流分选柱体包括进口、出口、柱体3个部分,因此建立以分选柱体进口中心点为坐标原点的二维直角坐标系,研究分选装置内气固多相流流动特性及分离规律.基于多相分离流动及考虑相间的相互作用,选用Fluent中的Eulerian模型作为数值模拟的基本模型.选取合适的湍流模型是数值模拟的关键,常用的湍流模型有Spalart-Allmaras模型,标准和RNGk-ε相关模型,标准和SSTk-ω模型及雷诺应力模型.选择模型时主要考虑以下几点:流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制.研究表明,气固混合两相流中固体颗粒的存在使得气体连续相的剪切应力发生变化,颗粒对气流的作用力会对气流的湍流运动造成较大影响.因此本文中气相的湍流流动采用标准k-ε模型,湍流动能方程和耗散相方程分别为∂∂t(ρk)+∂∂xj(ρkUj)=∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj]+G−ρε,(1)∂∂t(ρε)+∂∂xj(ρεUj)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+εk(C1G−C2ρε),(2)G=μi(∂Ui∂xj+∂Uj∂xi)∂Ui∂xj,(3)∂∂t(ρk)+∂∂xj(ρkUj)=∂∂xj[(μ+μtσk)∂k∂xj]+G-ρε,(1)∂∂t(ρε)+∂∂xj(ρεUj)=∂∂xj[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+εk(C1G-C2ρε),(2)G=μi(∂Ui∂xj+∂Uj∂xi)∂Ui∂xj,(3)式中:Cμ=0.09;C1=1.44;C2=1.92;σk=1.0;σε=1.3;Uj为气流速度,随时间呈周期性连续变化.引入体积分数的概念,体积分数代表了每相所占据的空间,并且每相独自地满足质量和动量守恒定律.下列各式分别为流体相与颗粒相的质量守恒与动量守恒方程.∂∂t(εiρi)+∇⋅(εiρiνi)=0,(4)∂∂t(εgρgνg)+∇⋅(εgρgνgνg)=−εg∇p+∇τg+εgρgg−βgs(νg−νs),(5)∂∂t(εsρsνs)+∇⋅(εsρsνsνs)=−εs∇p+∇τs+εsρsg+βgs(νg−νs),(6)∂∂t(εiρi)+∇⋅(εiρiνi)=0,(4)∂∂t(εgρgνg)+∇⋅(εgρgνgνg)=-εg∇p+∇τg+εgρgg-βgs(νg-νs),(5)∂∂t(εsρsνs)+∇⋅(εsρsνsνs)=-εs∇p+∇τs+εsρsg+βgs(νg-νs),(6)式中:i为流体相或颗粒相;εi,ρi,νi分别为流体相或颗粒相的体积分数,密度及速度;εg,ρg,νg,βgs分别为流体相的体积分数,密度,速度及气固阻力系数;εs,ρs,νs分别为颗粒相的体积分数,密度及速度.2.3u3000定期问题模拟研究选取实验结果最为理想的实验条件,即给料量取13.98kg/h,最大脉动气流速度为2.36m/s,脉动频率为1.165Hz作为模拟的基本参数,脉动气流速度为随时间周期性变化的变量.此外,给定了流体相与颗粒相在各种边界处的处理方法:进口处,设气流均匀给入,在入口截面的任一点处气流速度一致;颗粒始终在分选柱体内部运动,当颗粒运动到顶端时,从出口逸出作为蛭石精矿,停止对颗粒的捕捉;当颗粒运动到分选柱底端时,集中在底部排出作为脉石尾矿.图2显示了脉动气流分选蛭石原矿的基本过程.固体颗粒群在分选柱体中的运动非常复杂,主要受的外力包括流体曳力、重力、浮力、压力梯度力、附加质量力、Basset力、Magnus力、Saffman升力等,其中流体曳力、重力、流体的浮力及附加质量力在物料的分离中起主要作用;反之颗粒群也产生对流体的反作用力,进而影响流体相的流型与流态.此外,颗粒之间也存在相互作用力.从图中可以看出,T=0s时,蛭石原矿悬浮在分选柱体的中部,即初始状态颗粒相是均匀分布在分选区域0.6~1.2m的范围内;T=0.428s时,即经过半个周期,气流速度增大到最大值2.36m/s,此时流体相的湍动能达到最大,气流对颗粒群的作用力也达到最大,而在T=0.428~0.857s范围内,气流的速度逐渐减小,流固两相的作用力也随之减弱,因此T=N*0.428(N=1,3,5…)是物料分离的临界时间;图2表明,当T=1.717s时,即经过2个周期后,部分重物料与轻物料彻底分离,轻组份继续向出口运动,由于此时重组份所受的重力大于流体的曳力、浮力及附加质量力的总和,因此重组份逐渐沉降到分选柱的底部,由此可见,脉动气流在短时间内的突然加速与减速对物料的分离起了关键的作用;脉动气流加速度越大,颗粒获得的加速度也越大,由于颗粒在每一个脉动周期都会受到新的气流的加速作用并不断累积,因此颗粒群在分选柱内的不断加速与减速使轻重颗粒振荡分层,进而实现轻重物料的有效分离;当T=3.434与4.291s时,即分别在4个和5个周期后,颗粒的振荡分层更加明显,轻重产物的错配物含量逐渐减少,随着脉动周期的增加,轻产物基本聚集在分选柱顶部并从出口逸出,重产物则在综合受力影响下沉降到分选柱底部排出;当T=6.008s时,轻重产物实现了彻底分离,轻产物基本从出口逸出,而重产物几乎聚集到柱体底部并可以从排料口收集.图3是蛭石精矿分别在T=1.717与3.434s时刻的体积分布图.在T=0时,蛭石精矿集中悬浮在分选柱高度为0.6~1.2m的范围内,经过1.717s,蛭石矿主要分布在分选柱高度为1.0~1.5m的范围,平均体积分数达到35%以上,表明在脉动气流的持续作用下,蛭石精矿在较短时间内表现出向轻产物出口运动的趋势,并随着时间的延续不断集中,说明连续给入的脉动气流能对蛭石原矿轻重产物的高效分离产生明显的作用;当T=3.434s时,蛭石精矿主要分布在分选柱高度为1.2~1.8m的范围,平均体积分数高于40%,说明连续给入4个周期的脉动气流后,轻产物基本运动到分选柱体的顶部,即轻物料出口处,通过旋风除尘装置后对轻产物进行收集.从图3还可知,少量轻产物运动至顶部排料口的速度较为缓慢,这是由于初始状态分布在远离排料口位置的蛭石矿在加速气流作用下开始运动后,迅速与脉石矿物颗粒发生碰撞、结合等作用,使其上升速度受到影响,但由于连续不断的脉冲气流作用及重产物的不断沉降,该部分轻产物总运动趋势仍为竖直向上.图4是脉石尾矿分别在T=4.291与6.008s时刻的体积分布图.经过4.291s,即5个周期后,脉石尾矿主要集中在分选柱高度为0~0.3m的范围,平均体积分数高于23%,说明在连续脉动气流作用下,脉石尾矿逐渐向分选柱底部排料口运动并均匀分布于卸料口位置,适当的给料量、气流速度及脉动频率使重产物克服流体的曳力、浮力及附加质量力而向下运动;T=6.008s后,脉石尾矿的平均体积分数达到25%以上,表明几乎所有的重产物都集中在分选柱底部排料口位置,因此脉动气流可以在短时间内实现宽粒级、多组份物料按密度分离.同样,由于初始状态分布在远离底部排料口位置的脉石与蛭石颗粒的相互作用,使其下降速度受到影响,但在连续脉冲气流作用下,蛭石颗粒逐渐上升,颗粒间作用力逐渐减小,并且脉石尾矿颗粒在重力、浮力等共同作用下,加速度逐渐增大,因此该部分重产物总运动趋势是竖直向下.3种浆模拟结果1)脉动气流分选蛭石原矿的实验结果表明:给料量、脉动气流速度、脉动频率是影响蛭石矿分选回收的主要因素,在给料量取9.81~18.15kg/h,脉动气流速度为2.36~3.15m/s,脉动频率为0.932~1.398Hz范围时,综合分选效率均可达88%以上,蛭石精矿品位均高于85%.当给料量取13.98kg/h,脉动气流速度为2.36m/s,脉动频率为1.165Hz时,分选效率达91.16%,精矿品位为91.51%