蛭石的粒度組成與組分特性分析

蛭石的粒度組成與組分特性分析

apo石是鐵和鎂含鋁的二級變質(zhì)礦物。它的外部形狀是一棵母羅。它通常是由黑（金）旭化和風(fēng)化后合成的。浦石具有良好的陽離子交換和吸附性，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園藝、建筑、冶金、石油、環(huán)保等領(lǐng)域。膨脹后的浦石具有獨特的結(jié)構(gòu)特征和表面性質(zhì)，以及無菌、無菌和化學(xué)性質(zhì)?？捎米鬏d體、吸附劑、固體和飼料添加劑。因此，它在建筑、能源、石油、化工、紡織等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。蛭石在我國產(chǎn)地分布廣,儲量大,是一種優(yōu)質(zhì)的非金屬礦產(chǎn)資源,其中95%以上的蛭石礦分布在我國的新疆、甘肅、內(nèi)蒙、陜西等西部地區(qū).自然界很少產(chǎn)出純的蛭石,大部分都混有黑云母、金云母、輝石、長石、石英等伴生脈石礦物.因此,采用一種合理高效的回收方法對混有脈石的蛭石礦物進(jìn)行分選對后續(xù)的加工提純至關(guān)重要.國外文獻(xiàn)主要側(cè)重于對蛭石改性、膨脹特性、晶體結(jié)構(gòu)及蛭石材料制備與應(yīng)用的研究,而對蛭石分選回收方法的綜述及研究較少,國外基本采用濕法工藝,即浮選法來精選低品位小片徑蛭石,分選效率高于80%,精礦品位為85%左右,但投資大、流程復(fù)雜、難于操作,增加了不必要的烘干工序,并且分選過程耗水量大,容易產(chǎn)生大量生產(chǎn)廢水污染環(huán)境.國內(nèi)研究人員提出了采用機械選礦方法,包括磁選法、電選法、沸騰分離法、空氣分離法等對蛭石原礦進(jìn)行分離提純,但普遍存在分離精度低,分選效果差,具有一定的原礦選擇性,僅在特定的礦物粒度范圍內(nèi)適用等問題.目前,細(xì)粒級蛭石礦分選回收方法的分選效率及精礦品位指標(biāo)普遍偏低,難以獲得滿意的效果.針對目前蛭石分選回收處理中存在的諸多問題與瓶頸,提出了采用脈動氣流分選方法對混有脈石的蛭石礦進(jìn)行分離提純.對采自新疆且干布拉克蛭石礦區(qū)的原礦進(jìn)行分選實驗研究,并利用計算流體力學(xué)軟件Fluent6.3對分選過程進(jìn)行數(shù)值模擬驗證,結(jié)果表明,脈動氣流分選對蛭石原礦的分離提純具有很好的效果.1worm石原礦的分類實驗1.1原礦粒度組成實驗用蛭石原礦采自新疆且干布拉克蛭石礦區(qū),原礦呈褐綠色,結(jié)構(gòu)松散,粒度較細(xì),且脈石與蛭石粒度分布一致,大部分原礦呈片狀,少數(shù)呈顆粒狀.原礦基本不含泥,因此不需要脫泥.取樣10kg進(jìn)行縮分后,稱300g樣品,采用標(biāo)準(zhǔn)套篩及振篩儀對蛭石原礦進(jìn)行篩分實驗,粒度組成分析結(jié)果見表1.從表1可以看出,蛭石原礦主要集中在0.5~1mm與>1mm這2個粒度級,質(zhì)量比分別為91.50%和5.70%,而<0.5mm的蛭石原礦只占總體的2.80%,因此該蛭石原礦屬于細(xì)粒級蛭石礦,較難選.由于>1mm的含量只占5.70%,為了更加有效地分選回收純度較高的蛭石,提高精礦品位與綜合分選效率,采用錘式破碎機將>1mm粒級的原礦破碎至0.5~1mm.將破碎級與0.5~1mm自然級原礦混合后作為分選入料.1.2流通過脈動閥實驗室主動脈動氣流分選裝置如圖1所示,該系統(tǒng)主要由供風(fēng)系統(tǒng)、分選裝置和除塵系統(tǒng)組成.當(dāng)氣流通過脈動閥時將所產(chǎn)生的連續(xù)脈動氣流引入分選裝置內(nèi),分選物料在分選裝置中振蕩分層.通過壓風(fēng)機對氣流進(jìn)行整流,使氣流穩(wěn)定,并增加氣流的壓力,調(diào)節(jié)氣流閥及變頻器,分選后的蛭石從分選柱的頂部排出進(jìn)入旋風(fēng)除塵器,并經(jīng)除塵后收集,脈石等雜質(zhì)則沉降于分選柱的底部,經(jīng)排料閥門排出.1.3脈動氣流速度及脈動頻率基于蛭石原礦的單因素分選實驗,確定了給料量、脈動氣流速度及脈動頻率為影響分選效率與蛭石品位的關(guān)鍵因素.給料量由螺旋給料機控制,選取9.81,13.98和18.15kg/h.脈動氣流速度通過轉(zhuǎn)子流量計控制,選擇2.36,2.75和3.15m/s.脈動頻率通過調(diào)節(jié)變頻器改變,選擇脈動頻率為0.932,1.165和1.398Hz.結(jié)果見表2.蛭石原礦分選實驗結(jié)果表明,當(dāng)給料量取9.81~18.15kg/h,脈動氣流速度為2.36~3.15m/s,脈動頻率在0.932~1.398Hz范圍時,分選效率均可達(dá)88%以上,蛭石精礦品位均高于85%.當(dāng)給料量取13.98kg/h,脈動氣流速度為2.36m/s,脈動頻率為1.165Hz時,分選效率達(dá)91.16%,精礦品位達(dá)到91.51%.2動脈流量分類的數(shù)值模擬2.1流場及顆粒運動特點為了簡化運算,選取內(nèi)徑為100mm,總長度為1800mm的脈動氣流分選柱體作為研究對象,模擬分選顆粒在該柱體內(nèi)的分離過程,為進(jìn)一步的實驗研究提供理論依據(jù).基于氣固多相流復(fù)雜的運動特征,結(jié)合研究對象特點進(jìn)行合理的簡化假設(shè),所模擬對象的流場及顆粒的運動具有以下特點:模擬研究的分選柱體為圓柱軸對稱模型,所以選取過中軸線的任一截面作為模擬對象,因此模型簡化為二維平面;流場為穩(wěn)定的恒溫流場,氣相介質(zhì)為空氣,密度為1.225kg/m3,黏性系數(shù)為常數(shù)1.7894×10-5;分選時間為0時,固體顆粒懸浮于分選柱的中部,且初始徑向、軸向速度為0,2種固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)分別為20%與30%,密度分別為3200與2400kg/m3;假設(shè)顆粒相與流體相共存,相互滲透,各相都具有不同的流體速度與體積分?jǐn)?shù),但同一半徑面上的顆粒具有相同的速度,各顆粒相在空間具有連續(xù)的速度及體積分?jǐn)?shù)分布;分選過程中,脈動氣流對固體顆粒懸浮體產(chǎn)生周期性的加速、減速作用,反之顆粒相的運動會影響流體的變化狀態(tài),且2種不同性質(zhì)顆粒相之間存在碰撞、分離等相互作用.2.2流體與顆粒相模型脈動氣流分選柱體包括進(jìn)口、出口、柱體3個部分,因此建立以分選柱體進(jìn)口中心點為坐標(biāo)原點的二維直角坐標(biāo)系,研究分選裝置內(nèi)氣固多相流流動特性及分離規(guī)律.基于多相分離流動及考慮相間的相互作用,選用Fluent中的Eulerian模型作為數(shù)值模擬的基本模型.選取合適的湍流模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵,常用的湍流模型有Spalart-Allmaras模型,標(biāo)準(zhǔn)和RNGk-ε相關(guān)模型,標(biāo)準(zhǔn)和SSTk-ω模型及雷諾應(yīng)力模型.選擇模型時主要考慮以下幾點:流體是否可壓、建立特殊的可行的問題、精度的要求、計算機的能力、時間的限制.研究表明,氣固混合兩相流中固體顆粒的存在使得氣體連續(xù)相的剪切應(yīng)力發(fā)生變化,顆粒對氣流的作用力會對氣流的湍流運動造成較大影響.因此本文中氣相的湍流流動采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,湍流動能方程和耗散相方程分別為??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為氣流速度,隨時間呈周期性連續(xù)變化.引入體積分?jǐn)?shù)的概念,體積分?jǐn)?shù)代表了每相所占據(jù)的空間,并且每相獨自地滿足質(zhì)量和動量守恒定律.下列各式分別為流體相與顆粒相的質(zhì)量守恒與動量守恒方程.??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為流體相或顆粒相;εi,ρi,νi分別為流體相或顆粒相的體積分?jǐn)?shù),密度及速度;εg,ρg,νg,βgs分別為流體相的體積分?jǐn)?shù),密度,速度及氣固阻力系數(shù);εs,ρs,νs分別為顆粒相的體積分?jǐn)?shù),密度及速度.2.3u3000定期問題模擬研究選取實驗結(jié)果最為理想的實驗條件,即給料量取13.98kg/h,最大脈動氣流速度為2.36m/s,脈動頻率為1.165Hz作為模擬的基本參數(shù),脈動氣流速度為隨時間周期性變化的變量.此外,給定了流體相與顆粒相在各種邊界處的處理方法:進(jìn)口處,設(shè)氣流均勻給入,在入口截面的任一點處氣流速度一致;顆粒始終在分選柱體內(nèi)部運動,當(dāng)顆粒運動到頂端時,從出口逸出作為蛭石精礦,停止對顆粒的捕捉;當(dāng)顆粒運動到分選柱底端時,集中在底部排出作為脈石尾礦.圖2顯示了脈動氣流分選蛭石原礦的基本過程.固體顆粒群在分選柱體中的運動非常復(fù)雜,主要受的外力包括流體曳力、重力、浮力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力、Basset力、Magnus力、Saffman升力等,其中流體曳力、重力、流體的浮力及附加質(zhì)量力在物料的分離中起主要作用;反之顆粒群也產(chǎn)生對流體的反作用力,進(jìn)而影響流體相的流型與流態(tài).此外,顆粒之間也存在相互作用力.從圖中可以看出,T=0s時,蛭石原礦懸浮在分選柱體的中部,即初始狀態(tài)顆粒相是均勻分布在分選區(qū)域0.6~1.2m的范圍內(nèi);T=0.428s時,即經(jīng)過半個周期,氣流速度增大到最大值2.36m/s,此時流體相的湍動能達(dá)到最大,氣流對顆粒群的作用力也達(dá)到最大,而在T=0.428~0.857s范圍內(nèi),氣流的速度逐漸減小,流固兩相的作用力也隨之減弱,因此T=N*0.428(N=1,3,5…)是物料分離的臨界時間;圖2表明,當(dāng)T=1.717s時,即經(jīng)過2個周期后,部分重物料與輕物料徹底分離,輕組份繼續(xù)向出口運動,由于此時重組份所受的重力大于流體的曳力、浮力及附加質(zhì)量力的總和,因此重組份逐漸沉降到分選柱的底部,由此可見,脈動氣流在短時間內(nèi)的突然加速與減速對物料的分離起了關(guān)鍵的作用;脈動氣流加速度越大,顆粒獲得的加速度也越大,由于顆粒在每一個脈動周期都會受到新的氣流的加速作用并不斷累積,因此顆粒群在分選柱內(nèi)的不斷加速與減速使輕重顆粒振蕩分層,進(jìn)而實現(xiàn)輕重物料的有效分離;當(dāng)T=3.434與4.291s時,即分別在4個和5個周期后,顆粒的振蕩分層更加明顯,輕重產(chǎn)物的錯配物含量逐漸減少,隨著脈動周期的增加,輕產(chǎn)物基本聚集在分選柱頂部并從出口逸出,重產(chǎn)物則在綜合受力影響下沉降到分選柱底部排出;當(dāng)T=6.008s時,輕重產(chǎn)物實現(xiàn)了徹底分離,輕產(chǎn)物基本從出口逸出,而重產(chǎn)物幾乎聚集到柱體底部并可以從排料口收集.圖3是蛭石精礦分別在T=1.717與3.434s時刻的體積分布圖.在T=0時,蛭石精礦集中懸浮在分選柱高度為0.6~1.2m的范圍內(nèi),經(jīng)過1.717s,蛭石礦主要分布在分選柱高度為1.0~1.5m的范圍,平均體積分?jǐn)?shù)達(dá)到35%以上,表明在脈動氣流的持續(xù)作用下,蛭石精礦在較短時間內(nèi)表現(xiàn)出向輕產(chǎn)物出口運動的趨勢,并隨著時間的延續(xù)不斷集中,說明連續(xù)給入的脈動氣流能對蛭石原礦輕重產(chǎn)物的高效分離產(chǎn)生明顯的作用;當(dāng)T=3.434s時,蛭石精礦主要分布在分選柱高度為1.2~1.8m的范圍,平均體積分?jǐn)?shù)高于40%,說明連續(xù)給入4個周期的脈動氣流后,輕產(chǎn)物基本運動到分選柱體的頂部,即輕物料出口處,通過旋風(fēng)除塵裝置后對輕產(chǎn)物進(jìn)行收集.從圖3還可知,少量輕產(chǎn)物運動至頂部排料口的速度較為緩慢,這是由于初始狀態(tài)分布在遠(yuǎn)離排料口位置的蛭石礦在加速氣流作用下開始運動后,迅速與脈石礦物顆粒發(fā)生碰撞、結(jié)合等作用,使其上升速度受到影響,但由于連續(xù)不斷的脈沖氣流作用及重產(chǎn)物的不斷沉降,該部分輕產(chǎn)物總運動趨勢仍為豎直向上.圖4是脈石尾礦分別在T=4.291與6.008s時刻的體積分布圖.經(jīng)過4.291s,即5個周期后,脈石尾礦主要集中在分選柱高度為0~0.3m的范圍,平均體積分?jǐn)?shù)高于23%,說明在連續(xù)脈動氣流作用下,脈石尾礦逐漸向分選柱底部排料口運動并均勻分布于卸料口位置,適當(dāng)?shù)慕o料量、氣流速度及脈動頻率使重產(chǎn)物克服流體的曳力、浮力及附加質(zhì)量力而向下運動;T=6.008s后,脈石尾礦的平均體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%以上,表明幾乎所有的重產(chǎn)物都集中在分選柱底部排料口位置,因此脈動氣流可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)寬粒級、多組份物料按密度分離.同樣,由于初始狀態(tài)分布在遠(yuǎn)離底部排料口位置的脈石與蛭石顆粒的相互作用,使其下降速度受到影響,但在連續(xù)脈沖氣流作用下,蛭石顆粒逐漸上升,顆粒間作用力逐漸減小,并且脈石尾礦顆粒在重力、浮力等共同作用下,加速度逐漸增大,因此該部分重產(chǎn)物總運動趨勢是豎直向下.3種漿模擬結(jié)果1)脈動氣流分選蛭石原礦的實驗結(jié)果表明:給料量、脈動氣流速度、脈動頻率是影響蛭石礦分選回收的主要因素,在給料量取9.81~18.15kg/h,脈動氣流速度為2.36~3.15m/s,脈動頻率為0.932~1.398Hz范圍時,綜合分選效率均可達(dá)88%以上,蛭石精礦品位均高于85%.當(dāng)給料量取13.98kg/h,脈動氣流速度為2.36m/s,脈動頻率為1.165Hz時,分選效率達(dá)91.16%,精礦品位為91.51%