两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.04.005 第35卷第4期 北京科技大学学报 Vol.35 No.4 2013年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2013 两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响 桂夏辉)，黄根，袁闯2，梁华3)，王永田) 1)中国矿业大学化工学院，徐州2211162)东北大学资源与土木工程学院，沈阳110004 3)河南神火煤电集团公司薛湖选煤厂，永城476600 通信作者，E-mail:guixiahui1985@163.com 摘要基于强化煤泥浮选前的矿浆预处理过程，设计了具有折叶开启式涡轮的两段强制搅拌装置.通过分析两段强制 搅拌体系的流量准数、功率准数、剪切特性、循环特性以及混合效率来评价搅拌体系的混合特性，并对永城矿区的无烟 煤煤泥进行了两段强制模式的调浆浮选试验.随着转速的增加，输入两段强制搅拌体系的能量以及混合效率增加，单位 能耗的矿浆循环性能和剪切性能均减小，剪切性能减小的趋势小于循环性能减小的趋势.在相同转速下，大直径叶片的 单位能耗具有较强的剪切特性及混合效率、较小的循环/剪切比.在两段强制搅拌调浆模式下，旋流静态微泡浮选床可获 得较好的浮选指标和较大的处理能力.大直径和高转速条件下的能量输入可促进矿浆中难浮颗粒的回收，在合适的处理 能力条件下能够加强粗颗粒的回收，而在处理能力较强的条件下可以提高浮选尾煤中的细颗粒灰分 关键词煤泥：混合：剪切：浮选：无烟煤 分类号TD943 Mixing characteristics of two-stage compulsory stirred pulp-mixing and its influence on fine coal flotation GUI Xia-hui)HUANG Gen1),YUAN Chuang2),LIANG Hua3),WANG Yong-tian) 1)School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining Technology,Xuzhou 221116,China 2)College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110004,China 3)Xuehu Coal Preparation Plant.Henan Shenhuo Coal and Electric Power Group Corporation,Yongcheng 476600,China Corresponding author,E-mail:guixiahui1985@163.com ABSTRACT A two-stage compulsory stirred tank with a pitched-blade opening-type turbine was designed based on the process intensification of pulp pretreatment before fine coal flotation.The mixing characteristics of the stirred system were evaluated by investigating its flow dimensionless number,power dimensionless number,shear characteristics, cycle characteristics and mixing efficiency.Coal flotation experiment of anthracite coal from Yongcheng Mine in central China was performed by two-stage compulsory pulp-mixing.When the rotational speed goes up,the energy input and the mixing efficiency of the stirred system increase,the pulp cycle performance and shear performance by unit energy consumption decrease,but the decreasing trend of the latter is less than that of the former.At the same rotational speed, high shear characteristics and mixing efficiency as well as low circulation/shear ratio can be obtained with a large diameter impeller by unit energy consumption.A cyclone-static micro-bubble flotation column can achieve a better flotation index and a greater capacity at the mode of two-stage compulsory stirred pulp-mixing.A large diameter impeller and high rotational speed favor to recover hard-to-float coal particles.The recovery of coarse particles is improved by two-stage compulsory stirred pulp-mixing when the processing capacity in appropriate conditions,but in large capacity conditions, the fine-particle ash increases in flotation tailings. KEY WORDS coal slurries;mixing;shearing:flotation:anthracite 调浆是浮选的前段作业，其作用涉及矿浆分 否充分直接关系到浮选效果-.国内外研究人员 散、矿粒与药剂接触及矿物表面改性.调浆效果是 在浮选前调浆混合和矿浆表面改性等方面做了许多 收稿日期：201207-15

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响 桂夏辉 、, 黄 根 , 袁 闯 , 梁 华 , 王永 田` 中国矿业大学化工学院, 徐州 东北大学资源与土木工程学院, 沈阳 河南神火煤电集团公司薛湖选煤厂 , 永城 匕通信作者, 一 , 摘 要 基于强化煤泥浮选前的矿浆预处理过程, 设计了具有折叶开启式涡轮的两段强制搅拌装置 通过分析两段强制 搅拌体系的流量准数 、功率准数 、 剪切特性 、循环特性以及混合效率来评价搅拌体系的混合特性, 并对永城矿区的无烟 煤煤泥进行 了两段强制模式的调浆浮选试验 随着转速的增加, 输入两段强制搅拌体系的能量 以及混合效率增加, 单位 能耗的矿浆循环性能和剪切性能均减小, 剪切性能减小的趋势小于循环性能减小的趋势 在相同转速下, 大直径叶片的 单位能耗具有较强的剪切特性及混合效率 、较小的循环 剪切比 在两段强制搅拌调浆模式下, 旋流静态微泡浮选床可获 得较好的浮选指标和较大的处理能力 大直径和高转速条件下的能量输入可促进矿浆中难浮颗粒的回收, 在合适的处理 能力条件下能够加强粗颗粒的回收, 而在处理能力较强的条件下可 以提高浮选尾煤中的细颗粒灰分 关键词 煤泥 混合 剪切 浮选 无烟煤 分类号 一 一 乙汀 讯一硫 以 刃` 几 , 以 万 跳 舰 夕 , 五拼 万 枷 , 叭 万 为 几夕一 几 , 、 , , , , , , , , , 乙 , 一 、 一 韶 七 、 , , , 奎 一 一 议 , 正, 用 , , , , 勿 , , , , 、 、 飞 一 于 一 一 一 ,, 一 一月 粼 饰 一 、 〔 一 一 、, 一 , 一 ℃ 、 调浆是浮选的前段作业, 其作用涉及矿浆分 散 、矿粒与药剂接触及矿物表面改性 调浆效果是 否充分直接关系到浮选效果 `一 国内外研究人员 在浮选前调浆混合和矿浆表面改性等方面做 了许多 收稿 日期 一 一 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.04.005

.424 北京科技大学学报 第35卷 研究工作.Egel等3对矿浆采用高强度调浆预处 对煤泥浮选效果的影响，为实现新型高效调浆机制 理，调浆后其浮选性能大大提高，改善了有价金属 提供借鉴 的选择性和回收率；Chen等4研究得出高剪切调浆 改善浮选效果的原因是对矿物颗粒表面清洗作用以 1试验 及剪切絮凝作用；Valderrama等l)指出剪切力是影 1.1试验装置 响分选效率的关键因素；Peng等dl研究发现高剪切 两段强制搅拌装置（如图1所示）由两段调浆 调浆可以有效剥离矿物颗粒表面的亲水氧化层：李 室、搅拌桶通体、搅拌轴、叶片、挡板、环板等附件 振等)评述了浮选过程搅拌调浆技术，强调了高效 组成，上下叶片和环板可拆装，便于试验调节，叶 调浆对细粒矿物分选的重要性；刘莉君等⑧]研究得 片形式为采用折叶开启式涡轮(PBT),叶片数目为 出增强浮选机搅拌能改善细粒级煤泥的浮选效果， 4,叶片的直径分别为600、650和700mm三种尺 并可得到较高的可燃体回收率，但精煤灰分也会提 寸.搅拌电机为变频电机，可通过变频器来调整搅 高；梁华等9通过增加一层搅拌叶轮和提高搅拌电 拌轴的转速.搅拌桶体及附件尺寸如表1. 机的功率，提高了薛湖选煤厂的浮选尾煤灰分，降 低了浮选药耗. 目前国内外对煤泥浮选的调浆搅拌研究主要 6 集中于提高循环效率，进而对矿物的宏观混合起到 5 积极作用，提高了搅拌槽内的均匀化过程，但随着 机械化采煤比例加大，煤泥含量越来越高，高灰难 选细粒煤呈现“细、杂、难”的特点10-1川，原生煤 泥粒度呈微细化，煤泥中煤含量大，灰分高，可浮 性差，浮粒度下限降低，煤泥分选难度进一步凸现 [12~13到.细颗粒煤粒易造成调浆体系的团聚作用，同 时影响药剂与煤粒表面的充分作用；而且由于多数 -- 单段搅拌作用中均存在水平环流，使得部分引入的 1-入料口：2-下叶片：3-搅拌桶：4-挡板：5上叶片： 6一上环板：7搅拌轴：8--出料口：9下环板 矿浆和药剂易于随表层料流出，影响浮选设备的回 收能力.因此，本文提出了一种两段式的强制搅拌 图1两段强制搅拌槽结构示意图 调浆方法，通过分析混合特性，探索两段强制调浆 Fig.1 Schematic illustration of the two-stage compulsory stirred tank 表1两段强制搅拌装置结构尺寸 Table 1 Structure size of the two-stage compulsory stirred tank D/mm H/mm W/mm W/mm C/mm L/mm d/mm b/mm R/mm H1/mm H2/mm 6/(e) 2500 2500 1252505001000600/650/7001006001000100045 注：D一筒体直径，H一筒体高度，W。一挡板与桶壁的距离，W一挡板的宽度，C一底部叶轮与桶底的距离，L一两层叶轮之间 距离，d一叶轮直径，b一叶轮高度，R一环板的内圆半径，H1一下层环板距桶底距离，H2一两层环板之间的距离，0一叶片的倾角 1.2试验方法 变频器调整传动电机的转速从而改变搅拌叶片的 两段强制搅拌调浆装置通过两层不同位置的 转速，并通过调整搅拌叶片直径的大小来调整搅 叶片对矿浆进行搅拌，实现不同轴向位置矿浆的剪 拌调浆装置内的流场强度.搅拌调浆后的煤浆给入 切和混合.给料矿浆通过入料口1进入一段调浆室， FCSMC3000×6000旋流-静态微泡浮选床分选，调 经过下叶片2的一段搅拌作用后，矿浆进入二段 节浮选床的入料量，探索两段强制搅拌调浆对浮选 调浆室，并在上叶片5的作用下完成二段搅拌过 床设备处理能力的作用效果.试验流程如图2所示. 程，物料在机械流体力的作用下，被强制改质，改 2结果与讨论 质后的矿浆从出料口8排出.给料浆为细颗粒煤 粒、水以及浮选药剂混合物，矿浆中固体质量浓度 2.1两段强制混合搅拌调浆混合特性分析 为100~120gL-1,矿浆密度为10351050kgm3. 2.1.1流量准数 入浮煤泥给入两段强制调浆装置内调浆，通过 搅拌体系的流量准数可进一步分为排出流量

4 24 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 研究工作 等 对矿浆采用高强度调浆预处 理, 调浆后其浮选性能大大提高, 改善 了有价金属 的选择性和 回收率 等四研究得出高剪切调浆 改善浮选效果的原因是对矿物颗粒表面清洗作用 以 及剪切絮凝作用 等圈 指出剪切力是影 响分选效率的关键因素 等 研究发现高剪切 调浆可以有效剥离矿物颗粒表面的亲水氧化层 李 振等 评述 了浮选过程搅拌调浆技术, 强调了高效 调浆对细粒矿物分选的重要性 刘莉君等 研究得 出增强浮选机搅拌能改善细粒级煤泥的浮选效果 , 并可得到较高的可燃体回收率 , 但精煤灰分也会提 高 梁华等 通过增加一层搅拌叶轮和提高搅拌 电 机的功率, 提高了薛湖选煤厂的浮选尾煤灰分 , 降 低了浮选药耗 目前 国内外对煤泥浮选 的调浆搅拌研究主要 集 中于提高循环效率 , 进而对矿物的宏观混合起到 积极作用 , 提高了搅拌槽 内的均匀化过程 , 但随着 机械化采煤比例加大, 煤泥含量越来越高, 高灰难 选细粒煤呈现 “细 、杂 、难 ” 的特 点 `。一“ , 原生煤 泥粒度呈微细化 , 煤泥中煤含量大 , 灰分高 , 可浮 性差, 浮粒度下限降低 , 煤泥分选难度进一步凸现 `一 “ 细颗粒煤粒易造成调浆体系的团聚作用 , 同 时影响药剂与煤粒表面的充分作用 而且 由于多数 单段搅拌作用中均存在水平环流 , 使得部分引入的 矿浆和药剂易于随表层料流 出, 影响浮选设备的回 收能力 因此 , 本文提 出了一种两段式的强制搅拌 调浆方法, 通过分析混合特性, 探索两段强制调浆 对煤泥浮选效果的影响, 为实现新型高效调浆机制 提供借鉴 试验 试验装置 两段强制搅拌装置 如图 所示 由两段调浆 室 、搅拌桶通体 、搅拌轴 、叶片 、挡板 、环板等附件 组成 , 上下叶片和环板可拆装 , 便于试验调节 , 叶 片形式为采用折叶开启式涡轮 , 叶片数 目为 , 叶片的直径分别为 、 和 三种尺 寸 搅拌 电机 为变频电机 , 可通过变频器来调整搅 拌轴的转速 搅拌桶体及附件尺寸如表 一二 …丫丁 巡汁 尸沪声叫尸 子产 , 件。 沪尸产尹 一人料日 一下叶片 一搅拌桶 一挡板 卜叶片 一上环板 一搅拌轴 一出料 下环板 图 两段强制搅拌槽结构示意图 一 表 两段强制搅拌装置结构尺寸 一 一 叽 刃 坷 , 场 “ 注 一 筒体直径 , 一 筒体高度, 环乞一 挡板与桶壁的距离 , 一 挡板的宽度, 一 底部叶轮与桶底的距离, 一 两层叶轮之间 距离 , 一 叶轮直径 汉〕 叶轮高度 , 月一 环板的内圆半径, 一下层环板距桶底距离, 一两层环板之间的距离, 口一 叶片的倾角 试验方法 两段强制搅拌调浆装置通过两层 不同位 置的 叶片对矿浆进行搅拌, 实现不同轴 向位置矿浆的剪 切和混合 给料矿浆通过入料 口 进入一段调浆室, 经过下 叶片 的一段搅拌作用后 , 矿浆进入二段 调浆室 , 并在上 叶片 的作用下完成二段搅拌过 程 , 物料在机械流体力的作用下 , 被强制改质 , 改 质后的矿浆从出料 口 排出 给料矿浆为细颗粒煤 粒 、水以及浮选药剂混合物, 矿浆 中固体质量浓度 为 ·一`, 矿浆密度为 、 · 一“ 入浮煤泥给入两段强制调浆装置 内调浆, 通过 变频器调整传动 电机的转速从而改变搅拌 叶片 的 转速 , 并通过调整搅拌 叶片直径 的大小来调整搅 拌调浆装置内的流场强度 搅拌调浆后 的煤浆给入 旋流一静态微泡浮选床 分选 , 调 节浮选床 的入料量, 探索两段强制搅拌调浆对浮选 床设备处理能力的作用效果 试验流程如图 所示 结果 与讨 论 两段强制混合搅拌调桨混合特性分析 流量准数 搅拌体系的流量准数可进一步分 为排 出流量

第4期 桂夏辉等：两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响 .425 人浮煤泥 混合时间Tm是指将两种完全互溶、但其物理 性质或者化学性质（电导率、折光率、温度和颜色） 叶片直径调整 两段强制搅拌 转速调整 有差异的流体通过搅拌使之达到规定的混匀标准时 所需的时间.当操作条件固定时，Tm可以反映搅拌 搅拌形式调整 浮选床 机制与之对应的混合性能优劣.在对比不同搅拌机 叶片直径调整 处理量调整 制对应的混合速率时，常用无因次的混合准数，又 称混合时间数N4.NT的物理意义为达到规定混 产品化验 合时叶轮所需的转数，是混合时间Tm和转速N的 图2试验设计方案 乘积，即 Fig.2 Design scheme of the experimental NT =Tm N. (5) 准数NQ:与循环流量准数N唱4，其中 混合时间Tm一般由光学法等方法测量，或通 NQA= Qa Nd3 (1) 过数值模拟的方法获取，目前已经将不同的操作参 数和设计参数的实验数据同经验模型进行关联，得 Qe Na.=N函 到了较为精确的经验模型，根据叶轮形式和反复演 (2) 算对比，本文将采取折叶开启式涡轮PBTs经验公 NQ。=NQa{1+0.16(D/d)2-1} (3) 式I5-16)计算Tm,描述不同操作条件下Tm的变化 趋势，即 式中：Qa为搅拌器排液量，m3s-1；Qc为循环流 量，m3s-l；N为搅拌轴转速，rmin-1.图3为叶 Tn=5(2H/d+D/d)(C/d) (6) 片直径及转速对搅拌体系两种流量准数的影响.由 图可知，随着转速的提高和叶轮直径的增加，两段 式中，H代表槽内液位的高度，mm. 强制调浆混合过程的排出流量准数和循环流量准数 图4为搅拌叶片直径和转速对单位体积的功率 都减小，但减小的幅度越来越小 输入和混合时间的影响.由图可以看出：随着搅拌 2.1.2功率消耗和混合时间 转速的增加，叶片向搅拌体系中输入的能量增加， Pv表示主要搅拌槽内单位体积的功率消耗， 搅拌体系的单位体积的功率输入逐渐增加，且其随 其计算公式如下： 转速的提高Pv增加的幅度也随之增加，在相同转 速不同叶片直径条件下的功率耗散差距增加：随着 Py=P/V. (4) 搅拌转速的增加，混合时间Tm逐渐减小，且Tm减 小的趋势变缓，在相同转速不同叶片直径条件下的 式中：P代表槽内流体的输入功率，W:V代表槽 混合时间差距变化较小.在两段强制搅拌调浆机制 体有效容积，m3 7000 29 0.50 0.50 d=600 mm (No) 6600 26 0.45 d=650 mm 。d=7o0 mm (Noa) 0.45 6200 23 0.40 .d=600mm 0.40 5800 =650mm N 20 0.35 d=700mm(N)0.35 >5400 -d=600m(P) 17 0.30 0.30 ◆-d=650mm(P1) 20.25 0.25 4200 -d-700mm(P) -d=600 mm(T 11 0.20 3800 0.20 e-d=650mm(T.) 3400 合-d=700mm(Ta) 0.15 0.15 3000 ■ 0.10 0.10 2600 0.05 0.05 220 200220240260280300320340360380 0.00 0.00 N/(r.min-) 200220240260280300.320340360380 N/rm-） 图4叶片直径和转速条件对单位体积的功率消耗和混合时间 的影响 图3叶片直径及转速对搅拌体系流量准数的影响 Fig.3 Effects of impeller diameter and rotational speed on Fig.4 Effects of impeller diameter and rotational speed on the flow dimensionless numbers the mixing time and power consumption by unit volume

第 期 桂夏辉等 两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响 · · 叶片直径调整 转速调整 搅拌形式调整 叶片直径调整 全床 处理量 调整 图 试验设计方案 混合时间 是指将两种完全互溶 、但其物理 性质或者化学性质 电导率 、折光率 、温度和颜色 有差异的流体通过搅拌使之达到规定的混匀标准时 所需的时间 当操作条件固定时, 可以反映搅拌 机制与之对应 的混合性能优劣 在对 比不 同搅拌机 制对应 的混合速率时, 常用无因次的混合准数 , 又 称混合时间数岭 , 听 的物理意义为达到规定混 合时叶轮所需的转数, 是混合时间 和转速 的 乘积, 即 刃了 不二 准数崛, 与循环流量准数心 , 其中 了 ,下丈五丫 日 吸 。二 。 ' 。 · 一 式中 为搅拌器排液量 , “一 ` 。为循环流 量, ” 一` 为搅拌轴转速 , 一` 图 为叶 片直径及转速对搅拌体系两种流量准数的影响 由 图可知 , 随着转速 的提高和叶轮直径 的增加 , 两段 强制调浆混合过程的排出流量准数和循环流量准数 都减小, 但减小的幅度越来越小 功率消耗和混合时间 几 表示主要搅拌槽 内单位体积的功率消耗, 其计算公式如下 混合时间 一般 由光学法等方法测量 , 或通 过数值模拟的方法获取, 目前 已经将不 同的操作参 数和设计参数 的实验数据 同经验模型进行关联, 得 到了较为精确 的经验模型, 根据叶轮形式和反复演 算对 比, 本文将采取折叶开启式涡轮 经验 公 式 一` 计算 , 描述不同操作条件下 的变化 趋势 , 即 一 业 丛 坦士卫旦 晚竺 尸 式中 尸代表槽 内流体的输入功率 , 代表槽 体有效容积 , “ 式 中, 坑 代表槽内液位 的高度 , 图 为搅拌叶片直径和转速对单位体积的功率 输入和混合时间的影响 由图可以看 出 随着搅拌 转速 的增加, 叶片 向搅拌体系 中输入的能量增加 , 搅拌体系的单位体积的功率输入逐渐增加 , 且其 随 转速的提高 增加的幅度也随之增加 , 在相同转 速不同叶片直径条件下的功率耗散差距增加 随着 搅拌转速的增加, 混合时间 逐渐减小, 且 减 小 的趋势变缓 , 在相 同转速不同叶片直径条件下的 混合时间差距变化较小 在两段强制搅拌调浆机制 自,︸一﹄匕丫︵ 土︸ 蔺﹁ ︸︷ 厂 争 沐叭︶洛 才 曰门︵︺巧 舀︸曰︺尸︷汁工 ﹄ 奢。 。 尸、 刀 一 日` 一 一' 图 叶片直径和转速条件对单位体积的功率消耗和混合时间 的影 响 了 日︵ … 曰门飞目 ` 日曰︹﹄ 图 叶片直径及转速对搅拌体系流量准数的影响

·426 北京科技大学学报 第35卷 条件下叶片尺寸的增大和转速的增加对单位体积功 的影响较小，大的叶片直径能获得更大的雷诺数， 率输入的增加非常明显，而对混合时间的减小作用 如果实现相同的湍流环境，直径大的叶片的能量消 也较为明显.在搅拌体系设计过程中，要考虑保证 耗大于直径小的叶片 混合时间的基础上优化槽体的结构设计，降低单位 体积的功率输入，以提高能量分配效率 ·-d=600mm 2.1.3功率准数 -◆d=650mm +d=700mn 由搅拌功率的经验计算公式可计算功率准数 Ng4,即 P Np= pN3ds (7) 式中：Np代表功率准数；p代表流体密度，kgm3 由式(7）可以看出，一定的矿浆密度条件 下，Np与搅拌轴的转速和叶片直径成反比，与输 0 入功率成正比.功率准数表示输入的功率消耗于流 150000021000002700000330000039000004500000 体的力，在搅拌机构参数一定的条件下，NP主要 图6不同叶片直径下霍诺数对功率准数的影响 与槽体内的湍动状态(Re)有关，Re为叶轮雷诺数， Fig.6 Effect of Reynolds number on the power dimensionless 即 number at different impeller diameters Re =pd2N (8) 2.1.4单位能耗的剪切特性 搅拌调浆作业的剪切作用对煤泥界面浮选创 式中，4为动力黏度，Pas. 造了有利的条件，特别是针对难选煤泥，高速的剪 图5和图6分别显示了两段强制混合调浆体 切调浆一方面能暴露微细粒煤泥的疏水性表面，另 系中转速N和雷诺数Re分别对功率准数Np的 一方面加强矿浆和药剂充分分散，并且使两者得到 影响.由图5可以看出随着转速的增加，Np逐渐减 有效接触17-18)， 小，在同一叶片大小条件下，NP减小的趋势减小， 搅拌槽内流体所受剪切率的计算式为 说明叶片转速的增大对Np的变化起主导作用.但 iVPy/u (9) 是，随着转速的增加，输入功率P的增幅加大，这 种主导作用越来越弱.在同一转速条件下，叶片直 由此引出搅拌槽内流体所受剪切量的量纲一 径越大，其Np越小，不同叶片对应的Np的差值 的参数Cs.Cs的物理意义为搅拌叶轮旋转一圈槽 随着转速的增加而逐渐减小.由图6可以看出，随 内流体所受到的剪切量，反应不同搅拌机制条件下 着雷诺数的增大，功率准数Np逐渐减小，且减小 搅拌轴旋转一圈所对应的流场剪切能力，即 的趋势变缓.在同一雷诺数条件下，叶片直径对NP Cs=(1/N)VPv/p (10) -d=600mm 由式(10)Cs的计算公式可以看出，其与功率耗 ◆-d=650mm d=700 mm 散量Pv成正比，与转速N成反比.图7为不同叶 片直径下，两段强制搅拌调浆体系中转速对Cs的 影响.由图可以看出，随着转速的增加，Cs逐渐减 小.因为转速增大后，搅拌槽内流体所受剪切率了 增大，剪切率了是与整体功耗有关的参数，但叶片 旋转一圈槽内流体所受的剪切量却减少.结合Cs 的计算公式(10)可知，转速的增大对Cs的减小起 主导作用.随着叶片直径的增加，搅拌调浆的剪切 200220240260280300320340360380 性能增强，Cs减小的趋势趋缓 N/(r-min) 2.1.5单位能耗的循环/剪切比 图5不同叶片直径下转速对功率准数的影响 搅拌消耗的功率主要用于产生槽内的循环流 Fig.5 Effect of impeller speed on the power dimensionless 动和产生剪切作用，两种作用方式所消耗的功率之 number at different impeller diameters

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 条件下叶片尺寸的增大和转速 的增加对单位体积功 率输入的增加非常 明显 , 而对混合时间的减小作用 也较为明显 在搅拌体系设计过程中, 要考虑保证 混合时间的基础上优化槽体的结构设计 , 降低单位 体积的功率输入, 以提高能量分配效率 功率准数 由搅拌功率 的经 验计算 公式可计算功率准数 岭 `,, 即 的影响较小, 大 的叶片直径能获得更大 的雷诺数, 如果实现相 同的湍流环境 , 直径大的叶片的能量消 耗大于直径小 的叶片 峰 尸 ' 才 式中 饰 代表功率准数 代表流体密度 , ·一” 由式 可 以看 出 , 一定 的矿 浆密度条件 下 , 万尸与搅拌轴的转速和叶片直径成反 比, 与输 入功率成正比 功率准数表示输入 的功率消耗于流 体的力, 在搅拌机构参数一定的条件下, 户主要 与槽体 内的湍动状态 。 有关, 。为叶轮雷诺数 , 即 ` ` 声一 一 占一 ` 曰 已 户 户 式 中, 户为动力豁度 , 图 和图 分别显示 了两段强制混合调浆体 系中转速 和雷诺数 。分别对功率准数 肠 的 影 响 由图 可以看 出随着转速 的增加 , 刀户逐渐减 小, 在同一叶片大小条件下, 户减小的趋势减小, 说明叶片转速的增大对 肠 的变化起主导作用 但 是 , 随着转速的增加, 输入功率 尸 的增幅加大, 这 种主导作用越来越弱 在 同一转速条件下, 叶片直 径越大 , 其 刀尸越小, 不同叶片对应 的 八乍 的差值 随着转速的增加而逐渐减小 由图 可 以看 出, 随 着雷诺数的增大 , 功率准数 尸逐渐减小, 且减小 的趋势变缓 在 同一雷诺数条件下, 叶片直径对 刃户 图 不同叶片直径下雷诺数对功率准数 的影响 单位能耗的剪切特性 搅拌调浆作业的剪切作用对煤泥界面浮选 创 造了有利的条件 , 特别是针对难选煤泥 , 高速 的剪 切调浆一方面能暴露微细粒煤泥的疏水性表面 , 另 一方面加强矿浆和药剂充分分散 , 并且使两者得到 有效接触 一` 搅拌槽 内流体所受剪切率 令的计算式为 尝 · 一` 图 不同叶片直径下转速对功率准数的影响 令, 侧下刃、 由此 引出搅拌槽 内流 体所 受剪切量 的量纲一 的参数 的物理意义为搅拌叶轮旋转一圈槽 内流体所受到 的剪切量 , 反应不同搅拌机制条件下 搅拌轴旋转一圈所对应的流场剪切能力 , 即 ` 万训瓦而 由式 的计算公式可 以看 出, 其与功率耗 散量 成正 比, 与转速 成反 比 图 为不同叶 片直径下 , 两段强制搅拌调浆体系中转速对 的 影响 由图可 以看出, 随着转速的增加 , 逐渐减 小 因为转速增大后 , 搅拌槽 内流体所受剪切率 令 增大 , 剪切率 令是与整体功耗有关的参数 , 但叶片 旋转一圈槽 内流体所受的剪切量却减少 结合 的计算公式 可知, 转速的增大对 的减小起 主导作用 随着 叶片直径的增加 , 搅拌调浆 的剪切 性能增强, 减小的趋势趋缓 单位能耗的循环 剪切 比 搅拌消耗 的功率主要用于产 生槽 内的循环 流 动和产生剪切作用, 两种作用方式所消耗 的功率之

第4期 桂夏辉等：两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响 ,427· 比可以反映对应搅拌机制的作用特性.由此引出量 高).由式(7)可得搅拌轴转速为 纲一的排出能力数KQa,其物理意义是单位功耗下 的排出流量，代表的是搅拌机制作用下的循环/剪 N= (12) 切比，能够综合反应搅拌机制的循环和剪切特性4 KQa值越大则单位功耗的排出能力越强，即循环性 由式（⑤）可得混合时间为 能越强，剪切性能越弱，其计算公式为 To Nr N (13) (11) 将式(12)代入式(13)可得 500 T-点=nNaP= -d=600mm 480 ◆-d=650mm NrN克(d/D)(D)号(p/P)3, (14) 460 ±d=700mm 440 即令 420 E=NrNA(d/D)号 (15) 5400 380 结合式（⑤）、式(6)和式(7)， 360 E= 5(2HL/d+D/d)(C/d) P 340 (16) N D5 320 300 200220240260280300320340360380 1.20 N/(r-min-) 。d=6001n1 1.00 图7不同叶片直径下转速对Cs的影响 +d=6501mm +d=700n1 Fig.7 Effect of impeller speed on Cs at different impeller 0.80 diameters 图8为不同叶片直径下转速对排出能力数的 0.60 影响.由图可以看出，随着转速的提高，KQ:值减 0.40 小，即随着搅拌体系随输入功耗的增加，其单位功 耗的排出能力减小，循环性能减弱，剪切性能占优 0.20 势，且叶片的直径越大，KQa值越小且减小的趋势 变缓.由图7得出剪切特性Cs值随着能量输入的增 0.090202402602803003203403603s0 N/(r-min 加逐渐减小，即单位能耗条件下的剪切量减小，结 图8不同叶片直径下转速对排出能力数的影响 合能量输入增加后KQ:的变化，可以得出在叶片 Fig.8 Effect of impeller speed on the discharge capacity num 形式为折叶开启式涡轮PBT的两段强制混合调浆 ber at different impeller diameters 装置内，随着叶片转速的增加，输入搅拌体系的能 图9为不同叶片直径下转速对混合效率E值 量增加，且增加趋势越来越大，单位能耗的矿浆循 的影响.由图可以看出随着转速的提高，E值逐渐 环性能和剪切性能均减小，但剪切性能减小的趋势 减小，大直径叶片的混合效率小于小直径叶片的混 小于循环性能减小的趋势，体现在排出能力数上， 合效率，说明随着直径的增大和转速的提高，两段 则为KQ4值随着转速的提高逐渐减小 搅拌体系的混合效率均有提升，单位功耗条件下获 2.1.6混合效率 得的混合时间变短，但提升幅度趋缓. 搅拌的混合性能主要是通过上述的流量准数、 混合效率E值、叶轮旋转一圈槽内流体所受 功率特性准数、混合时间、剪切特性、循环/剪切比 到的剪切量Cs及排出能力数KQ4均是评价两段强 等综合评价.高效率的混合意味着达到同样的混合 制搅拌特性的参量，虽然其评价的角度不同，但出 水平所需的能耗最低，因此结合混合时间与能耗关 发点均是能量消耗和混合时间，体现在搅拌调浆的 系来考察各搅拌机制下的混合效率，并用E代表 循环能力和剪切能力.在上述的两段调浆体系中， 混合效率，即单位能耗所需的混合时间，E值越小， 随着转速的增加，两段搅拌体系的混合效率得到提 同样功耗条件下获得的混合时间越短，混合效率越 升，但是单位能耗的剪切和循环特性则减少：随着

第 期 桂夏辉等 两段强制搅拌调浆的混合特性及对煤泥浮选的影响 · · 比可以反映对应搅拌机制的作用特性 由此引出量 纲一的排出能力数 。, 其物理意义是单位功耗下 的排出流量 , 代表 的是搅拌机制作用下 的循环 剪 切比, 能够综合反应搅拌机制 的循环和剪切特性 。值越大则单位功耗的排 出能力越强, 即循环性 能越强 , 剪切性 能越弱, 其计算公式为 高巨 由式 可得搅拌轴转速 为 、一嚓 一“· 由式 可得混合时间为 从,一侧劲一劲峪 川 代入式 可得 肠二 二 了 了 丈 声、场洲 告 了、胜, 泞了`、、一任办一月 肠嵘 号列饰洲告 一场 产 号 结合式 、式 和式 , 凡 司 哟 尸 、 万 一 匕` … 口“ 舀月伪臼︸`加 才 , 图 不同叶片直径下转速对 的影响 图 为不同叶片直径下转速对排 出能力数 的 影响 由图可 以看 出, 随着转速 的提高, 。值减 小, 即随着搅拌体系随输入功耗的增加, 其单位功 耗 的排出能力减小 , 循环性能减弱, 剪切性能 占优 势, 且叶片的直径越大 , 鞠 。值越小且减小的趋势 变缓 由图 得出剪切特性 值随着能量输入的增 加逐渐减 小, 即单位能耗条件下的剪切量减小, 结 合能量输入增加后 心 的变化 , 可以得 出在叶片 形式为折 叶开启式涡轮 的两段强制混合调浆 装置 内, 随着叶片转速 的增加 , 输入搅拌体系的能 量增加, 且增加趋势越来越大 , 单位能耗 的矿浆循 环性能和剪切性能均减 小, 但剪切性能减小的趋势 小于循环性 能减小的趋势 , 体现在排 出能力数上 , 则为 值随着转速 的提高逐渐减小 · 混合效率 搅拌的混合性能主要是通过上述 的流量准数 、 功率特性准数 、混合时间 、剪切特性 、循环 剪切 比 等综合评价 高效率 的混合意味着达到同样的混合 水平所需的能耗最低, 因此结合混合时间与能耗关 系来考察各搅拌机制下的混合效率 , 并用 代表 混合效率 , 即单位能耗所需的混合时间, 值越小, 同样功耗条件下获得的混合时间越短, 混合效率越 奢。书。 万 ·, ' 不同叶片直径下转速对排出能力数的影响 图衅旅叶 图 为不同叶片直径下转速对混合效率 值 的影响 由图可以看 出随着转速的提高, 值逐渐 减小, 大直径叶片的混合效率小于小直径叶片的混 合效率 , 说明随着直径的增大和转速 的提高, 两段 搅拌体系的混合效率均有提升 , 单位功耗条件下获 得的混合时间变短 , 但提升幅度趋缓 混合效率 值 、 叶轮旋转一圈槽 内流体所受 到的剪切量 及排 出能力数 。均是评价两段强 制搅拌特性的参量 , 虽然其评价的角度不同, 但 出 发点均是能量消耗和混合时间, 体现在搅拌调浆的 循环能力和剪切能力 在上述的两段调浆体系中, 随着转速的增加, 两段搅拌体系 的混合效率得到提 升 , 但是单位能耗 的剪切和循环特性则减少 随着