浓缩机的基本原理（二）
来源：网络 作者：网络转载 2019-10-14 阅读：602
二、絮凝浓缩 1.絮凝剂的应用 从（2）式可知，选矿产品在沉降浓缩过程中，矿浆的澄清速度和所得浓缩产品的质量，在很大的程度上决定于矿粒的大小。粗颗粒很快沉降，其沉淀物含水也很少；而胶体颗粒因其所受的重力作用,已被表面能和布朗运动所平衡，在矿浆中能长久保持悬浮状态而不沉降。目前因矿石品位变低,各种有用矿物的加工粒度日趋变细，有时小于0.043毫米的粒级含量高达80~90%,其中含有相当数量的小于5~10微米的微细粒。用自然沉降法浓缩这种矿浆时间长，需要的沉降面积也较大。为了强化浓缩（澄清）过程,通常必须加入适量的絮凝剂使分散的细颗粒聚合为较大的凝聚体，加速沉降。 在选矿厂的精矿和尾矿浓缩、水冶生产的逆流洗涤、环境保护和废水回收等部门,越来越多地采用絮凝浓缩技术。 2.絮凝剂的分类 生产中经常使用的凝聚剂和絮凝剂有两种类型：一种是电解质类的凝聚剂,如石灰、硫酸、硫酸铝、氯化铁及硫酸铁等。它们在水中溶解后产生离子,改变分散颗粒的表面电性,减小细颗粒之间的静电排斥力,使细颗粒在机械运动过程中互相碰撞而结合成较大的凝聚体,另一类为天然的或人工合成的高分子有机化合物。如淀粉、糊精、马铃薯渣、明胶、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇等。这类絮凝剂是多糖类高分子化合物,其分子具有长线形并包含大量的羟基官能团,这些分子依靠羟基官能团中的氢形成氢链而吸附在矿粒上。由于这些多糖类分子很大，能够以其中一部分吸附在悬浮液的一个颗粒上，而另一部分吸附在另一颗粒上,这样就把矿粒联系起来成为凝聚体。 人工合成的高分子有机化合物可分为A类絮凝剂和B类絮凝剂两类。分子量介于1~20×106以聚丙烯酰胺为基体的非离子型、阴离子型及阳离子型的高分子有机化合物为A类絮凝剂;B类絮凝剂大部分是分子量较低的（5×105）并且具有较强的阳离子性质的高分子有机化合物。 无论是用无机化合物或天然高分子化合物,它们的种类和凝聚能力总是有限的,而且要消耗大量的农产品,现在已很少应用。目前在矿物加工工业中，A类聚合物特别是非离子型和阴离子型是最常见的絮凝剂。其产品主要呈固体、胶状和悬浮液状。实践证明其絮凝效果较好，当用量在20~50克/米3（矿浆）时，产生的凝聚作用可使浓缩过程的沉降速度提高数倍至数十倍。 非离子型絮凝剂一般广泛用于酸性矿浆;强阴离子型絮凝剂适用于碱性矿浆；中等分子量絮凝剂更适合于矿浆过滤；高分子量的絮凝剂主要用于矿浆沉降。 3.絮凝的基本原理 悬浮液中颗粒的稳定性及其对絮凝作用的灵敏性,与其中悬浮固体的表面电荷、离子吸附性质、悬浮液的pH值、溶解的离子类型和数量等因素有关。选用适当的絮凝剂加入矿浆中,经搅拌后与分散颗粒的表面发生物理化学变化，颗粒在内聚力作用下，彼此相互碰撞并吸附在一起，聚集成较大的絮凝团，重量增加,从而加快沉降速度。 粒子聚集的方式一般有四种可能： （1）双电层的压缩。高浓度可溶盐类如石灰和硫酸钙的离子使颗粒的ξ-电位降低至零,从而导致凝聚作用。 （2）吸附凝聚。三价铁离子或水解物吸附于矿物表面，降低其ξ-电位,从而形成凝聚。过量的三价铁离子能引起相反的变化，并重新使悬浮的细粒处于稳定状态。这类凝聚过程取决于pH值,因为水介质的碱性程度决定水解物的类型和数量。 （3）长链聚合物絮凝剂的架桥絮凝作用。长链聚合物吸附在许多细粒固体物的表面，并把它们连结在一起形成较大的絮团,称为架桥絮凝。聚合物的类型和分子量影响着絮凝团的大小和性质。所选用的絮凝剂需适应细粒物料表面电性的要求。 （4）分子量相对低的强阳离子型合成凝聚剂的作用。这类聚合物在凝聚过程中主要起电性中和作用。 絮团的形状和密度与各分散颗粒的初始性质关系不大,主要取决于絮凝剂对颗粒的吸附和分散程度。絮团的沉降速度却取决于絮团的大小和絮凝程度。目前还很难用数学方法来准确计算絮团的沉降速度,只能通过试验方法和经验来确定。絮凝沉降效果的好坏则取决于絮凝剂的选择和使用。[next] 料浆中固体颗粒大小和含量在一定程度上影响澄清方式的选择和絮凝剂的用量。颗粒周围的双电层引起ξ-电位的升高，粒子晶格大小或颗粒表面吸附离子的情况则主要影响电荷密度和絮凝剂的选型。水溶液的性质对絮凝剂的选择有着决定性的影响。 4.影响絮凝的因素 （1）絮凝剂分子量的影响 一般是较高分子量的絮凝剂能形成较大的絮凝物，然而，在某些情况下也不一定如此。图2表示在浓缩操作中絮凝剂分子量对自由沉降速度的影响。加入中等用量的高分子絮凝剂（一般大于0.01公斤/吨）可产生较快的沉积作用；而中等分子量的絮凝剂在用量小于0.01公斤/吨时也能产生较快的沉降；在絮凝剂用量为中等和较高的情况下，自由沉降速度随分子量增高而增加。有许多因素影响浓缩溢流的清晰度。絮凝浓度为10%的CaCO3浆体时，絮凝剂分子量对上层溢流清晰度的影响列于表1。在该表中分子量低于或等于9×106的絮凝剂,其捕集悬浮细粒的能力是很差的。当使用分子量很高的絮凝剂（大于14×106）在用量为0.15公斤/吨时,可得到最小浊度的溢流。在用量过大的情况下（见表1中用量为0.2公斤/吨的数据）细粒有重新稳定的现象。其原因是矿浆沉降太快，矿浆层对悬浮而未被捕集的粒子或微小絮凝物不起“过滤”作用,大量的絮凝剂会使得许多单个悬浮细粒间的架桥作用无法产生。在沉降速度一定，所形成的絮凝物的大小差不多的情况下,大用量的分子量较小的絮凝剂比小用量分子量较大的好。中等分子量（11×106）的絮凝剂用于上述浆体的澄清效果最好。值得注意的是，分子量最高的絮凝剂在用量较低（0.05公斤/吨）时，表现出了较好的能力。
图2 絮凝剂分子量对自由沉降速度的影响
表1 絮凝剂分子量对溢流液青晰度的影响
| 絮凝剂的平均分子量 | 絮凝剂用量，kg/t |
| 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 |
| 上层溢流浊度，浊度单位 |
| 20×10616×10614×10611×1069×1068×1066×106 | 440①750650880540600820 | 270600680700670640460 | 180180①140①125310320320 | 240200250110①210300300 |
注：处理CaCO3浆体，浓度为10%、PH=9，细粒直径平均为2.9µm，使用非离子型絮凝剂。 ①约等于20m/h的沉降速度。 表2示出了浓缩机底流浓度与絮凝剂分子阳的关系。[next] 表2 絮凝剂分子量对底流浓度的影响
| 絮凝剂的平均分子量 | 用量，kg/t | 自由沉降速度，m/h | 底流浓度，kg/m3 |
| 沉降1h | 沉降7h |
| 20×10617×10615×10611×1069×106 | 0.020.020.020.020.02 | 4.53.53.12.82.5 | 553556554532520 | 623658670661670 |
对于一些矿浆停留时间短的浓缩机来说,使用分子量高的絮凝剂能得到较高的底流浓度。然而对于停留时间长的，用分子量较低的也可以得到较高的底流浓度。因此,当为了获得所要求的底流浓度而选择分子量最适宜的絮凝剂时，固体在浓缩机的停留时间是重要的。 （2）絮凝剂离子的电荷类型和电荷类型和电荷密度的影响 在大多数矿浆的絮凝操作,都采用阴离子及非离子型架桥絮凝剂。对于高酸浆体以及那些含有大量可溶电解质的浆体来说，用阴离子絮凝剂一般是一适宜的，而常用非离子型絮凝剂。对于条件要求不严格的操作,如片理浮选尾矿等,阴离子絮凝剂的应用占优势。实际上最适合的阴离子电荷密度取决于pH值和能控制细粒表面电荷及ξ-电位的溶解盐的类型 ，也取决于絮凝剂的构型。 图3表示了在确定阴离子絮凝剂与作用物之间的相互作用时pH值的重要性。图3(a)中pH值低,由于表面斥力小，聚合物主要以卷曲状吸附。低的ξ-电位促进细粒接近,并形成结实的发絮凝物。图3（c）的pH值更高,强的表面电荷使细粒与聚合物间相斥,呈大环形和尾状物,并在溶液中伸张得很大,形成大而松散的絮凝物。表3列出的是在不同pH值下，高岭土分批沉降试验的结果。结果表明：图3 在高岭土/水界面上pH值对阴离子絮凝剂构型的影响a—pH=4；B—pH=7；c—pH=9a虚线表示聚合物伸张高度 ①由于pH值升高，负的表面电荷和ξ-电位增高，强阴离子聚合物的吸附变得更加困难，悬浮固体的量增多。 ②在pH值和ξ-电位都较低的情况下，阴离子聚合物呈卷曲状态，能很牢固地吸附在一起，起到了有效的架桥作用。 三、离心浓缩 离心浓缩是利用离心力的作用来加快且慢浮液中微细颗粒与液体的分离速度,缩短固液分离过程的一种浓缩方法。当离心机回转时，机内的矿粒所受的离心力大小可用下列公式计算：表3 高岭土分批沉降试验结果（初始浓度=0.05g/L，絮凝剂用量=0.1kg/t）
| pH值 | 沉降状况 | 阴离子含量，% |
| 0 | 5 | 15 | 20 | 30 |
| 4.35 | 初始的沉降速度，cm/min底部产品浓度，g/L悬浮固体，mg/L | 0.1168.440 | 0.1170.833 | 0.9170.850 | 3.0172.250 | 4.2171.9132 |
| 7.00 | 初始的沉降速度，cm/min底部产品浓度，g/L悬浮固体，mg/L | 0.1178.34050 | 1.2191.9765 | 3.0181.3610 | 5.5171.9500 | 3.1171.9940 |
| 9.00 | 初始的沉降速度，cm/min底部产品浓度，g/L悬浮固体，mg/L | 0.2239.15850 | 8.0268.81840 | 24.0300.82085 | 24.4305.62650 | 21.0330.03680 |
[next]
mv2 Gv2 P=---------×10-5=------×10-5 r gr(4) 式中 P—离心力，N； m—矿粒的质量，g； G—矿粒的有效重量（即矿粒在空气中的重量减去同体积的水量），g； r—回转半径，cm； v—回转圆周速度，cm/s；2лrnv=--------60(4a) n—转速，r/min； g—重力加速度，cm/s2。 将u以转速n表示可得： G 2лrn 2 Grn2 P=---(---------)×10-5≈-----------×10-5 gr 60 9×105(5) 上式表明，对于一定重量的矿粒,离心力随回转半径和转数的增加而增大。但增加转数比增大回转半径更易增大离心力。 在离心浓缩脱水操作中，常用离心加速度与重力加速度的比值来表示设备的工作特性,并称其为离心分离因数K,其值等于： v2 rn2K=----=----- gr 900(6) 分离因数愈大，则离心力的作用愈强，矿粒愈易沉淀，从式（4）可知，增加矿粒在机内的回转速度或增加其回转半径可以提高分离效果。 在离心沉降过程中，离心加速度随着矿粒的回转半径而改变，因此矿粒的沉淀速度也是个变数。此外,矿粒的离心力线互不平行，因此各个矿粒所受离心力作用的主向也不相同,所以一般的重力沉降规律不完全适于离心沉降。 目前在选矿方面用得较广泛的离心脱水设备是螺旋卸料卧式沉淀离心机和不力旋流器。立式离心脱水机在选煤厂用得较多。 四、重力沉降试验及浓缩面积计算 沉降试验的目的在于测定矿浆中固体物料沉降特性。影响物料沉降性能的因素主要有矿浆性质,如物料的粒度组成、固体密度、造浆液体的密度等、矿浆中的泡沫、药剂和电解质的性质；操作因素,如给矿和排矿浓度、给矿量及其波动范围、矿浆温度、用否凝聚剂等。通过对有代表性的矿浆的沉降试验,找出诸因素相互制约的关系，是选择和设计浓缩机的重要依据。利用沉降试验,通过适当的计算可直接或间接地获得设计浓缩机的原始资料,如矿浆沉降时间、单位沉降计算面积和可能的底流浓度。利用经验和半工业性试验来设计浓缩机是比较简便的。但是，由于时间和财力的限制以及有代表性矿样较难准备等原因,间断沉降试验常常成为一种简易可行的方法。 沉降试验一般在2000毫升的量筒中进行，其测试的方法有多种，但所测试的内容基本相同,最终都应绘制出料浆的沉降曲线，如图4所示。为便于选用不同的主法确定0料浆沉降速度,沉降试验一般应提供下列数据： （1）矿浆度样重量，克； （2）干固体重，克；[next] （3）固体密度，克/厘米3； （4）液体密度，克/厘米3； （5）矿浆的体积浓度，克/升；重量浓度，%； （6）矿浆的温度，℃； （7）矿浆沉降的最终体积，升和高度，毫米； （8）澄清液的浓度和密度； （9）在24小时的沉降过程中，不同的沉降时间所对应的沉降界面高度，毫米。必要时尚须提供不同的沉降时间t对应的澄清液浓度，毫克/升和沉砂的重量浓度，%的关系曲线，如图4（d）所示。 根据沉降试验，计算单位沉降面积的方法主要有三种： （1）当沉降界面清晰，沉降曲线没有明显的临界压缩点，或要求的底流浓度低于临界状态下的矿浆浓度时,宜采用图解法。即将沉降试验所得到的H—t沉降曲线由两条直线近似的代替，如图4（a）所示。其沉降曲线用折线H0KL代替,则H0K为自由沉降过程线KL为压缩过程线,K为临界点。按下式可求出粒子群的沉降速度： H0-Hkvp=------ tk-t0(7) 式中 vp—矿浆浓度为P时的粒子群的沉降速度，m/h H0—量筒中矿浆面起始高度，m； HK—临界点的高渡，m； tK—由沉降开始时刻到临界点经历的时间，h； t0—开始沉降的时刻，h。 由up值可计算处理每吨固体所需的沉降面积，即单位浓缩面积，用（8）式计算： K 1 1 ap=----(-- - --) vp c1 c2(8) 式中 ap—矿浆浓度为P时，处理一吨固体物料所需的沉降面积,m2/t.h对应于不同的vp可以得到不同的ap,在计算浓缩机面积时应选用最大值amax； K—较正系数，一般采用,1.05～1.20。当试验的代表性较好、准确性高、给料量及性质稳定和设计的浓缩机直径较大时取小值； c1—试验矿浆的单位体积的固体含量，t/m3； c2—设计的浓缩机底流单位体积的固体储量，t/m3； 根据试验资料并参考类似厂矿的生产资料确定。 （2）沉降界面清晰,沉降曲线圆滑而无临界压缩点时,沉降试验及数据处理宜用切线法，如图4(b)和(c)所示。 在沉降试验所得到的t—H曲线上选取几个点Ai(ti、Hi)分别作曲线的切线，交纵轴于Bi诸点,按（9）式计算沉清界面高度在各Bi点以下的矿浆的平均单位积固体含量：cp,0H0cp,i=--------,t/m3Bi(9) 式中 i—选点的次别； Cp,i—澄清界面沉降到Bi时，Bi以下矿浆的平均单位体积的固体含量，t/m3； H0—量筒内矿浆面的高度，m；[next] Bi—切线在纵坐标上的交点高度，m。图4 静止沉降曲线示意图 按（10）式计算各次试验的沉降曲线上所选各点的沉降速度： Bij-Hijvij=--------- tij(10)vmin=Min(vil,vi2,……vin)(11) 式中 j—试验的次别； vij—沉降曲线上所选各点的沉降速度，m/h； Hi—曲线上所选各点的高度，m； ti—上述各点的沉降时间，h。 按下式求出所需最大单位浓缩面积： 1 1 1 amax=----(-- - --) vmin pij Cp(12) 式中 amax—所需浓缩机的最大单位浓缩面积，m2/(t.h-1)； vmin—各次试验的沉降曲线上所选各点的沉降速度中之最小值。m/h； Cpij—试验矿浆的沉清界面降到Bij时，Bij以下矿浆的平均单位体积的固体含量，t/m3； Cp—初始矿浆单位体积的固体含量，t/m3。 （3）沉降界面不清，作不出沉降曲线时（例如浆不易沉清,而又不允许往其中添加絮凝剂）,沉降速度测定及计算可按下述步骤进行。 选取若干个容量为2000毫升的量筒液面下某固定高度h的液体，按（13）式计算其沉降速度vi，并分别测得其悬浮物含量ci，绘制vi—ci曲线，根据该曲线，按设计要求的溢流水质c确定其沉降速度：h v=---,m/hti(13) 式中 h—沉降高度，m； ti—达到设计要求的溢流水质所需沉降时间，h。 需要的浓缩面积为：QA=K--,m2v(14) 式中 Q—设计的溢流量，m3/h； K—安全系数，按选用的浓缩机大小取K=1.1～1.2。
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