浮选柱气含率影响因素及其回归模型研究_W

1、 第39 卷第3 期煤 炭 科 学 技 术 Coal Science and TechnologyVol. 39 No. 32011 年3 月March2011煤炭加工与环保 浮选柱气含率影响因素及其回归模型研究廖寅飞，桂夏辉，刘炯天，陶秀祥 ( 中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)摘要: 采用压差法测定了旋流 静态微泡浮选柱内部的气含率，分别通过单因素和正交试验研究了循环压力、进气量和起泡剂浓度 3 个因素对气含率的影响。在此基础上采用多元回归分析方法建立了试验条件下气含率与 3 个因素之间的回归模型。结果表明: 气含率随进气量和起泡剂浓度的增大而增大; 进气量不固定时，气含率

2、随循环压力的增加而增大; 进气量固定时，随循环压力的增加而逐渐减小。3 个因素对气含率的影响从小到大依次为循环压力、进气量、起泡剂浓度。回归模型计算值与实测值之间误差较小，其达到了较高的计算精度。 关键词: 浮选柱; 气含率; 循环压力; 进气量; 起泡剂浓度; 回归模型 中图分类号:文献标志码:文章编号:TD923A0253 2336 ( 2011) 03 0108 04Study on Factors Affected to Air Content Ratio of Floatation Column and Regression ModelLIAO Yin-fei，GUI Xia-hui

3、，LIU Jiong-tian，TAO Xiu-xiang ( School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China) Abstract: The pressure difference method was applied to measure the air content ratio of the vortex static minute bubble floatation col- umn The single factor

4、and the orthogonal test was applied individually to study the circulated pressure，the air intake quantity and the frother density factors affected to the air content ratio Based on the circumstance，the multi elements regression analysis method was ap- plied to establish the regression model between

5、the air content ratio and the three factors under the test conditions The results showed that the air content ratio would be increased with the air intake quantity and frother density increased When the air intake quantity was not fixed，the air content ratio would be increased with the circulated pr

6、essure increased When the air intake quantity was fixed，the air con- tent ratio would be reduced with the circulated pressure increased The effect of the three factors to the air content ratio would be from large to small in sequence individually as the circulated pressure，air intake quantity and fr

7、other density The error between the model cal- culation and the site measured value would be small and these values reached at a high accuracy Key words: flotation column; air content ratio; circulated pressure; air intake quantity; frother density; regression model 大小直接影响浮选设备的分选效率3。笔者通过 对旋流 静态微泡柱内气

8、含率的测定，研究了循环压力、进气量和起泡剂浓度对气含率的影响规律， 得到了试验条件下气含率的回归模型，以期为旋 流 静态微泡浮选柱的深入研究提供理论指导。 浮选柱由加拿大人布廷于 20 世纪 60 年代发明。近年来， 浮选柱作为一种新型高效的选矿设备，在煤炭、有色及黑色金属矿物、非金属及化工矿物分选领域的应用不断扩展。在众多类型的浮选柱中，我国的旋流 静态微泡浮选柱分选设备拥有自主知识产权，其在产业化方面也取得了很大的进展，并在国内得到了广泛应用1 2。气含率是指一定容器内气体占有空间体积的百分含量。在浮选柱中，气体是主要考察因素，是物质载体，气含率的 1影响浮选柱气含率的因素 旋流 静态微泡

9、浮选柱的基本分选原理如图 1 所示，主体结构包括柱浮选段、旋流分选段、气泡发生与管流矿化段 ( 或总称管流矿化段) 3 部分1，4。整个浮选柱为一柱体，柱浮选段位于整个 柱体上部，用于入料的预浮选，并借助其选择性优 基金项目: 国家高技术研究发展计划 ( 863 计划) 资助项目( 2007AA05Z339) 108 廖寅飞等: 浮选柱气含率影响因素及其回归模型研究 2011 年第 3 期势得到高质量精矿。旋流分选采用柱 锥相连的旋流器结构，其位于柱体的下部，主要作用是利用其 中存在的高能离心力场强化对柱浮选中矿物的回 收，并得到最终的合格尾矿。管流矿化段单独布置 在柱体外部，由气泡发生器与浮

10、选管段 2 部分组成，它除了完成引射气体并使气泡粉碎成微泡外， 还使气泡与矿物颗粒在高度紊流的矿浆环境与狭小 通道中发生碰撞与矿化，然后仍以较高能量状态沿 切线再次进入旋流分选段，形成强化分选机制。 15 号为压差变送器 图 2 试验装置率6 8。为便于推导及计算，假设仅考虑液相的静压，忽略动压，并忽略气体所产生的压强。在图 3 中，A、B、C、D、E 是压差变送器的 5 个接口， B、C、D是压力变送器的接口。为方便推导气含 率的计算公式，取 BD 段为测量对象进行推导。 图 1 旋流 静态微泡浮选柱分选原理 浮选柱内的气含率直接决定了气泡荷载上浮矿 物的数量，是影响浮选柱回收能力和分选效果

11、的重 要参数之一3，5。从旋流 静态微泡浮选柱的工作原理及结构中可以看出，影响浮选柱气含率的因素 主要包括操作因素、浮选柱结构参数和流体本身的 性质。操作因素直接反映的是气 液两相各自的表观流速 ( 气体表观流速与进气量、充气速率等有着直接的关系，液体表观流速与循环量及循环压力 等有关) ; 浮选柱的结构参数主要包括气泡发生器的结构参数 ( 与循环量及循环压力等有关) 、浮选柱直径与高度的比值、筛板开孔率、筛孔直径、筛 板数; 流体本身性质包括气 液两相各自的密度、表面张力 ( 与浮选药剂浓度等有关) 与黏度等。这里选取循环压力、进气量、起泡剂浓度作为影响 气含率的主控因素进行试验研究。 图

12、3 气含率测试示意假设在没有充气的情况下，B、D 两点之间的 压差 P 为 P = gh( 1)s式中: 为矿浆的密度; g 为重力加速度; h 为 B、 sD 两点之间的高度。 当浮选柱中充气时，BD 段的部分空间被空气所占，矿浆所占的体积减少。假设矿浆所占的体积转化为以浮选柱横截面为底面的液柱，设该液柱的高度为h1 ，气体所占空间的高度为h2 。由于BD 段的体积是一定的，因此在相同底面积的情况下: 2试验装置及方法 试验装置 试验装置如图 2 所示。在浮选段设计了 5 个压2. 1h + h = h ( 2)12差变送器的接口，每个接口之间相隔 200 mm。压差变送器的输出信号为 4

13、20 mA 的电流信号。该信号经控制柜PID 接收和计算机MCGS 组态软件计 算后，由显示器以数字的形式显示气含率的大小。 此时 B、D 两点之间的压差 P 为1P = gh + gh ( 3)1s 1a 2式中， 为空气的密度。 a由于空气密度相对于水的密度小，其产生的压强可以忽略不计。此时 B、D 之间的压差可表示为 2. 2气含率的测定方法 试验采用压差法测量浮选柱内部的气含 109 2011 年第 3 期煤 炭 科 学 技 术第 39 卷P1 =气含率 y 可表示为 s gh1( 4)sh2h2h h1h1 hy = sh = h = 1 ( 5)h式中，s 为浮选柱横截面积。 (

14、1)( 4)由式和式可得h1 P1 P P1 h =( 6)图 5 进气量固定时循环压力与气含率的关系进气量与气含率的关系 进气量是影响气含率的一个主要因素。进气量 ghs3. 2由式( 5)和式 ( 6)得气含率的表达式为 y = 1 P1 / ( s gh)( 7)的大小从一定程度上决定了浮选柱中气含率的大 小。进气量与气含率的关系曲线如图 6 所示。 3试验结果与分析3. 1 循环压力与气含率的关系 由于旋流 静态微泡浮选柱充气方法采用射流充气方式，循环压力和进气量有着密切的关系。所以，试验时考虑进气量不固定与固定 2 种情况，研究循环压力与气含率的关系。进气量不固定的情况 下，循环压力

15、与气含率的关系如图 4 所示。由图 4 可知，随着循环压力的增加，进气量随之变大，气 含率逐渐增大。当循环压力小时，循环量小，故进 气量较小，且矿浆对气流的剪切作用小，因此进入 浮选柱的气泡数量相对较少，且以大气泡为主，气 含率小。随着循环压力逐渐增大，矿浆对气体的剪 切增强，进入浮选柱的气泡直径变小，数量变多， 小气泡运动速度相对较慢，气含率变大。 图 6 进气量与气含率的关系由图 6 可以看出，气含率随进气量增大而增大。当进气量大于 0. 8 m3 / h 时，气含率增大趋势变缓。试验中，随着进气量的增大，浮选柱内气泡数量逐渐增多。在进气量较小时，气泡数量少，气泡直径小，气泡上升速度慢。随

16、着进气量增大，浮选柱内的气泡数量增多，气泡直径变大，气含率逐渐增大。但在进气量增大的同时，气泡上升速度变快，在测量区停留时间变短，因此气含率上升的趋势逐渐变缓。 3. 3起泡剂浓度与气含率的关系 由于起泡剂的添加，气泡直径变小，产生气泡 的数量增多，气含率随着起泡剂浓度增大而增大。 正丁醇、正戊醇、松醇油和仲辛醇药剂用量和气含 率的关系如图 7 所示。在试验中， 进气量 0. 8m3 / h、循环压力 0. 2 MPa 保持不变，所用介质为清图 4 进气量不固定时循环压力与进气量及气含率关系在进气量固定的情况下，循环压力与气含率的关系如图 5 所示。由图 5 可知，随着循环压力的增大，气含率逐

17、渐减小，但是减小趋势由急变缓。进气量保持不变， 故在测量区气体的流通量是不变的。当循环压力较小时，循环量小，此时柱体内水流速度慢。水中气泡上升速度慢，单位时间内停留在测量区的气泡数量多，气含率大。但是，当循环压力增大时，柱体内气泡上升速度加快，单位时间内停留在测量区的气泡数量少，导致气含率下降。 110 图 7 起泡剂用量与气含率关系 廖寅飞等: 浮选柱气含率影响因素及其回归模型研究 2011 年第 3 期水。由图 7 可知，随着起泡剂质量浓度的增大，气含率逐渐增大，但幅度不相同，其中仲辛醇对气含 率变化的影响最明显。 对气含率的作用从小到大依次为循环压力、进气量、起泡剂浓度。 在多元回归分析

18、中，常用决定系数和复相关系 数来检验回归方程的拟合程度。决定系数 R2 和复相关系数 R 的取值在 0，1 内，R2 和 R 越接近1， 表明回归拟合的效果越好;R2 和 R 越接近 0， 表明回归拟合的效果越差。在上述回归模型中，决 定系数 R2 = 0. 951，复相关系数 R = 0. 975，表明上3. 4多元回归分析在前面单因素试验的基础上，进行了三因素三 水平的正交试验，结果见表 1。 表 1 浮选柱气含率的正交试验结果进气量/ ( m3 h 1 )循环压 力/ MPa起泡剂质量浓度/( mgL 1 ) 述回归模型拟合程度较好。气含率实测值和回 归模型计算值的关系如图 8 所示。从

19、图 8 中可以看出，2 条曲线基本一致，说明该回归模型的计算精度较高。 10气含率/ %序号1234567890. 1500. 1500. 1500. 1750. 1750. 1750. 2000. 2000. 2000. 40. 60. 80. 40. 60. 80. 40. 60. 82464626249. 9917. 7824. 1713. 4720. 6814. 9315. 2813. 6917. 45为进一步探讨 3 个影响因素与气含率之间的关系。根据上述试验结果，确定气含率 y 为因变量， 循环压力 x1 、进气量 x2 、起泡剂浓度 x3 为自变量，各因素之间的关系可表示为 图

20、8 气含率实测值与模型计算值的关系4结 论1) 采用压差法来测定浮选柱内部的气含率， 通过试验得到了循环压力、进气量和起泡剂浓度对气含率变化的影响规律: 气含率随着进气量和起泡剂浓度增大而增大; 进气量不固定时，随着循环压力的增加而增大; 进气量固定时，随着循环压力的增加而逐渐减小。3 个影响因素对气含率的作用从 小到大依次为循环压力、进气量、起泡剂浓度。 2) 以循环压力x1 、进气量x2 和起泡剂浓度x3 为自变量，以气含率 y 为因变量，使用多元回归方法建立试验条件下气含率的回归模型 y = 6. 744 36. 800x1 + 14. 842x2 + 1. 793x3 。模型计算值与实

21、测 值比较吻合，说明了该模型的合理性和可靠性。 ( 8)y = b + b x + b x + b x 01 12 23 3其中: b为截距;为回归系数。运用 b b013SPSS 统计软件对上述相关参数进行回归分析，得 到如下回归模 型9 10: 14. 842x2 + 1. 793x3。 由于自变量具有不同的计量单位，因而模型中 各个回归系数的单位也不同，所以回归系数不能直 接用于比较各个自变量对于因变量的作用大小10。为了比较各个自变量对因变量的作用大小，必须将 回归系数 b 标准化，转换成没有单位的标准回归系数b* ，结果见表 2。 表 2 回归系数与标准回归系数转化结果y = 6.

22、744 36. 800x +1 参考文献:1刘 杰，吕鑫磊，安小强，等 . 粉煤灰脱碳的浮选试验研究 J 选煤技术，2009 ( 2) : 10 13 吴 彬，周长春，安小强，等 . 利用旋流 静态微泡浮选柱选铝土矿的试验室研究 J 轻金属，2009 ( 9) : 6 9 李延峰，张 敏，刘炯天 . 浮选柱筛板充填的气含率研究 23标准回归系数 b* 绝对值的大小代表着自变量对因变量影响的大小。由表 2 可知，3 个影响因素J中国矿业大学学报，2008，37 ( 2) : 255 258 ( 下转第 124 页)111 系数数值 系数数值 b06. 744 b1 36. 800 b214. 8

23、42 b31. 793 b* 0 b* 0. 189 1 b*0. 610 2 b*0. 732 3 2011 年第 3 期煤 炭 科 学 技 术第 39 卷treatment with Carbonic Acid on “HyperCoal ” ( Ash Free Coal) Production from Low Rank Coals J Energy Fuels， 2005，19 ( 5) : 2021 2025 ZONG Z M，PENG Y L，QIN Z H，et al Reaction of N methyl 2 prrrolidinone with Carbon Disulf

24、ide J Energy Fuels，2000，14 ( 3) : 734 735 Yoshida T，LI C Q，Takanohashi T，et al. Effect of Extraction Condition on “HyperCoal ” Production ( 2 ) Effect of Polar Solvents Under Hot Filtration J Fuel Processing Technology， 2004，86: 61 72 Opaprakasit P，Scaroni A W，Painter P C. Ionomer Like ( 上接第 111 页)刘

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26、 823 267李延峰，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，2008，37 ( 2) : 255 258 李延峰，张 敏，刘炯天. 浮选柱充填方式及其优化 J 煤炭学报，2008，33 ( 4) : 431 434李贵红，张 泓，崔永君，等 . 基于多元逐步回归分析的煤储层含气量预测模型 J 煤田地质与勘探，2005，33 ( 3) : 22 25 吴观茂，吴文金，黄 明，等 . 影响煤层瓦斯赋存规律的 多地质因素回归分析研究 J 煤炭工程，2007 ( 11 ) : 79 82 Structures and Cation Interactions in Ar

27、gonne Premium Coals J Energy Fuels，2002，16: 543 551 LI C Q，Takanohashi T，Yoshida T，et al. Effect of Acid Treat- 827ment on Thermal Extraction Yield in Ashless Coal Production J Fuel，2004，83: 727 732 Masaki K，Yoshida T，LI C Q，et al. The Effects of Pretreat- 928ment and the Addition of Polar Compounds

28、 on the Production of “HyperCoal”from Subbituminous Coals J Energy Fuels， 2004，18 ( 4) : 995 1000 10作者简介: 樊丽华 ( 1971) ，女，满族，河北宽城人，副教授，博士，主要从事煤化工及资源综合利用方面的研究。联系人:梁英华， 教授， Tel: 0315 2592014， E mail: liangyh64 ya- hoo. com. cn 作者简介: 廖寅飞 ( 1986) ，男， 江西赣州人，博士研究生，主要 研 究 方 向 为 柱 式 分 选 理 论 与 选 矿 过 程 设 计。 TelE mail: ruiyin 126. com 收稿日期: 2010 10 20; 责任编辑: 代艳玲 收稿日期: 2010 10 20; 责任编辑: 代艳玲 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 ( 上接第 115 页) 量为 10% 时，其形变趋势与原 B 煤相反。 3) 硅铝比不同的灰柱在烧结初期产生的液相量差别较大，引起高温灰柱内气体残余量的不同， 是导致高温下不同硅铝比灰柱收缩和膨胀差异的