机械化煤炭开采使得原煤中细粒含量逐渐增大,目前针对细粒煤的分选首选为浮选。常用的浮选设备主要有机械搅拌式浮选机、喷射式浮选机和浮选柱等。然而,以上三种浮选机在矿浆浓度适应性、浮选效率和处理量等方面很难同时达到最优效果。根据流体的性质及浮选机的工作特点知,对浮选影响较大的流体特征是:喷射、涡流和搅拌,因此若能将三者有机的结合起来,研究兼备喷射、涡流、搅拌的三相流体力学机理,则对浮选流场的优化、微泡的生成以及提高细粒矿物分选效率都具有重要意义。基于此,本文提出基于矿浆驱动的自吸气浮选装置,在对其进行结构设计及流体力学分析的基础上,以理论结合试验的方法,探索了其能量转换及微泡形成机理并进行分选实验。主要结论如下:1.论文首先在制作浮选装置模型的基础上,阐述了浮选装置的工作原理及工作特点。以流体力学理论为基础,对喷射流冲击叶轮旋转的驱动和搅拌机理进行了理论分析,得出了喷射流对叶轮的冲击力及搅拌轴轴功率与叶轮转速的关系。同时对浮选装置的吸气机理进行了理论分析及试验研究,结果表明:在浅液位时,搅拌轮在较低转速时能迅速排开矿浆进而形成低压区并吸入空气;深液位时,叶轮转速需要达到较高转速才能使内直形筒内的液位下降至搅拌轮区域,从而排开矿浆吸入空气;射流吸气量随喷射流量的增加呈线性增加,搅拌吸气量随叶轮转速的增加呈二次函数关系递增。受装置内部压力及矿浆粘滞阻力的影响,搅拌吸气量随液位的升高而迅速减小,射流吸气量随液位的升高而增大,总吸气量随液位的升高而减小;但由于存在射流吸气和搅拌吸气,浅液位时,射流吸气和搅拌吸气共同影响吸气效果,而深液位时搅拌吸气作用不明显,主要吸气作用为射流吸气。尽管浮选装置的叶轮转速较低,但在最深液位和最大叶轮转速条件下,仍能获得较理想的吸气量,最大吸气量约为4.31 L/min。2.研究了浮选装置的能量转换机理。建立能量转换试验系统,以电机驱动作为能量转换研究的辅助驱动方式,理论分析了搅拌轴功率与叶轮转速的关系,同时,确立了叶轮转速与循环泵流量及扬程的理论关系,为叶轮获得理想转速提供依据。通过试验研究了浮选装置的能量转换效率,结果表明:对于不同形状的叶轮,叶轮旋转时的迎流面投影面积越大,能量转换效率“越高”,即搅拌轮消耗的射流能量越大;叶轮转速随喷射流量的增加呈线性增加,随循环泵扬程的增大,叶轮转速呈幂函数关系递增;受矿浆粘滞阻力的作用,射流驱动时的搅拌轴功率较大,能量转换效率越低,即叶轮需获得较大冲击动能才能获得较大的叶轮转速;同时,通过能量转换的研究,验证了浮选装置的搅拌机理。3.建立了叶轮搅拌破碎气泡系统及气泡尺寸收集和测量系统。理论分析了气泡表面的化学特性,得出,气泡直径的变化与气泡表面张力有关,表面张力越小,气泡越易破裂成直径较小的气泡;表面活性剂能够改变气泡的表面性质,是决定生成气泡大小的关键因素。基于高速摄像系统,研究的叶轮搅拌气泡破碎机理及气泡尺寸分布规律。结果表明:叶轮搅拌破碎气泡的主要方式为叶轮旋转形成的湍流漩涡对气泡的剪切破碎作用以及叶轮叶片对气泡的直接机械力破碎作用,湍流漩涡改变气泡表面的表面自由能,使气泡在叶轮区域运动的过程中,产生严重的拉伸变形,直至破裂,而叶片机械力破碎使气泡迅速破裂生成小气泡;起泡剂的加入改变了气泡的表面性质,阻止了气泡的相互兼并过程;随起泡剂浓度的增加,气泡直径减小,气泡尺寸分布更加均匀,达到临界兼并浓度时,气泡直径不再随起泡剂浓度的增加而减小;气泡直径随吸气量的增加而增大,随叶轮转速的增加先减小后增大,在受吸气量与转速共同影响过程中,吸气量与叶轮转速存在临界交点,即n=610r/min,q=4.08L/min,且交点处的气泡最小平均直径约为0.45 mm;受静水压强的影响,气泡直径随液位的升高而减小。自吸气浮选装置产生的气泡受多种因素的共同影响。4.构建了浮选装置矿物分选试验系统。通过试验验证了浮选装置对矿物颗粒的预处理作用,并与实验室单槽浮选机的分选结果进行对比分析,表征浮选装置的浮选矿化效果。试验结果表明:浮选装置的混合室对矿物颗粒具有一定的预处理作用;矿物颗粒在混合室内预处理后,药剂在矿物颗粒表面的吸附量随药剂用量的增加而增加,达到药剂的饱和吸附时,吸附量不再随药剂用量的增加而增大;同时,药剂在矿物表面的吸附量随叶轮转速的增加而增大,说明叶轮旋转对药剂具有一定的分散作用,促进药剂在矿物颗粒的表面吸附;预处理分选试验表明,矿浆预处理后,精矿产率提高2.66%。浮选装置的分选试验表明,在相同的浮选条件下,浮选装置能够获得较高的精矿产率、较低的尾矿产率和较高的尾矿灰分,精矿产率提高8.66%;尽管精矿灰分高于实验室单槽浮选机,但精矿灰分仍小于10%,即可以获得低灰分精矿;同时,浮选装置的可燃体回收率和浮选效率随叶轮转速的增加而增大,且均高于实验室单槽浮选机,分别提高了 8.38%和6.24%。图[95]表[25]参[194]