浮选柱发展历程及其在磷矿浮选中的应用现状*

2021-11-22刘润哲刘丽芬彭丽群邓桂菊

化工矿物与加工 2021年11期

刘润哲，吕兰，刘丽芬,2，李宁，彭丽群,2，邓桂菊

(1.云南磷化集团有限公司，云南昆明 650600；2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南昆明 650600)

0 引言

磷矿是我国战略性资源，在农业应用领域既不可替代，也不可循环[1-2]。我国磷矿资源储量居世界第二位，探明储量中接近85%为中低品位胶磷矿[2]。P2O5品位大于30%的磷矿称为富矿，我国目前磷矿富矿储量濒临枯竭，仅开阳磷矿还有一定量的产出[3]。我国磷矿石的P2O5平均品位低于17%，50%左右的磷矿资源P2O5品位低于18%[4]。对于储量较大的中低品位磷矿主要通过浮选将其P2O5品位提高至28%以上、MgO质量分数降至1.0%以下，才可进入肥料用湿法磷酸生产作业[5]。我国中低品位磷矿石由于脉石矿物种类多、含量高，伴生矿物复杂、嵌布粒度细，所以分选该类型胶磷矿需要较高的磨矿细度，选矿难度较大[6]。国内外研究人员已对中低品位磷矿选矿从浮选药剂、工艺、设备等领域进行了大量研究，在浮选设备领域的研究主要集中在浮选柱的开发与应用方面。

浮选柱的开发与应用至今已有120余年的历史，与传统浮选机相比具有结构简单、占地面积小、能耗低、处理量大、适合细粒级难选矿物的特点[7-8]。国内外对浮选柱在磷矿选矿中的应用主要围绕浮选柱柱体结构、发泡器类型、矿浆循环方式、工艺流程等进行了大量的研究和工程实践，取得了良好的应用效果[9]。

1 浮选柱的发展历程

浮选柱发展的第一阶段时间范围为1905-1925年，称为浮选柱的萌发阶段。在这一阶段开发的浮选柱大多为矮柱体浮选柱，最受欢迎的有Callow、Macintosh、Forrester浮选柱[10]。

浮选柱发展的第二阶段从1926年一直持续至1960年。1926年Minerals Separation公司开发了一种底部充气的机械浮选槽，该浮选槽与当时的高柱体和矮柱体浮选柱相比具有明显的应用优势，致使浮选柱的受欢迎程度大为下降，导致此阶段浮选柱的研发与应用出现了衰退[10]。

浮选柱发展的第三阶段称为浮选柱的复苏和新发展阶段，该阶段持续时间为1960-1980年[11]，重大事件有：中国钼业公司第一次将浮选柱应用于金属矿浮选[12]；中国开发了自由喷射柱[13]，苏联开发了多节浮选柱，澳大利亚开发了Davcra浮选柱。20世纪70年代，浮选柱发展的重点在高浮选柱，例如Diester Flotaire浮选柱[13]、加拿大浮选柱、Cominco/CESL浮选柱[10]。

浮选柱发展的第四阶段称为浮选柱的快速发展阶段，这一阶段又分为三个时期。

第一快速发展期为1980-1994年，在该阶段浮选柱的装机容量快速增长，然后又经历了4年的衰退，直至1999年。当时全世界有14种不同类型的浮选柱被开发和安装，但多数未能熬过后来的衰退期。该时期开发的浮选柱至今仍在使用的有Jameson浮选柱[13]、Penuflot浮选柱[14]。

第二快速发展期为1999-2004年，该时期内浮选柱装机容量呈指数式增长，其发展推动力为我国煤工业的复苏和增长。初期通过采用自由喷射发泡器改造浮选槽增加装机容量，后期通过安装新浮选柱增加装机容量。该阶段为新型浮选柱广泛发展和重要新型浮选柱在世界范围内被大量安装的时期。这些新型浮选柱包括中国的FCSMC和BGRIMM[14]高柱体浮选柱，以及由早期中国喷射发泡浮选柱改造而来的新型FJC自由喷射浮选柱；南非的Prequip浮选柱以及Imhoflot矮柱体浮选柱[15]；加拿大CPT公司的SESL浮选柱。

3.1 教学内容结构化学生笔记的内容来自于教师对教学内容的诠释。因此，教师对教学内容的加工与呈现能优化学生笔记的结构，决定着学生笔记的效果。教师须具有对教学内容结构化处理的意识与能力。

第三快速发展期持续到2012年，发展推动力为高涨的矿产品价格。该阶段浮选柱装机容量明显增加，中国在其他国家的浮选柱安装量快速增长，但到2014年时由于矿产品价格明显下跌，导致浮选柱的装机量大大下降。

2 浮选柱的结构及分类

图1为传统浮选柱的结构示意图。由图1可见，浮选柱是由筒体、泡沫收集槽、发泡装置、喷淋水组成的一种静态分选设备。矿浆经筒体中上部给入，气泡由柱体底部充入，气泡通过与矿粒逆向流动而矿化上浮。浮选柱的中部为分选区，上部为富集区。富集区经喷淋水冲洗泡沫而实现气泡的多次破灭和兼并，从而进一步提高矿物的分选性。

图1 浮选柱结构示意图

2.1 按照柱体高度分类

浮选柱按照柱体高度分为高柱体和矮柱体两类，高柱体浮选柱高径比大于2，矮柱体浮选柱高径比小于2。矮柱体浮选柱一般指高度小于5 m的浮选柱，高柱体浮选柱一般指高度大于5 m的浮选柱[10]。高柱体浮选柱的高度变化较大，需要根据技术需求和矿种选择柱高；矮柱体浮选柱高度变化不大，柱高受技术需求和矿种影响较小。当前工业应用以高柱体浮选柱为主，2010年开始高柱体浮选柱装机容量可达75%[10]。高柱体浮选柱和矮柱体浮选柱的区别如下：

a.矮柱体浮选柱对泡沫区脱落的粗颗粒的重新捕获能力较弱，且原矿容易被泡沫夹带而进入尾矿；矿浆保留时间短使得浮选速率较慢的矿物较难被回收[16]；矿浆湍流强烈，虽然提高了浮选速率，但精矿品位较低[17]；采用同向流模式，因此矿物回收率较高；矿物浮选易受浮选流程影响；当矿浆电化学占主导地位时，浮选效果较好；成本较低，且只需较小的充气量。

b.高柱体浮选柱产生的气泡较大，使得浮选速率较低[7]，矿物分选效率也较低，且操作维修不便[18]；但能维持比较深的泡沫层，增加处理量[19]，获得较高的精矿品位和较低的泡沫产品产率[18]。

2.2 按照发泡器类型分类

浮选柱发泡器是浮选柱设计和应用中的关键设备，按照发泡器在浮选柱内外的位置可分为内部充气型浮选柱和外部充气型浮选柱[20]。

内部充气型浮选柱的发泡器包括充气枪式发泡器、烧结多孔材料发泡器、立管式发泡器、过滤盘式发泡器、砾石床层发泡器、电解微泡发泡器、不停机可更换发泡器。其中应用较多的是充气枪式发泡器，北京矿冶科技集团有限公司、长沙矿冶研究院有限责任公司、加拿大CPT公司都开发了采用该种发泡器的浮选柱且均已被应用于磷矿选矿领域。CPT公司Slamjet型浮选柱的充气枪式发泡器如图2所示。一个浮选柱根据柱体直径和处理量可安装多只该类型发泡器。该类发泡器可通过改变充气孔构造和充气压力来改变气泡大小和充气量，可不停机对发生故障的充气枪进行拆装。

图2 CPT公司Slamjet型浮选柱的充气枪式发泡器

外部充气型浮选柱的发泡器包括旋流型发泡器、气-水发泡器、美国矿业局发泡器、Microcel发泡器、自吸式微泡发生器。CESL型外部充气型气-水发泡器由加拿大的Cominco Engineering Service Ltd.(CESL)公司于1988年开始生产。CESL浮选柱外的气体分散器产生的空气与水的混合物通过多孔金属管分散到浮选柱中，在300～600 kPa压力下，气泡直径为0.3～0.4 mm，可确保矿浆含气率达到50%，多孔金属管在作业中可以更换。CESL型充气器先后在北美、南美和南非等地得到广泛应用[20]。多孔文氏管是一种先进的发泡器，当水高速流过多孔管时，管内压力低于大气压，空气自发进入与水混合，在多孔介质的高速剪切作用下产生气泡[21]；压力释放时析出大量微泡，然后沿切线进入旋流段。Microcel气泡发生器由美国布莱克本选煤及选矿中心研制成功，采用该类型发泡器的浮选柱从柱底用泵抽出部分矿浆进行循环，空气被吸入循环矿浆中并充分混合，当混合矿浆被压入静式混合器时产生高剪切运动而形成微泡，一并给入柱体内；循环矿浆实际上又获得一次扫选机会，对提高回收率有利[8]。

3 浮选柱在磷矿选矿中的应用

3.1 填充式浮选柱

填充式浮选柱是在常规浮选柱内装有特定的填充介质，目前文献报道的既有静态填充介质浮选柱，也有动态填充介质浮选柱。填充式浮选柱内填充介质层层排列，并各成一定角度，以通过细小曲折的孔道改善浮选柱内的流场特征，减弱大范围紊流和环流等现象，强化气泡的矿化，进而提高微细粒级矿物的回收率，强化分选作用[22-23]。

填充式浮选柱是我国在磷矿浮选领域应用较早的浮选柱，1996年丁一刚等[24]采用两台填充式浮选柱串联，通过正反浮选工艺对王集磷矿P2O5品位为19.70%、MgO质量分数为4.08%、SiO2质量分数为21.68%的原矿进行了浮选试验，获得了精矿P2O5品位高于30%、P2O5回收率高于80%的浮选指标。试验表明充填浮选柱易于操作且指标稳定，充气量、液位和洗水流量对精矿品位和回收率有显著影响。2001年任慧等[25]采用两台填充式浮选柱串联，通过研究药剂制度、洗水加入位置及流速、表观气体流速、柱体高径比等因素对浮选结果的影响，对王集磷矿正反浮选工艺开展了进一步研究，结果表明，浮选柱表观气体流速与高径比的合理搭配是填充式静态微泡浮选柱得到理想浮选指标的关键因素，且一段填充式浮选柱可以代替多段浮选机操作，能够得到满足工业生产需要的浮选指标, 因而简化了工艺流程。

3.2 充气枪式浮选柱

云南磷化集团有限公司(简称“云南磷化集团”)与北京矿冶科技集团有限公司联合开发了大型胶磷矿专属浮选柱，并进行了工业试验和产业化应用。在1 t/d中试、50 t/d半工业试验的基础上，进行了300 t/d 浮选柱工业试验，取得了较好的试验结果[7]。在最佳工艺条件下，对P2O5品位为22.59%、MgO质量分数为5.01%的原矿进行了反浮选脱镁试验，获得了精矿P2O5品位为29.43%、MgO质量分数为0.79%、产率为61.76%、P2O5回收率为80.47%的浮选指标。在工业试验的基础上，产业化应用采用充气枪式浮选柱进行反浮选粗选(浮选柱高10 m、直径4.5 m)、采用130 m3立式浮选机进行精选，在原矿P2O5品位为22.14%、MgO质量分数为5.08%的情况下，获得了P2O5品位为28.82%、MgO质量分数为0.95%、产率为63.19%、P2O5回收率为82.14%的优良磷精矿指标。

3.3 旋流-静态微泡浮选柱

旋流-静态微泡浮选柱由中国矿业大学开发，在国内煤浮选领域得到了广泛应用，在磷矿选矿领域也进行了应用探索。旋流-静态微泡浮选柱采用柱浮选与旋流分选构成柱分选方法的主体；旋流分选以其强回收能力在柱分选过程中起到扫选中矿的作用。矿浆通过管流矿化后沿切向与旋流分选相连，形成中矿的循环分选[7]。旋流-静态微泡浮选柱以其在微细粒分选技术方面的突破以及回收能力的提高而在以处理微细粒级矿物为主的矿物分选中的应用越来越多。

王大鹏等[26]应用该浮选柱对云南某碳酸盐型胶磷矿进行了半工业反浮选试验，在原矿P2O5品位为23.43%、MgO质量分数为6.15%、SiO2质量分数为17.72%、磨矿细度为-0.074 mm质量分数占90%、1段反浮选的条件下获得了P2O5品位为31.09%、P2O5回收率为93.27%的磷精矿指标；与同期1粗1扫2段常规浮选机生产流程相比，P2O5回收率提高了7.43个百分点。可见，旋流-静态微泡浮选柱与传统浮选机相比可明显缩短工艺流程，简化选厂设备配置。同时该研究团队[27]应用两台旋流-静态微泡浮选柱串联对云南某硅钙质胶磷矿进行正反浮选试验，在原矿P2O5品位为23.73%、MgO质量分数为1.55%、SiO2质量分数为31.15%、磨矿细度为-0.074 mm质量分数占90%的条件下，经过1次正浮选和1次反浮选，获得了精矿P2O5品位为29.78 %、MgO质量分数为0.29%、P2O5回收率为82.69%的良好指标。卿黎等[28]也应用两台该选柱串联对云南某胶磷矿进行了正反浮选试验，在磨矿细度为-0.074 mm质量分数占90%、浮选矿浆质量分数为30%的条件下，得到了P2O5品位为32.1%、MgO质量分数为0.8%、P2O5回收率为85.0%的优良精矿指标。

瓮福(集团)有限责任公司(简称“瓮福集团”)徐伟等[29]采用旋流-静态微泡浮选柱对瓮福集团低磷、高镁超细粒碳酸盐型胶磷矿进行了反浮选试验，并与浮选机浮选试验指标进行了对比。采用浮选柱经1段反浮选开路流程试验，在原矿P2O5品位为8.21%、MgO质量分数为16.77%的情况下，获得了精矿产率为13.07%、P2O5品位为29.10%、MgO质量分数为2.65%、P2O5回收率为49.91%的技术指标。浮选柱和浮选槽的对比试验结果表明，采用浮选柱可将浮选机2段反浮选工艺流程简化为1段反浮选工艺流程，且还能获得质量更好的磷精矿。

以上试验结果表明，旋流-静态微泡浮选柱多重矿化方式的结合无论是对较粗粒级还是微细粒级的磷矿物均具有较强的回收能力，在胶磷矿正浮选脱硅和反浮选脱镁方面均具有较好的应用效果，为我国中低品位胶磷矿的分选提供了新的途径。

3.4 喷射式浮选柱

加拿大CPT公司开发的空腔谐振式浮选柱是一种喷射式浮选柱，其工作原理为：将经过浮选药剂处理后的浮选入料(矿浆)由柱体中上部给入，在浮选柱底部安装循环泵和发泡器，循环泵抽取底部部分矿浆在发泡器处与空压机压入的空气混合，经空腔谐振发泡器后产生微泡，微泡在上升过程中与上部给入的矿物颗粒碰撞矿化，从而达到携带目标矿物上浮而实现矿物分离的目的[30]。加拿大CPT浮选柱喷射式充气和矿浆循环装置如图3所示，空腔谐振式发泡器结构及工作原理如图4所示。

图3 加拿大CPT喷射式浮选柱结构

图4 空腔谐振式发泡器结构及工作原理

云南磷化集团应用加拿大CPT公司空腔谐振式浮选柱进行了50 t/d碳酸盐型胶磷矿反浮选半工业试验，通过对关键控制参数充气量、精矿品位轴向分布规律、泡沫层厚度和淋洗水量等的研究，找到了最优控制条件，为空腔谐振式浮选柱在胶磷矿选矿中的大规模应用奠定了基础[31]。在优化的工艺条件下，以P2O5品位为23.2%、MgO质量分数为5.34%的胶磷矿为原矿，获得了P2O5品位为30.64%、MgO质量分数为0.57%、精矿产率为67.18%、P2O5回收率为88.72%的磷精矿指标。就生产操作而言，CPT空腔谐振式浮选柱运行期间矿浆液面平稳、气泡均匀、自动化程度高、操作稳定性好。

3.5 多孔烧结材料发泡器

多孔烧结材料发泡器由于孔洞易堵塞，因此装有该类型发泡器的浮选柱多用于小型实验研究。SANTANA等[32]用外置循环泵的多孔烧结材料发泡器浮选柱对磷灰石正浮选工艺中药剂浓度和矿物粒度对浮选选择性的影响进行了研究，所用的浮选柱内径为40 mm、高为1.5 m，入选矿浆由浮选柱上部给入，空气由浮选柱底部经锥形青铜烧结多孔发泡器引入，部分矿浆由浮选柱底部经矿浆泵返回浮选柱中部，洗水由浮选柱顶部淋入，试验结果表明：粗、细矿物颗粒对药剂添加浓度表现出了不同的敏感性，随着矿物粒度的减小浮选选择性和精矿品位逐渐降低，即随着矿物粒度的减小精矿的ω(P2O5)/ω(Fe2O3)和ω(P2O5)/ω(Al2O3)相应降低；粗矿物颗粒对药剂添加浓度较为敏感，且浮选选择性较高，精矿品位较高；细矿物颗粒浮选选择性较低，即使调整药剂用量也较难获得合格的精矿品位。OLIVEIRA等[33]使用与文献[32]相同类型的浮选柱探索了磷灰石浮选选择性与药剂用量、抑制剂用量和充气量的关系，试验以米糠油皂化物为捕收剂、玉米淀粉为抑制剂，原矿P2O5品位为23.0%、MgO质量分数为1.0%、SiO2质量分数为11.8%，结果表明：最高精矿P2O5品位在捕收剂用量为74 g/t、抑制剂用量为314 g/t、充气量为126 L/h的条件下获得；最高精矿P2O5回收率在捕收剂用量为126 g/t、抑制剂用量为186 g/t、充气量为126 L/h的条件下获得；试验条件下磷灰石的可浮性始终大于石英、白云石和含Fe、Al的硅酸盐矿物。

我国应用浮选柱最早的案例可追溯至20世纪70年代，辽宁罗屯磷矿利用浮选柱通过正浮选1粗1精1扫工艺对硅质胶磷矿进行了浮选试验，在原矿P2O5品位为7.36%、SiO2质量分数为56.10%的情况下，获得了P2O5品位为30%左右、P2O5回收率为80%～85%的磷精矿指标[9]；同时对浮选柱高度、柱体深度、发泡器材质、尾矿U型管高度等进行了深入探讨，其中多孔发泡器材质的研究结果表明，微孔塑料充气器透气性好、风量均匀、泡沫稳定、坚固耐用、浮选指标稳定。该研究内容全面，且研究水平较高，开创了我国磷矿柱浮选先河。

4 浮选柱浮选工艺

基于浮选柱占地面积小、能耗低、容积利用率高、工艺路线短、喷淋水分选效果好、适合细颗粒矿石分选的特点，国内外均将浮选柱应用在了磷矿选矿工艺中的不同工段。浮选柱在浮选工艺中应用灵活，在工艺设备搭配上有柱柱联合工艺、柱槽联合工艺。

云南磷化集团300万t /a柱槽联合1粗1精工艺已成功产业化应用，能够将P2O5品位为20%～23%、MgO质量分数为4%～7%的碳酸盐型胶磷矿原矿富集为P2O5品位为28%以上、MgO质量分数为0.9%以下的合格精矿，工艺流程见图5。

图5 云南磷化集团柱槽浮选工艺流程

瓮福集团应用柱槽联合工艺开展了正浮选试验研究，P2O5品位为17.6%的原矿经过浮选得到了P2O5品位为31.96%的精矿，精矿产率和P2O5回收率分别为44.67%和81.07%，该研究成果为浮选柱和浮选槽的联合应用提供了技术参考[34]。该研究采用浮选柱进行粗选，粗选精矿仍采用浮选柱进行精选；粗选尾矿采用浮选机进行扫选，扫选精矿与精选尾矿合并后经由浮选机再进行一次扫选；再次扫选的精矿与精选精矿合并作为最终精矿，再次扫选的尾矿与前扫选尾矿合并作为最终尾矿，工艺流程见图6。瓮福集团对一段柱浮选与两段浮选机流程进行了对比，发现针对超细粒低品位钙镁质胶磷矿浮选柱具有较好的适应性[29]。

图6 瓮福集团柱槽联合正浮选工艺流程

贵州洋蒲恒立化工有限公司选矿厂是国内第一家实现了全浮选柱反浮1粗1精1扫产业化的企业，40万t/a浮选装置运行1年来较好地解决了原矿品位低、磨矿细度高等难题，浮选结果表明浮选柱用于选别“低磷、质细、高杂质”胶磷矿在技术上是可行的，并且优于同等条件下浮选机的选别效果[35]。

卿黎等[28]利用浮选柱处理某选矿厂的中低品位胶磷矿，开发了两段柱式分选正反浮选工艺，通过半工业试验参数和数据分析，基本掌握了旋流-静态微泡浮选柱的主要操作参数对分选指标的影响，发现矿浆质量分数对精矿P2O5品位和P2O5回收率以及药剂消耗影响较大，在循环泵压力和充气量相匹配的条件下，可获得理想的浮选指标。信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司贵阳分院采用6台30 m3浮选机进行粗选，1台直径2.0 m、高 6.0 m和1台直径3.0 m、高 6.0 m的中国矿业大学旋流-静态微泡浮选柱对粗选尾矿进行扫选，为重庆某磷化工企业设计了1台80万t/a浮选装置，该装置2012年全年尾矿平均P2O5品位为4%，与全浮选机流程相比尾矿P2O5品位下降了2个百分点[35]。