尾矿浓缩对两阶段进料池中絮凝行为的影响：基于CFD-PBM耦合模型的研究洞察

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The Role of Tailings Concentration on Flocculation Behavior in a Two-stage Feedwell: Insights from CFD-PBM Coupling Modelling

本研究采用耦合的CFD-PBM模型，结合分形絮凝动力学，系统评估了新型两阶段 feedwell 在5%-25%固体浓度下的动量耗散、混合强度、自稀释效应及絮凝体尺寸变化规律，揭示了浓度依赖的絮凝机制，并确定10%-15%为最优浓度范围。

　　

王晓宇|崔宝玉|王学涛|吴继宗|张云海|李从军

东北大学资源与土木工程学院，中国沈阳110819

摘要

絮凝增稠技术广泛应用于矿物加工、废水处理以及其他固液分离领域。在重力浓缩器中，尾矿的絮凝性能受到进料中固体浓度以及进料井内流态特性的显著影响。本研究采用耦合的计算流体动力学-群体平衡模型（CFD-PBM），并结合分形絮凝动力学，来研究一种新型两级进料井的浓度依赖性行为，该进料井具有自稀释端口和倾斜叶片。该模型整合了针对聚合物桥接絮凝的湍流驱动聚集和破碎机制，并通过分形维数（D_f=2.4）在粘度修正中考虑了絮体结构。结果表明，在所有测试浓度（5%-25%）下，进料井的动量耗散率均超过84%。混合性能通过分离强度来量化，从入口到出口提高了一个数量级，但随着浓度的增加而恶化。自稀释量在进料浓度为15%时达到峰值，随后从D1端口到D3端口沿周向逐渐减少。关键的是，平均絮体尺寸从5%浓度时的85 μm增加到10%-15%浓度时的157 μm，然后在20%浓度时急剧下降。这种非单调行为源于多种竞争机制：低浓度时碰撞频率的限制、中等浓度时聚集与破碎的平衡，以及高浓度时粘度引起的湍流阻尼和自稀释的减少。平均絮体尺寸在15%和20%浓度之间的急剧变化揭示了一个临界阈值，此时有效粘度显著增加，超过了湍流阻尼的限制。对于所研究的特定系统，确定了最佳进料浓度范围为10%-15%。这些发现为进料井的操作提供了定量指导，并展示了CFD-PBM建模在理解浓度依赖性絮凝机制方面的价值。

引言

浓缩器，也称为重力沉降设备，在各种工业过程中发挥着关键作用，特别是在矿物加工、废水处理、化学工程和其他固液分离领域[1]、[2]、[3]、[4]。浓缩器的主要功能是通过增强絮凝-沉降作用将固体从悬浮液中分离出来，通常借助絮凝剂促进颗粒聚集并快速沉淀，从而产生清澈的上清液和密集的沉淀物[4]、[5]、[6]、[7]。浓缩器中的絮凝增稠过程本质上涉及复杂的微观尺度絮凝剂吸附和颗粒桥接碰撞[8]、中观尺度的絮体尺寸演变[9]，以及宏观尺度的絮体沉降和随后在浓缩器体内压缩密集浆体的行为[1]。作为浓缩器最重要的部分，进料井通常位于浓缩器顶部中心，用于接收进料流，并将其转化为缓慢的垂直向下流动至浓缩器主体[2]、[10]、[11]。进料井的几何设计及其操作条件，尤其是对于两级类型，决定了进料井的流体动力学特性，这些特性通过进料动量耗散和混合强度的测量来体现，进而影响絮凝和沉降性能[2]、[12]。

絮体作为絮凝行为的产物，通常以其尺寸分布和微观结构为特征，这些是沉降过程中的关键因素[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。进料井中絮凝剂与悬浮固体之间的相互作用受湍流涡流耗散率、混合强度和停留时间的影响，所有这些因素都显著影响聚集和破碎动力学[8]、[9]、[18]。同时，最佳絮凝条件促进形成大而密集的絮体，具有强内部键合，而次优条件则导致形成较小、结构松散的絮体[19]、[20]。因此，探索流体动力学对进料井内及周围絮凝过程的影响至关重要。在工业和实验室实验中，浓缩器中的流动特性（如湍流模式、流体速度、固体颗粒分布）和絮体性质极其复杂，难以用传统方法测量[21]、[22]、[23]、[24]。计算流体动力学（CFD）的数值建模已成为解决浓缩器中流场特性和优化增稠过程的有效方法[10]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。

在使用CFD建模研究絮凝增稠过程时，除了准确捕捉流场特性外，定量分析颗粒聚集和絮体破碎引起的颗粒尺寸分布变化也至关重要[29]、[31]、[32]、[33]。群体平衡模型（PBM）可以包含聚集和破碎核，以求解数学公式，从而预测聚集尺寸分布的演变，由于这些核受到流体动力学条件的深刻影响，与CFD建模的结合显示出显著的优势[8]、[9]、[10]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。对于由聚合物桥接引起的尾矿浆体絮凝，Heath等人[35]、[39]开发了一个综合的湍流絮凝动力学模型，其中混合、絮凝剂的吸收和降解、颗粒碰撞效率以及絮体的分形特性被数值模拟，并整合到CFD-PBM耦合框架中。Fawell等人[10]声称，将Heath等人[35]开发的絮凝动力学模型纳入CFD-PBM中，实现了对重力浓缩器中絮凝行为最复杂的建模，从而推动了浓缩器和进料井的设计[2]、[40]。Nguyen等人[9]利用他们提出的模型评估了四种不同的进料井设计，表明进料井几何形状显著影响絮凝的流体动力学环境。同样，Wang等人[36]、[41]将简化的絮凝动力学模型应用于实验室规模的深锥形浓缩器，报告称平均絮体尺寸随着进料固体浓度的增加而增加，直到一个临界点（约12%），超过该点后由于粘度效应絮凝效果恶化。这些研究共同表明存在一个最佳浓度范围，但由于几何形状和操作条件的差异，其确切值和潜在机制仍不清楚。

最近，传统的两级进料井被改进为具有自稀释端口和能量耗散叶片的类型，这可以克服短路和低效絮凝的问题[12]。然而，尽管有这些设计改进，但对于这种具有自稀释端口的新型进料井的操作条件（特别是进料固体浓度）对其性能的影响仍缺乏系统研究。考虑到尾矿浆体在工业中通常以固定流量进料，并且很大程度上受到前序矿物过程（如重力和浮选分离）的影响，因此将进料浓度对优化后的两级进料井的影响联系起来至关重要，特别是对于进料井在宽浓度范围内的自稀释性能。由于颗粒絮凝主要发生在进料井内及周围，并且颗粒在惯性力作用下以相似的速度移动，因此可以认为一个均匀的PBM能够描述絮凝引起的颗粒尺寸的广泛变化。

本研究通过采用耦合的CFD-PBM方法，并结合分形絮凝动力学，首次研究了具有自稀释端口的新型两级进料井的浓度依赖性行为。本研究的主要创新点包括：1）在宽浓度范围（5%-25%）内系统评估进料井性能（动量耗散、混合、自稀释）；2）定量分析局部絮体尺寸分布作为浓度的函数；3）识别出粘度引起的湍流阻尼导致絮凝急剧恶化的临界浓度阈值；4）通过竞争聚集-破碎机制确定特定系统的最佳浓度范围。在系统研究之前，首先对模型进行了详细描述，然后介绍了边界条件和求解方案的细节。由于该模型已在我们的先前研究[12]、[36]、[41]中得到验证，因此这里只进行一般性的模型验证描述。随后从动量耗散、颗粒分离强度和广泛进料浓度范围内的絮凝等方面评估了进料井的性能。这些发现不仅为进料井的操作提供了定量指导，还深入了解了浓度依赖性絮凝机制，同时也支持了悬浮液或废水絮凝增稠的更广泛应用。

部分摘录

群体平衡模型（PBM）

本工作中CFD-PBM框架的数值建模如图1所示，主要包括固液相相互作用和絮凝动力学的描述。这种耦合是双向的，在ANSYS CFX框架内使用多尺寸组（MUSIG）模型实现。CFD模块解决流场（如速度、压力、湍流），并将流场动态参数（如湍流、固体体积分数）传递给PBM模块。然后PBM模块

几何形状和网格生成

本研究关注的是一种具有新型两级进料井的试验用浓缩器，如图2所示。与传统两级进料井（例如[41]中的）不同，该进料井设计有三个弯曲管道，将进料流均匀引入外部井中。外部井通过环形架和叶片通道分为上下两个区域。此外，环形架的配置可以延长浆体在

动量耗散

通常，通过使流体平稳地流入浓缩器主体来实现最佳增稠效果。然而，从经济效益的角度来看，操作者希望最大化某个浓缩器的吞吐量。进料井的主要功能之一是确保流入沉淀区和压缩区的流体具有适中的湍流强度。因此，在本研究中评估了这种两级进料井的动量耗散性能

结论

本研究采用耦合的CFD-PBM建模方法，研究了配备具有自稀释端口和倾斜叶片的新型两级进料井的试验用浓缩器的流动特性和絮凝动力学。这项研究主要是为了阐明进料固体浓度如何影响进料井的性能，包括动量耗散、混合、自稀释、湍流特性以及最终的絮凝效果。主要研究结果可以总结为

CRediT作者贡献声明

王晓宇：撰写 – 审稿与编辑、可视化、概念化。王学涛：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、数据整理。崔宝玉：资源管理、项目协调、形式分析。张云海：监督、调查。吴继宗：软件支持、调查。李从军：监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52174244）和中国国家重点研发计划（项目编号2023YFC2908301）的资助。