孫銘陽(yáng)， 于傳兵， 韋魯濱

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 10038； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

1 前言

流態(tài)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、選礦、冶金和能源與環(huán)境等行業(yè)[1-3]。液固流化床分選機(jī)最早用于分級(jí)作業(yè)，20世紀(jì)80年代開始用于粗煤泥分選。目前，液固流化床分選機(jī)已在粗煤泥分選[4-5]、廢舊電路板回收[6-7]以及金屬礦粗選、分級(jí)和尾礦回收[8-9]等環(huán)節(jié)得到大量應(yīng)用。

根據(jù)強(qiáng)調(diào)分選過程中顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或流化床層特點(diǎn)，液固流化床分選機(jī)又被稱為Teetered/Hindered Bed Separator(TBS/HBS，干擾床)、Hindered-settling Bed Separator(HSBS)、Hindered-settling Column(HSC)或Liquid-solid Fluidized Separator(LSFS)等，本文在提及一般意義上的液固流化床分選機(jī)統(tǒng)一用LSFBS表示。為了提高液固流化床層對(duì)待選物料的分選效果，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究，目前已研制出多種LSFBS，其中主要有國(guó)外的Crossflow Separators、ALL-FLUX、Hydrofloat Separator、Floatex Density Separator (FDS)和Reflux Classifier (RC)，國(guó)內(nèi)的有三產(chǎn)品LSFBS、脈動(dòng)阻尼式LSFBS、充氣式LSFBS和內(nèi)置傾斜板的變徑LSFBS等。

2 LSFBS分選原理

對(duì)于LSFBS，入選礦粒密度與流體介質(zhì)(水)密度屬于相同量級(jí)，按照Geldart分類法[10-11]，入選礦粒以B類和D類顆粒為主。與受氣泡擾動(dòng)明顯的氣固流化床不同，LSFBS內(nèi)的液固流化床層為散式流化床。然而，因待選物料的粒度和密度分布較寬，LSFBS不屬于典型的散式流化床。床層中的輕細(xì)顆粒隨溢流排出，而粗重顆粒則在錐體段不斷聚集；入料則對(duì)床層內(nèi)減少的顆粒組分進(jìn)行補(bǔ)充。LSFSB分選過程如圖1所示。

圖1 液固流化床分選原理示意圖

入選礦粒在流化床層和上升水流共同作用下按密度大小實(shí)現(xiàn)分離。礦粒在流化床層內(nèi)受到的作用力主要包括連續(xù)相施加的流體阻力、虛擬質(zhì)量力、升力、壓力梯度力等，此外還受到體積力(重力)和顆粒間相互作用[12]。LSFBS內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)較大，周圍顆粒的存在使顆粒運(yùn)動(dòng)受到阻礙，并使得流化床層的有效密度和表觀黏度與原流體介質(zhì)(水)相比顯著增加，導(dǎo)致干擾沉降末速大大降低。粗重顆粒干擾沉降速度較大，可透過流化床層在LSFBS錐體段聚集，輕細(xì)顆粒干擾沉降末速較小，隨上升水流向上運(yùn)動(dòng)成為溢流。LSFBS流化床層由部分入選礦粒組成，因此LSFBS內(nèi)為自生介質(zhì)流化床層，由于自生介質(zhì)與待選礦粒粒度屬于相同量級(jí)，因而其自生介質(zhì)床層的分選作用不如重介質(zhì)懸浮液有效。

3 國(guó)外主要LSFBS特點(diǎn)

1)圓錐分級(jí)機(jī)

圓錐分級(jí)機(jī)(Cone classifier)是由上部給入待處理物料，入料中的輕細(xì)顆粒隨上升水流向上運(yùn)動(dòng)。圓錐分級(jí)機(jī)的錐體部分細(xì)長(zhǎng)，圓柱段較短，為防止顆粒在圓錐段堆積壓實(shí)而引起排料困難，有時(shí)需要安裝攪動(dòng)裝置，該設(shè)備用于分級(jí)作業(yè)。

2)斯托克斯水力分級(jí)機(jī)

斯托克斯水力分級(jí)機(jī)(Stokes hydrosizer)有多個(gè)分選槽，分選槽按串聯(lián)進(jìn)行布置，分選槽的橫截面積依次增大。除流化作用外，Stokes hydrosizer的上升水流還可將罩蓋在粗礦粒表面的細(xì)泥等沖洗掉。待選物料隨橫向水流，依次進(jìn)入各分選槽，并在上升水流作用下(各分選槽的上升水流速度不同)被分為多個(gè)粒級(jí)[4]，該設(shè)備也主要用于分級(jí)作業(yè)。

3)干擾床

干擾床又稱TBS，是一種使用較廣泛的LSFBS，也是工業(yè)應(yīng)用相對(duì)較早的LSFBS，由英國(guó)MEP公司研制，圖2所示為TBS工作原理圖。L.Maharaj等[13]利用CFD軟件對(duì)流體分布器布水孔布置形式和開孔率大小對(duì)干擾床分選效率影響進(jìn)行了研究，通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同結(jié)構(gòu)流體分布器對(duì)TBS流場(chǎng)的影響，得出了干擾床流體分布器的最佳開孔率為32.4%，小于該值會(huì)引起壓降升高和耗能增加，大于該值則易導(dǎo)致流體分布器以上部位的速度分布不均。Galvin K.P.等[14]研究了加重質(zhì)TBS分選效果：通過加重質(zhì)來提高液固流化床層有效密度，可以提高其分選效果；加重質(zhì)的顆粒密度越大，越要對(duì)其粒級(jí)進(jìn)行嚴(yán)格控制。此外，他們還研究了各種形式的脈動(dòng)水流對(duì)干擾床分選效率的影響，不同形式脈動(dòng)水流下的干擾床分選效果并無明顯差別[15]。

圖2 TBS工作原理圖

4)弗洛特克斯密度分選機(jī)

該設(shè)備(Floatex Density Separator)為弗洛特克斯洗選有限公司生產(chǎn)的選礦設(shè)備，在20世紀(jì)七八十年代已用于工業(yè)生產(chǎn)。印度和美國(guó)學(xué)者對(duì)弗洛特克斯密度分選機(jī)的研究較多，該設(shè)備在砂礦、鐵礦和鉻鐵礦等礦物的粗選和尾礦回收作業(yè)以及細(xì)粒煤的分選有較多工業(yè)應(yīng)用。待選物料由中心入料裝置給入到弗洛特克斯密度分選機(jī)分選室。弗洛特克斯密度分選機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，待選物料進(jìn)入弗洛特克斯密度分選機(jī)內(nèi)部時(shí)，具有一個(gè)切向速度，從而加快了待選物料在徑向上分散。弗洛特克斯密度分選機(jī)具有性能良好的底流夾管閥，能根據(jù)床層密度變化精確控制底流排放過程，從而利于維持較好的分選效果。

圖3 FDS工作原理圖

Kumar等[16]對(duì)弗洛特克斯密度分選機(jī)從尾礦中回收鉻礦砂效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在高床層壓力、低上升水流速率操作條件下，利用一段FDS便可有效脫除尾礦中的含鐵雜物，底流中Cr2O3品位為22%～23%，而Cr2O3回收率最高可達(dá)83%。

5)復(fù)式流化分級(jí)機(jī)

復(fù)式流化分級(jí)機(jī)(All-FLUX)主要用于鐵礦磁選作業(yè)之前的粗選、磨礦后分級(jí)、金屬礦脫泥和尾礦回收等作業(yè)[17-18]。All-FLUX可以看成由兩段LSFBS串聯(lián)而成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，第一段LSFBS位于中央，第二段LSFBS位于四周。入料也是沿切向給到LSFBS分選空間內(nèi)，待選物料在中心分選室內(nèi)與上升水流相遇，形成第一段液固流化床層。組成第一段床層的顆粒密度或粒度偏大，床層有效密度也偏大，相對(duì)較輕或較細(xì)的中間組分和輕細(xì)組分入料顆粒隨上升水流溢出并進(jìn)入到第二段LSFBS，粗重顆粒則透過該段床層而成為第一段LSFBS底流；由于分離粒度或分選密度減小，第二段LSFBS床層密度較第一段低，輕細(xì)組分待選顆粒成為該段流化床的溢流產(chǎn)品，而中間組分待選顆?？梢酝高^該段床層，而成為該段流化床的底流產(chǎn)品。

圖4 All-FLUX分離器工作原理圖

鄒健等[19]利用ALL-FLUX在本鋼歪頭山鐵礦進(jìn)行了分級(jí)工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明ALL-FLUX分級(jí)效果好，粗粒、中粒和細(xì)粒三種產(chǎn)品中的-74μm含量分別為6.09%、11.82%和82.73%，其分級(jí)效率是振動(dòng)篩的1.3倍，水力旋流器的1.8倍，螺旋分級(jí)機(jī)的2.2倍。

6)交叉流分選機(jī)(Crossflow Separator)

傳統(tǒng)LSFBS采用中心入料方式，由于入料礦漿沿垂直向下進(jìn)入到LSFBS床層，易于對(duì)流化床層造成沖擊，同時(shí)入料流在與向上運(yùn)動(dòng)的溢流相遇時(shí)易導(dǎo)致溢流中的已完成分選的輕細(xì)顆粒再次混入到主分選區(qū)床層內(nèi)。為了解決這個(gè)問題，Kohmuench提出了一種新型的LSFBS，即Crossflow Separator[20-21]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分選原理如圖5所示。

圖5 Crossflow separator工作原理圖

靜水井位于Crossflow separator溢流堰的一側(cè)，可以將向下的給料流在靜水井內(nèi)轉(zhuǎn)化為水平方向，降低了給料流對(duì)Crossflow separator床層的沖擊。靜水井作為獨(dú)特的給料裝置其末端設(shè)有擋板，可避免入料流從穩(wěn)水井流出后直接進(jìn)入溢流槽而發(fā)生短路問題。由于改進(jìn)了給料方式，Crossflow Separators分選效果較傳統(tǒng)LSFBS得到提高，處理量增大，而單位處理量的能耗和水耗降低。

7)水力- 浮力分選機(jī)(Hydrofloat Separator)

低密度粗粒在傳統(tǒng)LSFBS分選過程中容易損失到底流中，為提高這部分顆?；厥招?，Kohmuench提出了Hydrofloat Separator[21-22]，該LSFBS分選過程如圖6所示。

圖6 Hydrofloat Separator分選原理

Hydrofloat Separator結(jié)合了重力分選和泡沫浮選，將少量浮選藥劑和一定量壓縮空氣加入到上升水流中，氣泡在疏水的待選顆粒粒表面吸附，增加疏水性礦物顆粒所受的有效浮力，促進(jìn)疏水顆粒和氣泡的聚合體在較低流化速度下隨上升水流向上運(yùn)動(dòng)，從而提高疏水礦物顆粒的產(chǎn)率和設(shè)備分選效果。從提高待選礦粒浮選效果角度看，上升水流提高了浮選過程的有效入料粒度上限，使得粗粒疏水顆粒上浮所需的實(shí)際有效浮力降低，降低了浮選底流跑粗現(xiàn)象的發(fā)生，上升水流保證了Hydrofloat Separator對(duì)待選顆粒中較細(xì)疏水礦物顆粒的回收效果。從提高重選效果角度看，少量浮選藥劑和一定量壓縮空氣的加入，提高了Hydrofloat Separator對(duì)疏水粗粒的回收效果，削弱了重選過程中的粒度效應(yīng)。與完全浮選相比，Hydrofloat Separator具有減少充氣量、降低藥劑消耗以及降低疏水粗粒在底流中的錯(cuò)配等優(yōu)勢(shì)。

8)回流分選機(jī)

回流分選機(jī)(Reflux Classifier)由澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Galvin提出，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論探究[23-25]，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在LSFBS內(nèi)部加入一組或幾組平行板，根據(jù)物料特性和產(chǎn)品需求調(diào)節(jié)平行板的傾角、相互間距離以及其長(zhǎng)度以得到滿足條件的底流或溢流產(chǎn)品。因溢流中細(xì)泥可沿傾斜板表面逆向回流，故形象稱之為Reflux Classifier。Galvin還提出了倒置的Reflux Classifier[26-27]，實(shí)驗(yàn)室以及中試試驗(yàn)結(jié)果表明倒置的Reflux Classifier對(duì)電廠灰渣中的煤灰漂珠能進(jìn)行有效富集和回收。Galvin等在倒置的Reflux Classifier基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)出Reflux Flotation Cell來提高浮選效果[28-30]。Reflux Classifier及倒置Reflux Classifier結(jié)構(gòu)和分選原理如圖7所示。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)和FLSmidth旗下的Ludowici公司合作開發(fā)了相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品，目前已有多個(gè)應(yīng)用案例。

圖7 Reflux Classifier和倒置工作原理

4 國(guó)內(nèi)LSFBS發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)LSFBS的發(fā)展起步較晚，目前所提出各種新型LSFBS幾乎都停留在試驗(yàn)階段，工業(yè)應(yīng)用幾乎沒有。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)的劉文禮等設(shè)計(jì)了橫截面為100mm×100mm的矩形槽LSFBS，通過粗煤泥分選試驗(yàn)探究了LSFBS分選效果和工作原理，促進(jìn)了該設(shè)備在國(guó)內(nèi)選煤廠的工業(yè)應(yīng)用。此外，他們還仿制了Reflux Classifier，進(jìn)行了相關(guān)探究并研制了三產(chǎn)品LSFBS。韋魯濱和孫銘陽(yáng)等[31]分析了傾斜板間流場(chǎng)對(duì)顆粒按密度分離的促進(jìn)作用，并考慮了直徑變化引起的流場(chǎng)改變對(duì)LSFBS內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，進(jìn)而提出了內(nèi)置傾斜板的變徑LSFBS，該設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖8所示，該設(shè)備變徑段引起的流場(chǎng)改變以及第二變徑段內(nèi)置的傾斜板都能減少高密度細(xì)粒在溢流中的錯(cuò)配，降低重選過程中的粒度效應(yīng)。

圖8 內(nèi)置傾斜板的變徑LSFBS

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的李延峰[32]對(duì)LSFBS進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并構(gòu)建了LSFBS的半工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)。通過相關(guān)粗煤泥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，LSFBS能有效分選>0.125mm的待選顆粒，分選效果可達(dá)到0.08～0.09，并進(jìn)一步對(duì)成莊選煤廠某車間的粗煤泥進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)研究，取得了較好實(shí)驗(yàn)效果。通過將兩段LSFBS進(jìn)行組合，李延峰等還研制了三產(chǎn)品LSFBS[33]。謝廣元、沙杰等[34]研究了底流排放形式和柱體高度對(duì)分選效果的影響，發(fā)現(xiàn)LSFBS的分選柱越高分選效果好，且中心排料方式的LSFBS比周邊排料方式的LSFBS分選效果好；此外，他們還提出一種變徑脈動(dòng)LSFBS[35]，該分選設(shè)備的分選柱直徑由下到上逐漸減小，如圖9所示。段晨龍等[36]研制了變徑液固流化床，發(fā)現(xiàn)物料在傾斜的LSFBS分選柱內(nèi)壁上容易堆積。為解決物料堆積問題，他們?cè)诖搀w下方設(shè)計(jì)了進(jìn)氣孔，進(jìn)而提出了充氣式液固流化床。通過廢棄電路板分選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，充氣式液固流化床的金屬回收率可達(dá)95.51%，由于該設(shè)備的床體傾斜安置，顆粒沿床體軸向和徑向速度對(duì)顆粒最終去向都有重要影響，因此很有必要研究物料入口位置和床體長(zhǎng)徑比(或變徑對(duì)應(yīng)錐角)對(duì)分選結(jié)果的影響。變徑/充氣式液固流化床如圖10所示。

圖9 變徑脈動(dòng)LSFBS

圖10 變徑/充氣式液固流化床

黑龍江科技大學(xué)的呂一波等[37]設(shè)計(jì)加工了LSFBS，并進(jìn)行了相關(guān)研究工作，采用DPM模型模擬待選礦粒在LSFBS內(nèi)部分選過程，得到了礦粒在LSFBS內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

河南理工大學(xué)的焦紅光等提出了脈動(dòng)阻尼LSFBS[38]，認(rèn)為阻尼塊可產(chǎn)生使床層松散的渦流，從而降低物料錯(cuò)配，提高分選效果。其研究結(jié)果顯示，脈動(dòng)阻尼LSFBS分選效果較傳統(tǒng)LSFBS得到了一定程度改善，其結(jié)構(gòu)和分選原理如圖11所示。

圖11 脈動(dòng)阻尼干擾床原理圖

唐利剛[39]利用CFD對(duì)LSFBS流場(chǎng)進(jìn)行了研究，并提出了內(nèi)置一組截頂圓錐板的LSFBS，截頂圓錐板上開有大量細(xì)孔，數(shù)值模擬結(jié)果表明，圓錐板上的細(xì)孔能促進(jìn)上升水流再分布。

王魁珽等[40]提出了用于分離氫氧化鎳和硫酸鈣的LSFBS，該設(shè)備的特點(diǎn)是包括三個(gè)圓柱段和兩個(gè)圓錐段，其中三個(gè)圓柱段由兩個(gè)圓錐段依次連接起來，第一圓錐段能促進(jìn)不同沉降速度的固體顆粒分離，第二圓錐段則促進(jìn)了第二固體物質(zhì)(沉降速度較大組分)的排出，且為防止第二固體物質(zhì)在第三圓柱段聚集壓實(shí)，還在第二固體物質(zhì)出口的對(duì)面設(shè)置的設(shè)置了沖水口，以進(jìn)一步促進(jìn)第二固體物質(zhì)排出。

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要論述了LSFBS發(fā)展概況，由于分選精度高、分選密度寬以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，LSFBS已被廣泛應(yīng)用在礦物加工領(lǐng)域。關(guān)于LSFBS結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究可以從以下幾個(gè)方面考慮：加入內(nèi)構(gòu)件(如平板、截頂圓錐板)，提高LSFBS處理能力和顆粒按密度差異分離效果；優(yōu)化流體分布器，以提高布水均勻性，并減少布水孔堵塞；設(shè)計(jì)變徑筒體，利用變徑引起的流場(chǎng)和床層特性改變提高LSFBS分選效果；合理加入脈動(dòng)水流裝置或振動(dòng)裝置，減少摻雜，改善不同密度顆粒的錯(cuò)配問題。

在LSFBS應(yīng)用方面，研究者們應(yīng)拓展和加強(qiáng)LSFBS用于環(huán)境保護(hù)和資源回收利用等方面的研究，開發(fā)適于相應(yīng)用途的新型LSFBS。