变径分选床中等沉颗粒的运动特性与分离机理研究.doc

变径分选床中等沉颗粒的运动特性与分离机理研究周恩会，赵跃民，段晨龙，盛成，江海深中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221116摘要：为解决变径分选床中等沉颗粒容易堆积的问题，在床体下壁面添加了顶水装置。分析了新型分选床中介质流场分布规律、颗粒受力情况和运动轨迹；对等沉颗粒的沉降运动进行理论推导，得到其沉降等速用时差和沉降极限距离差公式；选用4组-1+0.5mm粒级的等沉颗粒进行分选试验，结果表明：新型分选床可以将等沉比大于1.4的等沉颗粒在床体中的滞留率降低到0.6%以下，金属回收率提高到96.4%以上。关键词：变径分选床；废弃电路板；等沉颗粒；滞留率Study on movement characteristics and separation mechanism of equal settling particles in a varied diameter separation bedZHOU Enhui基金项目：国家自然科学基金创新研究群体项目（No.51221462）；江苏省自然科学基金（No.BK2012136）通讯作者：赵跃民，（1961-），男，河南漯河市人，教授，博士生导师，从事矿物加工工程方面研究电话Email: ymzhao_，ZHAO Yuemin，DUAN Chenlong，SHENG ChengJIANG HaishenSchool of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining & Technology. Xuzhou 221116, Jiangsu, ChinaAbstract: To solve the problem of accumulation of equal settling particles in varied diameter separation bed, a set of underscreen water device was mounted on the wall surface under the bed. This paper analyzed the distribution laws of the medium flow field, force on particles and motion trail of particles in new separation bed. It also carried out theoretical deduction for the settlement motion of equal settling particles, and then obtained the time difference and the distance difference formula. In addition, four groups of equal settling particles which size fraction were -1+0.5mm were separated. The results showed that the retention rate of equal settling particles which equal falling ratio was greater than 1.4 was below 0.6% and metal recovery rate was higher than 96.6%.Key word：varied diameter separation bed；waste printed circuit boards；equal settling particles；retention rate目前国内对废弃电路板资源化研究已经形成热点，并做了大量卓有成效的研究工作1，主要处理方法包括湿法溶蚀、火法冶炼和物理分选2,3，国际上推行的方法主要是物理法4。变径分选床是一种基于物理分选理论的废弃电路板资源化处理设备，具有投资少、回收率高、环境污染小等特点5,6。但实验发现，入选物料中的等沉颗粒容易在床体下壁面堆积，难以有效分离。针对这一情况，文章对原有流化床进行了改进，并对等沉颗粒在新型变径分选床中的运动特性与分离机理进行了研究。1变径分选床1.1分选床系统变径分选床系统主要由分选床、水箱、泵、流量计及其它附件组成，改进后的分选床在床体下壁面增加了多个顶水管，可以通过阀门调节进水量，如图1。床体呈圆台体，顶端直径200mm，底端直径120mm，轴向高800mm，倾斜放置7。床体使用透明有机玻璃材质，便于实验观察。床体顶端设有溢流口，底端设有底流口，上方布置入料系统。工作时，废弃电路板经拆解、破碎后给入拌料桶，加入适量水增加物料的流动性，自床体上部给入。水流由循环泵打入管路，通过流量计和阀门控制水量，自床体底端给入，通过水力分布器在进水端横截面上均匀分布。物料在扰动水流作用下分层，低密度小颗粒随溢流排出，高密度大颗粒随底流排出。分选后的物料通过滤布脱水后收集，经滤布脱除的水进入水箱循环利用。1452313876141112109图1 变径分选床结构与工艺流程图Fig. 1 The structure and process flow of varied diameter separation bed1-拌料桶；2-水力分布器；3-进水管；4-流量计；5-进水泵；6-床体；7-溢流口；8-顶水管；9-底流口；10-顶水阀门；11，12-水箱；13-滤布；14-顶水泵1.2分选原理为方便研究，建立三维直角坐标系：X轴沿纸面水平方向，Y轴垂直于纸面方向，Z轴平行于重力场方向。流体主要沿X、Z轴方向运动8，因此以XOZ平面上分选床轴截面为例分析床内颗粒运动情况。根据分选床内介质流场分布和颗粒运动情况，将其内部分为5个区：紊乱区、分离区、输送区、边界区和底流区，如图2。图2 分选床内流场分布图Fig.2 The flow field distribution in separation bed紊乱区底流区区分离区输送区气-液界面边界区CDEAB1B2重力场方向水介质流顶 水给 料底流溢 流XOZ入料首先进入紊乱区，在涡旋作用下迅速松散，实现初步流态化。颗粒在合力（如图3（A）作用下向上、向右运动进入分离区；分离区中水流速度逐渐降低使G在竖直方向上成为主导力，如图3（B1）、（B2），颗粒向下、向右运动；密度低、粒度小的颗粒在合力F作用下（如图3（C）进入输送区，从溢流口排出；粒度和密度介于中间的颗粒中，沉降末速和惯性力偏小的颗粒进入输送区后，少部分脱离输送区进入边界区；沉降末速和惯性力偏大的颗粒进入边界区；边界效应产生的粘附阻力和重力作用使得边界区的水流低速回流。进入边界区的颗粒在低速水流的作用下沿壁面缓慢运动，容易堆积。改进后的分选床在下壁面增加了顶水管，颗粒受到来自顶水的力FX2和FZ2的作用，如图3（D），脱离边界区，进入分离区进行二次分选；脱离边界区的颗粒受力如图3（B2），向下、向右运动，再次进入边界区。颗粒在分离区和边界区之间往复运动，其中高密度、大粒度颗粒逐渐趋近底流口，密度和粒度处于中间值的颗粒根据沉降末速和惯性力的不同，一部分向底流口趋近，另一部分向溢流口运动，少部分颗粒成为错配物。不同特性的颗粒在分选床中的运动轨迹如图4所示。图3 颗粒受力示意图Fig.3 The diagram of force on particles（D）FZ2FFX2FX1FZ1GFFX1GFZ1（A）（B1）GFZ1FX1(F)（B2）GFFX1FZ1（C）GFZ1FX1(F)（E）FFX1FZ1G重力场方向水介质流顶 水给 料底流溢 流XOZcbadza-轻颗粒； b , c-中间颗粒； d-重颗粒图4 颗粒运动轨迹图Fig.4 The motion trail of particles2等沉颗粒运动分析2.1运动特性变径分选床主要根据颗粒的沉降末速9差异实现分选，等沉颗粒具有相同的沉降末速，但在达到相同末速度的过程中却存在运动时间和位移差异。为简化研究，做出以下模型假设：（1）颗粒为均匀球体，物性参数为常数；（2）由于分选床内颗粒浓度低，忽略粒间作用力和颗粒自身旋转阻力Magnus力；（3）颗粒加速达到沉降末速的时间比较短，可以忽略Basset力；流化床是一个有界的限制流场，可忽略Saffman力；因此可认为颗粒主要受到重力G、浮力F和介质阻力R的作用。基于以上假设推理得到的颗粒运动模型适用于稀相分选床。颗粒在静止介质中自由沉降时，在重力G、浮力F和介质阻力R的综合作用下运动，其加速度为： （1）式中：s为颗粒密度，kg/m3 ；为介质密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d为球形颗粒的直径，m；为阻力系数；为颗粒的相对运动速度，m/s；t为时间，s。当介质阻力增大到R=G-F时，颗粒达到自由沉降末速0： （2）2.2沉降等速用时比假设球形颗粒在介质中作自由沉降时，在湍流区速度从到t用时为t，=/18，则对式（1）积分、变换有： （3）由式（3）可知等沉颗粒经历相同速度区间变化的用时比为： （4）即 （5）由式（5）可知：若s1s2，则恒有t2t1，即在等沉颗粒以相同速度开始在湍流区沉降过程中，总是密度大的颗粒先达到某一沉降速度。2.3极限沉落距离差在式（3）中，令，变换、积分得到 （6）当t1 = t2 +时，将A值、值及式（2）代入式（6）可得两等沉颗粒在湍流区从沉降速度起始形成的沉落距离差s： （7）由式（7）可知：两等沉颗粒在自由沉降过程中，从一相同沉降速度无限接近于沉降末速过程中，存在极限沉落距离差。3等沉颗粒分离试验3.1试验操作采用自然收集的废弃电路板进行拆解、破碎和筛分作业，得到的物料中金属成分主要是铝和铜，呈长条形；非金属成分主要是基板树脂，成片状。选用4组不同等沉比的物料进行平行试验。试验物料组成与性质如表1所示。表1 试验物料属性Tab.1 Properties of the test material组别金属成分非金属成分等沉比球形系数粒度mm密度g/cm3球形系数粒度mm密度g/cm3A80.4711.52B30.4711.51.4C50.4711.22D50.4711.21.4考虑各组物料存在密度和粒度差异，为提高分选效果，需要设置不同的试验参数：（1）对于A、B组物料：介质流量，6m3/h；给料速度，100g/min；单组试验给料量，200g；金属品位，30%；床体倾角，25；顶水流量：0.05m3/h。（2）对于C、D组物料：介质流量，4m3/h；给料速度，100g/min；单组试验给料量，200g；金属品位，30%；床体倾角，35；顶水流量：0.03m3/h。改变顶水阀门开/关状态，分别对四组物料进行分选试验，待底流口和溢流口不再有物料排出时2min之后收集底流、溢流和床体内滞留产品，分别进行烘干、称重和品位化验分析。分选效果采用金属回收率和精矿品位两个指标进行评价10。3.2结果分析将式（2）和表1中A组非金属成分数据代入式（7）可以得到 （8）设，代入式（8）可得；设，同理可得；。不同物料在湍流区沉降速度从到0过程中，所以。由式（5）可以得到非金属和金属成分物料沉降等速用时比t2/t1。各组物料分选结果如表2所示。表2 各组物料分选结果Tab.2 Experimental results of each group of materials试验编号物料顶水阀门状态t2/t1s底流产品溢流产品滞留产品金属回收率，%产率，%品位，%产率，%品位，%产率，%品位，%1A开1.41.5lnM30.8996.1868.740.420.370.8299.032B开1.10.9lnM30.2895.5269.201.550.520.7796.413A关1.41.5lnM28.1498.4860.150.3611.7117.6992.374B关1.10.9lnM26.9798.2556.900.6216.1319.5388.335C开1.51.5lnN32.2192.5167.250.300.540.8999.326D开1.20.9lnN31.6592.1467.761.230.590.6897.217C关1.51.5lnN27.4686.6055.205.2717.3419.0979.278D关1.20.9lnN26.8184.6353.586.0119.6120.8875.62由表2可以看出，不给入顶水时，落入边界层的颗粒容易堆积，滞留率超过10%，滞留金属品位超过17.5%，导致金属回收率不足90%，严重影响排料速度和分选效果，如第3，4，7，8组数据。给入顶水后，床体内部物料滞留率可降低至0.6%以下，滞留物主要是少量片状树脂在边壁粘滞阻力作用下吸附于壁面上，金属回收率最高可达99.32%；颗粒密度相同时，等沉比大的颗粒错配率低，精矿品位高，金属回收率大；等沉比小的颗粒粒度和密度差异不明显，少部分沉降末速大的非金属颗粒容易错配进入底流区，降低底流产品品位，但依然具有很好的精矿回收率，如第1、2和5、6组数据；颗粒等沉比相同时，高密度物料具有更高的精矿品位，低密度物料精矿品位较低，但若适当降低介质速度，可以有效提高金属回收率，如第1、5和2、6组数据。比较16组数据可以发现，沉降等速用时比t2/t1和极限沉落距离差s越大越有利于物料分选，7、8组数据异常是因为关闭顶水后物料滞留量增大导致金属回收率降低；第1和3，2和4，5和7，6和8组试验中，t2/t1和s分别相同，但给入顶水时金属回收率更高，说明顶水可以有效增加沉积颗粒分选次数，改善分选效果，但不会影响床体内流场分布。4结论（1）变径分选床内部可分为紊乱区、分离区、输送区、边界区和底流区，实现对入选物料的快速松散、易选物料的有效分离、难选物料的多次分选和产物的输送作业。（2）等沉颗粒在介质中沉降时存在沉降等速用时差和极限沉降距离差，如式（5）、（7），这是等沉颗粒能够有效分离的基础。（3）给入顶水后可以使堆积在边界区的物料进入分离区再选，等沉比大于1.4的等沉颗粒在床体中的滞留率降低到0.6%以下，金属回收率提高到96.4%以上。颗粒密度相同时，等沉比越大金属回收率越高；颗粒等沉比相同时，密度越大的颗粒精矿品位越高。参考文献1 杨玉芬，盖国胜，徐胜明等.废印刷线路板回收利用的现状与