趙立新 劉 琳 楊 旭 王亞紅 徐保蕊 蔣明虎

(1. 東北石油大學機械科學與工程學院；2. 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點實驗室；3. 大慶運盛電子商務有限公司)

非均相分離是石油、化工及礦場等領域常見的問題，而非均相分離的分離效果和所采用的分離方式直接影響了后續(xù)介質(zhì)的處理工藝和成本。在眾多分離方法中，按性質(zhì)主要分為物理分離法和化學分離法[1]，物理分離法由于具有分離效果好、操作簡單及綠色環(huán)保等優(yōu)點被廣泛的應用。

隨著工業(yè)中對介質(zhì)分離要求的不斷提高，學者們基于物理分離法提出了將電場或磁場應用到多相介質(zhì)的分離中實現(xiàn)非均相介質(zhì)的高效分離的方法，目前電場和磁場在非均相分離中的一些領域已經(jīng)有了明確的應用。筆者將根據(jù)目前的研究熱點和難點，對電場和磁場在非均相分離中的研究現(xiàn)狀進行總結和梳理，以期對電場和磁場在非均相分離技術的發(fā)展和應用有所裨益。

1 電場下非均相介質(zhì)的分離

1.1 電脫水

1.1.1液-液分離

在石油化工行業(yè)，尤其是油田開采中后期，采出液中油相易出現(xiàn)嚴重的乳化現(xiàn)象。而油相乳化現(xiàn)象越嚴重，勢必會造成混合相中油滴粒徑越小，油水兩相也就越難分離。因此在實際生產(chǎn)應用時，針對該問題提出了將電場應用到油水乳化液的分離中。電場與物質(zhì)之間的相互作用包括熱作用、極化作用及電化學作用等，正是因為電場具有這些特殊性質(zhì)決定了它在處理油田采出液方面具有較大的潛質(zhì)[2]。CottrellF G在1909年首次提出了靜電聚結原油脫水技術，隨后針對原油脫水，在1911年設計并安裝了第1臺電脫水器[3]。

在電脫水器產(chǎn)生的電場作用下，原油乳化液中的水滴發(fā)生極化現(xiàn)象，形成電偶極子，極化過程如圖1所示。極化水滴在電場力的作用下會依據(jù)電場線的分布狀態(tài)排成隊列。偶極子的異號極之間將會相互吸引，產(chǎn)生了聚結力。微小水滴在聚結力和電場力的共同作用下彼此靠近，并被拉長為橢球形，同時拉伸油水界面物質(zhì)。當聚結力足夠使微小水滴從乳化顆粒中擠出時，小水滴就聚結成較大水滴。此后在油水兩相密度差的作用下，水滴在油相中實現(xiàn)重力沉降分離。此外，原油乳化液中的帶電粒子在電場力的作用下發(fā)生吸引與排斥作用，促使帶電粒子在運動的過程中與乳化顆粒碰撞，起到破壞乳化膜、降低界面張力的作用，也有利于水滴的聚結[4]。

圖1 極性分子轉(zhuǎn)向極化過程

研究表明[4]，影響原油電脫水效果的因素包括油品性質(zhì)(粘度、組分等)、乳化類型、乳化液的溫度、壓力及電場強度等。諸多因素中電場特性是重要的影響因素之一，且易于通過人為的控制來改變并進行優(yōu)選，選擇合適的電場才能獲得高效和穩(wěn)定的脫水效果。

1.1.1.1勻強電場與非勻強電場

王奎升等就電場是否為勻強電場開展了相關研究。梁猛等從微觀的角度出發(fā)，分析了勻強電場下水滴的變形和破碎機理[5]，通過模擬發(fā)現(xiàn)其結果與Wang L等的實驗結果高度吻合：勻強電場下，水滴兩側(cè)的電場強度和電荷密度均高于中間的，當電場力大于液滴表面張力和內(nèi)外壓強差的合力時，液滴將發(fā)生變形，甚至破裂[6]。同時建立了在勻強電場作用下液滴的變形和破裂行為模型，為電脫水技術提供了一定的理論基礎。

宋春輝同樣也建立了交變電壓下非勻強電場中水滴的動力學仿真模型，同時對比了勻強電場和非勻強電場下不同時刻水滴的形變和位移情況(圖2)[7]，從圖中可看出非勻強電場中水滴形變產(chǎn)生的周期性振蕩更明顯。說明非勻強電場中水滴兩端的電荷密度和電場力的大小相差更大，因此非勻強電場下水滴所受的合外力更大，水滴更容易運動，這對水滴的聚結是有利的。從電場力方面考慮，非勻強電場更能促進兩相的聚結與分離。分析還發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，非勻強電場的非均勻系數(shù)越大，乳化液脫水速度越快，脫水效果越好。

圖2 水滴的形變和位移

1.1.1.2電場強度

關于交流電場下不同電場強度對乳化液脫水效果的影響，Chen Q G等通過分析得出了使水滴破裂的臨界電場強度表達式[8]。研究結果表明使水滴發(fā)生聚結的偶極力除了與水滴自身半徑和水滴間距有關系外，外界的電場強度對它影響也很大。不同的水滴粒徑和間距存在不同的臨界脫水電場強度，當外界電場強度低于臨界脫水電場時，脫水率跟外界電場強度成正比；當外界電場高于臨界脫水電場時，則成反比。該研究為電脫水中最佳電場強度的優(yōu)選提供了一定的理論依據(jù)。不同電場強度下最終脫水率見表1[8]。

表1 交流電場不同電場強度下的最終脫水率

1.1.1.3交流(AC)電場與直流(DC)電場

Sellman E等針對電場為交流(AC)或直流(DC)進行了研究，研究結果表明對于AC電場采用低電壓梯度，并將AC和DC結合使用更有利于提高脫水效果[9，10]。例如對于高含水下采用較弱的AC電場進行脫水，剩下的小水滴則在較強的DC電場中去除，發(fā)現(xiàn)這種方式能提高離散水相的脫水率。陳家慶等也對電脫水中AC電場、DC電場和AC/DC電場進行了系統(tǒng)的介紹與對比[11]。

1.1.1.4頻率和電壓

脈沖電破乳技術相比于目前較多的電脫水方法具有良好的破乳效果[12～15]，近年來國內(nèi)新興的靜電脫水方法之一就是利用高壓高頻脈沖電場對原油乳化液進行處理，它是基于常規(guī)電脫水的電壓輸出波形，并疊加高頻脈沖信號來實現(xiàn)的。高壓高頻脈沖電破乳相比較于AC、DC及AC/DC等其他的靜電破乳方法具有能耗小、破乳效率高等優(yōu)點[16～18]。振蕩聚結、偶極聚結和介電泳聚結是離散相水滴在脈沖交流電場下的主要3種聚結形式[19]。

對于頻率和電壓大小對脫水效果的影響，樊玉新等利用高頻高壓脈沖電場側(cè)重于研究采出液中無機鹽濃度和種類對電脫水的影響，得出不同濃度和種類的無機鹽對電脫水過程中水滴變形程度的影響規(guī)律[20]。Huang S T等研制了一種新型高壓變頻脈沖交流電源，并應用到原油脫水中[21]。通過試驗發(fā)現(xiàn)相比于工頻交流電，高頻交流脈沖電場下的最大水滴粒徑平均增大10%以上，最大水滴粒徑對應的聚結電壓有效值平均下降30%以上。Chang J Y等則采用矩形波高頻/高壓脈沖交流電對原油乳化液進行電脫水實驗[22]。研究結果表明與工頻/高壓交流電源對比，原油乳化液的脫水效果在高頻/高壓脈沖交流電場下更加明顯。此外，還深入研究了不同頻率下高頻/高壓靜態(tài)電脫水效率與電壓的關系，圖3為含水率為5%、脫水15min后脫水率與電壓的關系[22]。為了能進一步驗證合適的頻率對電脫水效果具有一定的促進作用，Kakhki N等通過建立相關的數(shù)學模型來模擬工業(yè)電脫水的過程[23]。模擬結果表明：將電流頻率從50Hz提高到300Hz，原油中的含水率從0.12%降低到0.09%?？偟膩碚f，提高電源電壓、頻率均有助于促進小水滴的聚結，從而提高脫水效果。

圖3 含水率5%、脫水15min后效率與電壓的關系

1.1.1.5雙頻與單頻

高壓脈沖電脫水過程雖然具有較高的破乳效率，但是它主要依賴于高壓和高頻的作用，破乳成本高，而且由于施加在電極上的脈沖交流電壓呈正弦曲線變化，每個周期內(nèi)只有兩個瞬間使電場強度達到最大值，存在不能持續(xù)高效破乳等問題，為此提出了雙頻的想法。孟慶萍介紹了一種雙頻/雙電壓電脫水技術，克服了以上缺點[24]。該技術不僅能夠?qū)崿F(xiàn)稠油的破乳分離。同時還具有電力供給穩(wěn)定、提高電源的可利用率等優(yōu)點。沈瑋瑋等發(fā)現(xiàn)雙頻電場增加了電場聚結的有效作用時間和有效作用電壓，提高了電脫水的脫水效果[25]。通過案例，還發(fā)現(xiàn)在入口處原油含水體積分數(shù)為8.0%左右時，雙頻電場與常規(guī)AC電場技術相比可以減小電脫水器的設計尺寸。

1.1.1.6電場與離心場的結合

隨著油田采出液乳化現(xiàn)象的愈發(fā)嚴重，乳化液僅在電場和重力場的作用下不僅容易產(chǎn)生電短路和電分散，而且容易產(chǎn)生第三相乳狀液[26～30]，給分離造成不良影響。針對該種狀況，閻軍等研究了水/油型(W/O)乳狀液在攪拌下的運動運碰撞狀況，設計了一種新型(同時具有靜電場和離心場)連續(xù)靜電分離器，得出了乳狀液停留時間、乳狀液含水量、油相粘度和攪拌速度對破乳效果的影響[31]。

王永偉等設計了一種新型離心-脈沖電場聯(lián)合破乳裝置，該裝置使水滴在電場力和離心力的共同作用下產(chǎn)生聚結作用[32]。研究發(fā)現(xiàn)該裝置具有破乳率高，能有效避免電短路、電分散及第三相的產(chǎn)生等諸多優(yōu)點，此外它還可以實現(xiàn)連續(xù)破乳，生產(chǎn)效率高。沈江南等通過設計的旋流-脈沖高壓靜電連續(xù)破乳器側(cè)重的研究了破乳效果最佳時的油內(nèi)比，最佳油內(nèi)比為2∶1[33～35]。徐進通過在脫水型旋流器的溢流附近插入電極棒，設計出一種直流電型水力旋流器，實現(xiàn)油水的高效分離[36]。上面3種裝置均為電場和離心場對混合液同時作用來進行脫水，No?k C等設計的新型的脫水機把脫水過程分成3部分來完成[37]，第1部分為兩個同心圓柱，起到靜電聚結作用，第2部分為離心分離過程，最后一部分為水相從油相中分離的過程。并通過室內(nèi)試驗進行了不同流量和不同類型原油的測試，取得了較好的結果。

龔海峰等除了將電場與離心場進行結合外，還將溫度場引入其中，實現(xiàn)三場耦合[38]。電場、離心場和溫度場實現(xiàn)的功能分別是聚結水滴，除去大粒徑水滴和微小粒徑水滴。經(jīng)過合理地集成，實現(xiàn)了廢潤滑油的高效破乳。試驗發(fā)現(xiàn)，相比較單一的真空加熱破乳脫水技術，三場聯(lián)合破乳技術在單位能耗和單位耗時上分別降低了80.0%和80.7%。這種多場耦合破乳脫水工藝對于設計研制高效、快速、節(jié)能的廢油破乳脫水裝置和促進廢潤滑油的再生凈化方面具有重要意義。

綜上所述，影響電脫水中的液-液分離的分離效果主要體現(xiàn)在電場的均勻性、電場強度、電壓及頻率等方面。其中，一定范圍下電場非均勻系數(shù)越大，脫水效果越好；電脫水過程中存在臨界脫水電場強度E，當外界電場強度大小為E時，脫水效果最佳；不同含水下將AC與DC電場結合使用，采用雙頻、高頻、高壓脈沖電場及電場與離心場的結合等均有利于油水乳化液的高效、快速破乳。

1.1.2固-液分離

在工業(yè)和日常生活中電脫水技術還應用到了固相、液相的分離，國內(nèi)外應用較廣泛的是污泥電脫水。污泥電脫水技術具有脫水效率高、效果好及無需添加任何藥劑等優(yōu)點引起了學者們的重視[39]。

污泥電脫水技術是一種以電能為驅(qū)動力的固-液分離技術，一些帶有負電的基團(如硫酸根、烴基等)包含于污泥顆粒表面的大分子胞外聚合物(EPS)中[40]，因此污泥表面會吸附一些陽離子，并構成污泥雙電層結構來實現(xiàn)電荷的平衡。在電場作用下，污泥顆粒會帶有負電荷，在電場的驅(qū)動下會向陽極發(fā)生遷移，但處于雙電層中擴散層內(nèi)的正電荷則會攜帶水分通過電滲透作用向陰極發(fā)生遷移，實現(xiàn)污泥與水相的分離[41]。污泥電脫水技術能同時脫除污泥中的毛細水和部分化合水，故可以對污泥進行深度脫水[42]。

Pham T等結合了最近的技術發(fā)展，總結出了污泥電脫水具有去除病原菌、降低能耗、降低運輸成本及防止濾池結垢等優(yōu)點，還探討了影響污泥電脫水效果的相關因素[43]。

1.1.2.1電場方向

在污泥電脫水過程中，電場的方向?qū)γ撍Ч哂酗@著的影響。周加祥等認為水平平板電場具有較好的脫水效果[44，45]。周加祥采用了一種水平方向的平板電場對污泥和水進行分離。經(jīng)過室內(nèi)試驗分析了不同pH值、絮凝劑和電場強度對污泥電脫水的影響規(guī)律；對機械脫水和水平電場下電脫水所獲得濃縮污泥的微觀形態(tài)進行了比較，發(fā)現(xiàn)電脫水下污泥絮凝體結構比較緊密。季雪元介紹了國內(nèi)外幾種污泥電脫水裝置：多級電脫水裝置、交變電場污泥脫水裝置、間斷電場污泥脫水裝置、旋轉(zhuǎn)陽極電脫水裝置及水平電場污泥脫水裝置等。經(jīng)過分析也發(fā)現(xiàn)水平方向平板電場脫水裝置能夠一定程度上解決垂直電脫水所產(chǎn)生的氣體導致陽極接觸電阻增大等方面的問題，且其結構簡單更易獲得推廣。

馬德剛等則認為雖然直流水平平板電場下的污泥電脫水在實驗室階段和理論研究中起著關鍵作用，但是由于電場加載形式的缺陷，在實際工程中無法得到廣泛應用[46]。因此，提出了一種環(huán)狀固定電場來彌補，圖4為3種不同電場方向的電極排布方式。并通過試驗研究了環(huán)形電場下的污泥電脫水的特性，發(fā)現(xiàn)影響靜態(tài)脫水的因素有外加電源的電壓梯度大小和污泥脫水停留時間，除此之外，電源的供電形式對動態(tài)脫水也有影響。兩種情況下脫水后的混合相體積均減少了一半以上。

圖4 3種不同形式電場方向?qū)姌O的排布方式

1.1.2.2工藝操作參數(shù)

Akrama M等研究了工藝操作參數(shù)對活性污泥電脫水效果的影響[47]。研究結果表明，在污泥壓縮階段，通過延遲電場的應用，采用一定的電壓控制脫水時能節(jié)省10%～12%的損耗，采用一定的電流來控制脫水時能節(jié)省30%～46%的損耗。還發(fā)現(xiàn)，在較小的電場強度下，處理污泥的壓力增加對污泥脫水效果有明顯的影響；在較大的電場強度下，所需壓力減小，但也需要一個0.4～0.6MPa的最小壓力范圍來確保電極與污泥之間的接觸。Olivier J等的研究重點主要集中在電流、電壓及初始干固體的含量等工藝參數(shù)對脫水性能的影響[48]。Yu W B等則側(cè)重于污泥電脫水裝置中電源的研究，并采用線性伏安法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電源，驗證了該方法是優(yōu)化操作參數(shù)和降低能耗的有效方法[49]。

1.1.2.3輔助脫水方法

污泥電脫水是利用電能作為驅(qū)動力來進行脫水的，對于特定的污泥電脫水設備，均有最佳的操作參數(shù)范圍，在該范圍內(nèi)脫水效果達到最佳，想要進一步提高效率只能靠外界的輔助方法來實現(xiàn)，目前輔助電脫水方法從性質(zhì)上可以分為物理輔助法和化學輔助法，如圖5所示。

圖5 輔助脫水方法

物理輔助法。馬德剛等分別利用超聲波和通過添加吸水材料來促進污泥電脫水效果[50, 51]。其中超聲波可在保持污泥顆粒原有大小的基礎上，將污泥中的結合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?。實驗發(fā)現(xiàn)超聲波輔助脫水不僅能提高污泥的脫水率[52]，而且可以利用超聲波對污泥電脫水之前進行預處理來促進后續(xù)電脫水的效果。添加吸水材料的方法是利用吸附分離的原理來提高脫水效果。Conrardy J B等認為在污泥電脫水工藝中，采用導電的金屬作為過濾裝置可減小脫水過程中的電阻，降低能耗，從而提高脫水效果[53]。

Pham T等通過試驗發(fā)現(xiàn)使用聚電解質(zhì)一方面可使污泥餅中干固體的含量提高到39%；另一方面聚電解質(zhì)的加入降低了可交換態(tài)金屬的含量，該研究為脫水過程中產(chǎn)生的重金屬二次污染問題上提供參考[54]。Dong L W等采用去離子水清洗和添加Na2SO4溶液這兩種方式來改變污泥的電導率，并分析了污泥電滲透脫水的效果和能耗[55]。研究結果表明，隨著Na2SO4溶液的增加，污泥電導率增加將近2.5倍，脫水效率提高了5.5%，但能耗上升了45.9%。采用去離子水進行洗滌，污泥電導率降低了2.6倍，最終電脫水后的污泥含水率略有增加，但是能耗降低了15%～24%。單從節(jié)省能耗的角度出發(fā)，電滲透法更加適合電導率較低的污泥脫水。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)電場方向、工藝操作參數(shù)等是影響電脫水中固-液分離效果的主要因素。其中，電場方向采用環(huán)形固定電場優(yōu)于其他形式的電場；污泥壓縮階段利用延遲電場能降低能耗；同樣脫水效果下，所需電場強度與污泥處理壓力成反比。利用超聲波法、添加化學藥劑等輔助方式均能促進脫水效果。

1.2 電除塵

1.2.1作用原理

電場作用下的氣-固兩相的分離主要集中在電除塵上。目前，國內(nèi)外學者不僅能將電除塵技術成熟的應用到現(xiàn)場，而且在數(shù)值模擬上已經(jīng)形成了確定的方案和計算模型。模擬優(yōu)化和現(xiàn)場試驗能夠互相驗證結構的合理性，給電場作用下氣-固兩相分離的發(fā)展奠定了基礎。

電除塵器的除塵過程一般包含：氣體電離、粉塵荷電、粉塵驅(qū)進、粉塵沉積和粉塵移除[56]，在一個放電周期內(nèi)，這5個過程可能同時發(fā)生。電除塵器內(nèi)與高壓電源相連的陰極線附近發(fā)生負極性電暈放電，形成大量離子、電子和電場。進入電除塵器的顆粒物通過場致荷電和擴散荷電作用在其表面攜帶大量電荷。顆粒物主要荷載負電，故在電場力作用下向電勢較低的收塵極板遷移。隨后茹附力、電場力及毛細作用力等作用在顆粒物上使它附在極板表面并形成粉塵層。當粉塵層累積到一定厚度時，需要通過振打、聲波清灰等手段使粉塵顆粒層從極板表面脫離并落入到灰斗從煙氣體系中分離。

1.2.2電除塵器除塵效果的影響因素

影響電除塵器除塵效果的因素主要包括粉塵顆粒的性質(zhì)、除塵器內(nèi)部流場狀況及振打方式等。針對這些因素，提出了多種方法來進行優(yōu)化，使除塵器獲得一個較高的除塵效果。

1.2.2.1粉塵顆粒性質(zhì)

在電除塵過程中，除去的對象為固體粉塵顆粒，所以顆粒的屬性是影響除塵效果的最重要因素之一。

唐敏康和李永兵建立了電除塵器中粒子運動和分布的數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)電除塵器中固體顆粒在橫斷面上的濃度分布規(guī)律基本為指數(shù)函數(shù)分布，相比較于電暈線附近的顆粒濃度值，靠近收塵極板的濃度值更高[57]。黃釗針對除塵效果與顆粒粒徑的關系進行了研究，發(fā)現(xiàn)對于線管式靜電除塵器顆粒尺寸在1～10μm變化時，除塵效率隨著粒徑的增大而提高[58]。邵毅敏等則主要集中于研究粉塵的粒徑尺寸對除塵器中氣流分布的影響，研究結果表明：相對于有粉塵，無粉塵條件下氣流具有較佳的分布狀況，且粉塵的粒徑越大，對氣流分布模擬結果影響越大[59]。閆克平等從電阻率與電除塵器適用性之間關系的角度進行了研究，發(fā)現(xiàn)粉塵電阻率在104～1010Ω·cm范圍內(nèi)較為適宜電除塵器捕集；1010～1013Ω·cm內(nèi)也可采用電除塵器，但會產(chǎn)生火花；高于1013Ω·cm或低于10-4Ω·cm均不利于除塵器進行除塵[60]。

1.2.2.2靜電除塵器內(nèi)部流場

在電除塵器中，影響除塵效率的另一個重要因素是氣流分布[61]，除塵器入口的結構和氣體流動情況直接影響著除塵器內(nèi)部流場。黃釗從除塵效率與入口速度之間的關系方面研究發(fā)現(xiàn)一定條件下，當入口氣流速度處于0.5～0.9m/s時，除塵效率與氣流流速成反比[58]。張櫻通過對袋式電除塵器內(nèi)部流場進行模擬，分析了除塵器結構和入口風速對流場的影響規(guī)律，確定了最佳的袋室高度和過濾風速，得出了在除塵器喇叭口內(nèi)布置雙層氣流均布板可以減緩煙氣對濾袋的沖刷并且能使袋室內(nèi)部流量分配更加均勻等重要結論，為高效率的袋室除塵器的設計提供了參考[62]。李慶等從結構優(yōu)化的角度出發(fā)，針對性的模擬分析了除塵器進口處的流場，提出將兩相鄰煙道進口處的電暈線交叉放置來代替常規(guī)的平行放置，該做法能使除塵器的氣流分布更加均勻，有助于提高除塵效率[63]。

1.2.2.3其他因素

影響電除塵器除塵效果的其他因素還有振打方式、電源的電壓、電源類型及電極等。Zheng Q Z等的研究集中在除塵器的振打部位[64]。發(fā)現(xiàn)相同的振打參數(shù)下，選擇側(cè)部機械振打，電除塵器排放的PM10.0質(zhì)量濃度降低了26.85%，PM2.5降低了71.53%。閆克平等針對帶電振打和斷電振打進行了研究，發(fā)現(xiàn)帶電振打能有效降低PM2.5，避免了二次揚塵的逃逸[60]。斷電振打能夠?qū)⒎蹓m層較為徹底地從極板上剝離，但會加劇二次揚塵程度。

對于電壓的影響，蘇明旭等均認為在一定范圍內(nèi)，電除塵器的除塵效果與電壓大小成正比，對此，蘇明旭通過試驗進行了驗證[65]。Sretenovic I對靜電除塵器的電源類型進行了總結，得出電源類型主要分為3種，并介紹了每一種的電氣運行參數(shù)、可靠性和成本，為靜電除塵器電源的選擇提供了依據(jù)[66]。王克亮等概述了電極對除塵效果的影響，介紹了各種形式收塵電極的優(yōu)缺點和適用性[67]。

以上分析可知電除塵器的除塵效果主要受顆粒性質(zhì)和除塵器內(nèi)部流場影響。一定范圍內(nèi)，除塵效果與顆粒粒徑和電壓成正比；除塵效果最佳時的顆粒電阻率范圍為104～1010Ω·cm；將除塵器兩相鄰煙道進口處的電暈線交叉放置和對入口處結構進行處理均有提高除塵效果的作用；此外，振打方式、電極等對除塵效果也產(chǎn)生影響。

2 磁場下非均相介質(zhì)的分離

2.1 背景及原理

磁場作用下非均相介質(zhì)的分離方面，國內(nèi)外學者主要是通過在水力旋流器上增設磁場形成磁力旋流器來實現(xiàn)混合相的分離。其中，水力旋流器主要由入口、旋流腔、錐段、底流口及溢流口等部分組成。為了提高旋流器的分離性能，研究人員設計了各種形式的旋流器來應對不同的工況和分離效果差的情況，其中典型的是在旋流器中增加螺旋導流結構，該結構能明顯的提高旋流器的分離性能[68～75]。

磁力旋流器的磁場指向或背離旋流器中心軸線，混合介質(zhì)進入旋流器后在離心力作用下進行離心分離，其中磁性顆粒同時受到離心力和磁力，使磁性顆粒與其他相能高效分離。柴兆贇和張洋通過試驗和磁場模擬發(fā)現(xiàn)單個磁鐵礦粉受力由中心向器壁隨著半徑的增大磁力逐漸增大[76]。王芝偉和梁殿印利用數(shù)學軟件建立了磁性顆粒在磁力分選裝置中運動的數(shù)學模型，得到了磁性顆粒在磁力、離心力及阻力等9種力下的時間-位移圖像[77]。磁力旋流器的磁場來自于永磁鐵或電磁鐵，前者結構簡單但調(diào)節(jié)不便，適用面窄。后者可以產(chǎn)生較高的磁場強度和梯度，而且磁場具有更好的可控性，在處理微細磁性礦物時更具優(yōu)勢[78]。

2.2 磁力旋流器研究現(xiàn)狀

1963年，前蘇聯(lián)學者首次提出將電磁場引入旋流器中，第1臺磁力旋流器由此誕生，并利用它對磁鐵礦礦漿進行了脫泥和濃縮試驗。結果表明，磁力旋流器具有很大的開發(fā)潛力[79]。目前，國內(nèi)外不同種類、不同用途的磁力旋流器大致可以分為3種，即底流排出型、溢流排出型和重介質(zhì)型[80]。

2.2.1磁場作用于旋流器某一位置

郭娜娜通過模擬發(fā)現(xiàn)旋流器中徑向磁場力的最大值處于最大切向速度軌跡面附近，并設計了室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)相比于無磁場作用有磁場條件下礦樣的分級效率、鐵品味和回收率均有明顯提高(圖6)[81]。從圖6中可見當電流大于0.5A后，分級效率、鐵品味和回收率均有下降趨勢，這是由于電流過大將導致磁團聚現(xiàn)象，并且電流越大(磁場強度越大)磁團聚現(xiàn)象越嚴重。

圖6 不同電流強度下礦樣的分級效率、鐵品味和回收率

金喬設計了一種底流排出型磁力旋流器，發(fā)現(xiàn)設計的磁力系統(tǒng)中線圈的上部產(chǎn)生了一個軸向分量豎直向下，徑向分量指向線圈內(nèi)壁的磁場[82]。該磁力系統(tǒng)的作用主要表現(xiàn)在兩個方面。首先，當磁感應強度處于較大值時，磁鐵礦在磁力的作用下進入沉砂口，進而增大磁鐵礦的回收率；其二，當磁感應強度處于較小值時，可以增大旋流器中的內(nèi)旋流和外旋流過渡界面的密度，最終實現(xiàn)提高礦物分選的目的。

2.2.2磁場作用于旋流器多個位置

樊盼盼等針對稠密介質(zhì)，在重介質(zhì)旋流器的旋流腔和錐段施加軸向電磁場形成重介質(zhì)磁力旋流器[83，84]。模擬了磁場作用下粒子所受的磁力大小，通過室內(nèi)試驗研究了旋流器中特定粒徑的顆粒在不同電流下的分布情況：在磁場作用下，顆粒的徑向、軸向運動速度均有所提高，有助于顆粒的分離。

王拴連提出在旋流器的溢流管和底流口和錐部均施加磁場，磁場由永磁鐵產(chǎn)生，研究該條件下介質(zhì)的分布狀況[85]，此外，還通過磁場模擬確定了六磁極磁場分布優(yōu)于四磁極磁場分布。在模擬的基礎上，通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)當永磁體布置在溢流管和錐段時，從溢流口流出的介質(zhì)含量隨著磁極厚度的增大逐漸降低，說明旋流器內(nèi)的分選密度下降；當永磁體安裝在旋流器底流口時，從溢流口流出的介質(zhì)含量隨著磁極厚度的加大而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，說明此時旋流器內(nèi)的分選密度增大。

為了研究磁場作用于旋流器不同位置時的分選效果，孔令帥等則分別在旋流器入料口下方、溢流管入口、柱子錐交界、錐中和底流口處施加磁場，將磁力旋流器應用到磁鐵礦的脫泥工程上。通過分析發(fā)現(xiàn)磁場作用于旋流器的錐中位置時，旋流器底流產(chǎn)率最高(圖7)[86]。還發(fā)現(xiàn)相對于單線圈，電磁線圈使用雙線圈時底流口鐵的回收率由82.26%增加到98.96%，溢流口礦漿濃度由15.00%濃縮至18.83%。

圖7 磁場施加于不同位置時底流產(chǎn)率與電流的關系

2.2.3其他因素及措施

在磁力旋流器進行運轉(zhuǎn)時，旋流器中的磁性顆粒會產(chǎn)生絮凝和積累現(xiàn)象，該現(xiàn)象將影響旋流器中流場的穩(wěn)定性、降低分選效果。針對這個問題，F(xiàn)reeman R J等采用釹鐵硼材質(zhì)的永磁鐵設計了一種新型磁力旋流器，克服了磁性顆粒絮凝和積累的問題[87]。與傳統(tǒng)水力旋流器相比，這種磁力旋流器對磁鐵礦的回收率提高了大約13%，而且同條件下，安裝和處理時間明顯減少。Shen G和Finch J A研究了磁力旋流器中的磁電路的設計，設計了一種多級電路，并證明了它相對于以往的兩級電路有明顯的優(yōu)勢[88]。Avdeyev B等給出了一種新的電磁旋流器分離效率的計算方法，它和已知的方法相比考慮了磁場下磁性顆粒間的凝聚力的作用，減小了系統(tǒng)數(shù)值解的影響，并得出了效率與顆粒相對粒徑的關系(圖8)[89]。桑俊勇等發(fā)現(xiàn)對于高梯度磁分離過程，適當增加分選腔中的磁介質(zhì)含量有利于提高分離效果，并通過試驗研究驗證了當介質(zhì)含量為2.0%時，分離效果最好[90]。

圖8 效率與磁性顆粒的相對粒徑的關系

綜上所述，不同類型磁力旋流器分離效果最佳時磁場具有確定的作用位置；采用釹鐵硼永磁鐵的磁力旋流器可克服磁性顆粒絮凝和積累的現(xiàn)象，磁鐵礦回收率可提高約13%；磁電路設計為多級電路、適當增加混合相中的磁介質(zhì)含量均有利于提高分離效果。

3 結束語

通過研究人員幾十年的不斷努力攻關，在石油、化工及礦場等領域，電場和磁場下非均相分離技術得到了長足的發(fā)展。就目前的研究現(xiàn)狀來看，在石油化工、礦場領域中該技術主要體現(xiàn)在電脫水(液-液分離和固-液分離)、電除塵和磁力旋流器上。

基于筆者的介紹和分析可知，電場、磁場在非均相分離中應用潛力巨大，但同時也發(fā)現(xiàn)在技術發(fā)展過程中仍然有許多技術難題需解決。如對于電脫水，缺乏對整個裝置脫水效果的定性模擬和優(yōu)化，定性的模擬優(yōu)化對于縮短設備設計周期、節(jié)約成本和提高脫水效率有重要意義。對于磁力旋流器，在多物理場(磁場、離心場、重力場)耦合機理方面缺乏相關的研究。此外，以上分離中的混合介質(zhì)均是其中一相的含量遠高于另一相的情況，具有使用的局限性。針對以上的問題，今后對于該項技術的研究將主要集中在：將電場、磁場下非均相分離技術拓寬到兩相含量的比例范圍更廣泛的情形；設計出更加合理的電場或磁場系統(tǒng)，使分離裝置能夠靈活適應于多種場合的非均相分離；將電場和磁場同時合理的引入到分離裝置中，實現(xiàn)兩相以上的多相介質(zhì)分離或兩相更精細的分離；研究分離過程中電磁場與介質(zhì)的耦合機理，建立合適的數(shù)值模型；將電場和磁場分離拓寬到氣液固三相任意兩相的高效分離。

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