李雯心

1中信重工工程技術(shù)有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

工業(yè)生產(chǎn)中常有細(xì)粒固液混合物需要進(jìn)行分離，以便進(jìn)行后續(xù)工業(yè)應(yīng)用，如煤炭行業(yè)的煤泥、浮選精煤及尾煤，金屬和非金屬礦山濕法分選的精礦和尾礦，冶金行業(yè)的氧化鋁種子液和多種金屬粉末，油田鉆井排出的廢泥漿，化工行業(yè)的橡膠、塑料和聚合物，食品行業(yè)的粗砂糖和淀粉，城市雨水和污水形成的污泥等，根據(jù)細(xì)粒固液混合物的性質(zhì)和固體物料的細(xì)度、比重、沉降速度的不同，采用的分離方法也各不相同。

1 常用分離方法

1.1 自然沉淀法

自然沉淀法是利用細(xì)粒固液混合物中固體顆粒的可沉降性能，在重力作用下產(chǎn)生下沉，實(shí)現(xiàn)固液分離的方法。如一些小型煤礦的煤泥、浮選精煤和尾煤，一些小型金屬和非金屬礦的分選精礦，都可以通過建設(shè)多個(gè)沉淀池循環(huán)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)混合物的固液分離。一般分離出的液體可以循環(huán)利用，固體作為相應(yīng)的工業(yè)原料。另外大部分金屬和非金屬礦的尾礦也采用自然沉淀法實(shí)現(xiàn)混合物的固液分離，分離的液體用泵送回選礦廠循環(huán)利用，固體作為廢料留存在尾礦庫(kù)中，尾礦庫(kù)裝滿后表層覆蓋黏土，可以植樹或種植農(nóng)作物。

1.2 濃縮過濾法

濃縮過濾法[1]是將需要固液分離的混合物給入濃縮機(jī)，固體顆粒在濃縮機(jī)內(nèi)沉降 (必要時(shí)可以在混合物給入濃縮機(jī)時(shí)添加絮凝劑溶液，以便使細(xì)小固體顆粒形成絮團(tuán)加速沉降) 到殼體下部形成濃漿，殼體上部的澄清液從濃縮機(jī)上部殼體周邊溢出收集利用。殼體下部沉降形成的濃漿由濃縮機(jī)的爬架收集到其下部的中心排料口，然后用泵送給過濾機(jī)。過濾機(jī)的常用形式有圓盤濾袋式、圓盤陶瓷式、水平濾布帶式等，過濾介質(zhì)一般是各種濾布或陶瓷板。使用時(shí)濾布的絲線間或陶瓷板的毛細(xì)孔中會(huì)進(jìn)入微小固體顆粒，影響過濾效率，所以一般使用一個(gè)班次 (可以根據(jù)具體使用情況延長(zhǎng)或縮短時(shí)間) 應(yīng)進(jìn)行一次清洗。采用各種濾布的過濾機(jī)使用清水進(jìn)行沖洗，將濾布的絲線間進(jìn)入的微小固體顆粒沖出，恢復(fù)濾布的過濾效率；采用陶瓷板的過濾機(jī)使用稀鹽酸或稀硫酸液體浸泡，將陶瓷板毛細(xì)孔中進(jìn)入的微小固體顆粒溶解，恢復(fù)陶瓷板的過濾效率 (陶瓷板式過濾機(jī)一般僅用于可以被稀酸溶解的金屬礦)。過濾機(jī)的過濾原理是通過真空泵抽真空，使濾材內(nèi)外形成壓力差，液體通過濾材、固體截留在濾材表面而進(jìn)行的固液分離，所以固液分離的效果受濾材內(nèi)外壓力差的限制，影響壓力差的因素主要有真空泵的性能、過濾機(jī)的密封效果、濾材構(gòu)造、大氣壓力等，應(yīng)用時(shí)一般過濾機(jī)濾材內(nèi)外壓力差為0.04～ 0.09 MPa。由于此壓力差較小，對(duì)于固體顆粒較小 (25 μm 以下) 和比重較輕的物料，難以形成濾餅或者濾餅很薄，不適合工業(yè)應(yīng)用。

1.3 濃縮攪拌壓濾法

濃縮攪拌壓濾法是將需要固液分離的混合物給入濃縮機(jī)，分離出的澄清液收集利用，分離出的濃漿用泵送入攪拌桶，然后再泵送至壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離。壓濾機(jī)由濾板、濾框、液壓系統(tǒng)、濾板傳輸系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等部分組成。濾板的表面有凹陷和溝槽，其溝槽的凸出部位用以支撐濾布，板框兩側(cè)各有把手支撐在橫梁上，由液壓系統(tǒng)壓緊板框，板框之間的濾布起密封和過濾介質(zhì)的作用。工作時(shí)用泵將濃漿壓入濾板表面凹陷形成的濾室，液體穿過濾布并沿濾板溝槽流至板框邊角通道，集中排出。固體在濾布間形成濾餅，直至充滿濾室并達(dá)到需要的過濾壓力或規(guī)定的質(zhì)量后停止供料，必要時(shí)還可以在停止供料后通入壓縮空氣，讓氣體再帶走固體中的一些液體，進(jìn)一步降低固體的含液量，滿足后續(xù)工業(yè)應(yīng)用需要。隨后打開壓濾機(jī)的板框卸除濾餅，清洗濾布，重新壓緊板框，開始下一工作循環(huán)。所以使用壓濾機(jī)時(shí)需要間斷供料，為了避免壓濾機(jī)非供料時(shí)間段管道中固體沉淀堵塞管道或閥門，供料管道中的濃漿循環(huán)回?cái)嚢柰?。壓濾機(jī)的濾材為各種加厚濾布，其兩面的壓力差一般為 0.4～ 0.7 MPa。特種壓濾機(jī)濾材兩面的壓力差可達(dá) 1.2～1.5 MPa，采用加厚致密濾布和較大的壓力差，可以處理比重輕和細(xì)度小的固液混合物。

1.4 旋流篩分濃縮過濾法

旋流篩分濃縮過濾法是將需要固液分離的固液混合物給入旋流器，其底流自流至振動(dòng)篩，振動(dòng)篩的篩上為分離出的粗顆粒固體，旋流器的溢流和振動(dòng)篩的篩下再給入濃縮機(jī)，濃縮機(jī)的溢流液循環(huán)利用，濃縮機(jī)的底流泵入過濾機(jī)，過濾機(jī)的濾液流入濃縮機(jī)或者和濃縮機(jī)的溢流混合利用，過濾機(jī)的濾餅和振動(dòng)篩的篩上混合或者單獨(dú)應(yīng)用。該種方法的適用范圍和濃縮過濾法相似，在需要處理的固液混合物的量大且固體顆粒粒度范圍較大時(shí)，增加旋流器和振動(dòng)篩可以預(yù)先分離出料漿中 30%～ 60% 的粗固體顆粒，降低濃縮機(jī)和過濾機(jī)的規(guī)格或使用臺(tái)數(shù)。

1.5 旋流篩分濃縮攪拌壓濾法

旋流篩分濃縮攪拌壓濾法的旋流篩分濃縮過程與旋流篩分濃縮過濾法類似，濃縮機(jī)的底流給入攪拌桶，然后給入壓濾機(jī)，壓濾機(jī)的濾液給入濃縮機(jī)或者和濃縮機(jī)的溢流混合利用，壓濾機(jī)的濾餅和振動(dòng)篩的篩上混合或者單獨(dú)應(yīng)用。該種方法的適用范圍是料漿中的固體顆粒尺寸范圍大、需要處理的料漿量大，且細(xì)粒無(wú)法有效采用過濾方法進(jìn)行固液分離。該方法采用旋流器和振動(dòng)篩可以預(yù)先分離出料漿中的固體粗顆粒，降低后續(xù)濃縮機(jī)、攪拌桶和壓濾機(jī)的處理量，從而減小其使用規(guī)格或臺(tái)數(shù)，降低整體設(shè)備和工程投資。

1.6 離心沉降法

對(duì)于料漿濃度高、固液分離后液體的含固量要求較低時(shí)，可以采用離心沉降法，如油田鉆井排出的廢泥漿的固液分離。廢泥漿中含有油類、膨潤(rùn)土、堿和化合物，直接排放或填埋會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和地下水造成污染，另外廢泥漿的液體及其含有的有害物質(zhì)可以在鉆井時(shí)應(yīng)用，減少新水、油類、膨潤(rùn)土、堿和化合物的加入量，節(jié)省原料的使用費(fèi)用。離心沉降法采用的設(shè)備通常為沉降離心機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 沉降離心機(jī)結(jié)構(gòu)

該類設(shè)備的工作原理是電動(dòng)機(jī)通過帶輪、差速器帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋高速旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)差率，固液混合物經(jīng)進(jìn)料管、螺旋出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，比重大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒推到轉(zhuǎn)鼓的小端沿徑向甩出，液相和固液混合相在轉(zhuǎn)鼓大端溢流排出，高速旋轉(zhuǎn)可以給固液混合物提供較大的分離因素，最大可以超過 3 000g，相當(dāng)于超過重力沉降的 3 000 倍，所以固體料層較密實(shí)，含液量較低，應(yīng)用于鉆井排出的廢泥漿，可以使其排出的固體達(dá)到國(guó)家固體廢棄物排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.7 離心沉降攪拌壓濾法

對(duì)于粒度細(xì)、比重接近液體而形成的懸浮液，固體的沉降速度特別慢，甚至長(zhǎng)時(shí)間處于懸浮狀態(tài)，難以采用自然或濃縮沉降法進(jìn)行處理，如部分生物制藥、淀粉分離、大豆蛋白脫水、工業(yè)污水、城市生活污水等行業(yè)，這些都需要先采用高分離因素的沉降離心機(jī)進(jìn)行濃縮，將難以自然沉降的小比重細(xì)粒固體通過強(qiáng)大的離心力甩到沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的外層，形成固體層或固液濃漿層，通過與轉(zhuǎn)鼓作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片不斷地將其沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁推到轉(zhuǎn)鼓的小端沿徑向甩出，沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)層的清液在轉(zhuǎn)鼓大端溢流排出收集利用。沉降離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓小端沿徑向甩出固液濃漿給入攪拌桶進(jìn)行緩沖，然后再給入壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離，壓濾機(jī)的濾液給入沉降離心機(jī)或者和其溢流混合利用，壓濾機(jī)的濾餅作為工業(yè)原料。

2 不同過濾方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

自然沉淀法的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備用量很少、能耗低、投資低；缺點(diǎn)是占地面積大、固液分離時(shí)間長(zhǎng)、受地形位置和占地面積的限制較多。濃縮過濾法的優(yōu)點(diǎn)是流程短、工藝簡(jiǎn)單、占地面積小、設(shè)備少、投資低；缺點(diǎn)是使用范圍窄，不適用于固體顆粒較小 (25μm 以下) 和比重較輕的物料。濃縮攪拌壓濾法的優(yōu)點(diǎn)是流程和工藝短、設(shè)備和占地面積適中，可以實(shí)現(xiàn)比重輕和細(xì)度小的固液混合物的固液分離；缺點(diǎn)是壓濾機(jī)間斷供料、處理量小、設(shè)備投資偏高。旋流篩分濃縮過濾法的優(yōu)點(diǎn)是分級(jí)分選效果好，可以實(shí)現(xiàn)黏稠度低的顆粒物與水的分離；缺點(diǎn)是流程偏長(zhǎng)、設(shè)備種類多、工藝流程復(fù)雜。旋流篩分濃縮攪拌壓濾法的優(yōu)點(diǎn)是分級(jí)分選效果好，可以實(shí)現(xiàn)黏稠度高的礦物與水的分離；缺點(diǎn)是流程偏長(zhǎng)、設(shè)備種類多、維修成本高。離心沉降法的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小、固體含液量低；缺點(diǎn)是溢流含固量高、設(shè)備費(fèi)用高、運(yùn)行能耗高。離心沉降攪拌壓濾法的優(yōu)點(diǎn)是首先采用離心沉降法分離出大部分的液體，大大降低攪拌桶和壓濾機(jī)的使用量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省占地面積，降低設(shè)備和工程投資；缺點(diǎn)是工藝能耗最高。

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，細(xì)粒固液混合物的種類不斷增多，細(xì)粒固液混合物的分離方法也在不斷變化，總的發(fā)展趨勢(shì)可分為 2 個(gè)方面。一是細(xì)粒固液混合物分離系統(tǒng)集成化，將處理某一種類的細(xì)粒固液混合物的工藝和設(shè)備進(jìn)行整合，讓系統(tǒng)高度自動(dòng)化和適度智能化，方便根據(jù)物料情況進(jìn)行調(diào)整，整合后整體體積小、便于安裝和搬遷，應(yīng)用方便。如將旋流器、離心機(jī)、振動(dòng)篩等集成為一體應(yīng)用于鉆井污泥的處理；將旋流器、振動(dòng)篩和帶式輸送機(jī)等集成為一體應(yīng)用于煤泥處理等。二是固液分離向微細(xì)粒方向發(fā)展，如應(yīng)用于凈水處理的膜過濾技術(shù)、納濾技術(shù)、微濾技術(shù)、超濾技術(shù)、反滲透技術(shù)等在工業(yè)和生活中廣泛應(yīng)用；應(yīng)用浮選技術(shù)脫除工業(yè)廢水中的色素和金屬離子；應(yīng)用硅藻土的過濾和吸附特性，清潔工業(yè)和生活用水；應(yīng)用磁分離技術(shù)[2]脫除生活污水、食品廢水、含油廢水和印染廢水的有害雜質(zhì)，也可以去除各種污水中的磁性微細(xì)顆粒；應(yīng)用微砂沉淀技術(shù)[3]處理海水，降低海水濁度，滿足電廠用水需要等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境要求的不斷提高，細(xì)粒固液混合物的分離方法隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展不斷變化和增多，系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其分離方法針對(duì)不同的應(yīng)用行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)具體情況具體分析，必要時(shí)采用不同方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行綜合分析，既要考慮節(jié)省建設(shè)投資，又要考慮節(jié)能、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)省人力物力，還需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通過多方面對(duì)比尋找最佳的細(xì)粒固液混合物的分離方法。