朱學帥,孫 濤,宋 昭,嚴書勱,阮樂怡,柏思航,徐慧遠,韋魯濱

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 化學與環(huán)境工程學院,北京 100083;2.宜賓天原科創(chuàng)設計有限公司 綜合管理部,四川 宜賓 644000)

0 引 言

氣流分選簡稱風選,是以空氣為分選介質(zhì),在氣流力和重力共同作用下使固體顆粒按密度、粒度和形狀等特征分類的方法[1]?；诎⒒椎略?輕顆粒和重顆粒在空氣介質(zhì)中呈現(xiàn)不同運動狀態(tài),輕顆粒上浮,重顆粒下沉,從而實現(xiàn)分離。采用氣流實現(xiàn)物料分離最早可追溯到農(nóng)耕時代,迎風揚起稻谷,利用稻谷顆粒密度差異實現(xiàn)稻谷除雜[2]。20世紀初,美國將氣流分選技術應用于煤炭分選,并逐漸在其他西方國家推廣應用。21世紀初,氣流分選引入我國,應用于固廢分選領域,后逐步推廣至礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品加工等領域[3-5]。近年來,氣流分選作為一種低碳環(huán)保技術,以其低成本、低污染、操作簡便、流程簡單等優(yōu)勢廣泛應用于各工業(yè)領域。

氣流分選技術推廣應用的同時,相關理論研究快速發(fā)展。由于空氣介質(zhì)的可壓縮性,顆粒在氣流場中受力復雜,其中主導作用為重力和曳力[6],而曳力解析十分困難,早期研究以理論與試驗相結合方式為主,隨著算力不斷提升,采用計算流體力學分析曳力得到廣泛共識。

筆者主要介紹氣流分選原理、分選過程受力分析、行業(yè)應用現(xiàn)狀及氣流分選技術研究進展。探討氣流分選在應用中存在的主要問題,并對氣流分選未來趨勢進行展望,為“雙碳”背景下氣流分選進一步研究和應用提供方向。

1 氣流分選技術原理及理論進展

1.1 氣流分選技術原理

氣流分選根據(jù)顆粒在氣流場中沉降行為差異進行分離。輕產(chǎn)物在氣流曳力主導作用下沿氣流方向運動,重產(chǎn)物在顆粒重力主導作用下沿氣流反向運動。根據(jù)分選機內(nèi)顆粒流與氣流流動方向不同,將氣流分選機分為垂直、水平和傾斜3種,如圖1所示。

圖1 氣流分選機分類

垂直氣流分選的顆粒流與氣流平行。由圖1(a)可知,物料進入分選區(qū)后,顆粒流與氣流形成逆流,沉降末速大于氣流速度的顆粒在重力作用下逆氣流方向運動,成為重產(chǎn)物,沉降末速小于氣流速度的顆粒在上升氣流的作用下順氣流方向運動,成為輕產(chǎn)物;水平氣流分選的顆粒流與氣流呈90°夾角。由圖1(b)可知,物料由側向進入分選區(qū)后,顆粒豎直方向加速度相同,下落時間相同,但不同顆粒水平方向位移不同,可根據(jù)落點差異分別設置輕重產(chǎn)物回收倉,實現(xiàn)輕重產(chǎn)物分離;傾斜氣流分選的顆粒流與氣流呈0～90°夾角。由圖1(c)可知,傾斜氣流分選結合了垂直和水平氣流分選的特點,氣流曳力分力可使顆粒在分選過程中產(chǎn)生水平和垂直方向位移,強化顆粒分散,延長顆粒停留時間,從而提升分選效果。3種氣流分選方式的特點及適用領域見表1。

表1 氣流分選方式及特點

1.2 氣流分選過程受力分析

氣流分選過程中,顆粒在氣流場中主要受自身重力、氣流曳力作用。顆粒與氣流分選機壁面接觸時還會受壁面摩擦力和支持力。此外,還有氣流對顆粒的其他作用力[7],如壓力梯度力、附加質(zhì)量力、Basset力、Saffman力、Magnus力等。顆粒為球形時,受力分析如下:

顆粒自身重力G因地球重力場的作用產(chǎn)生,方向垂直向下:

(1)

式中,d為顆粒直徑,m;ρs為顆粒密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2。

氣流浮力FF表示空氣介質(zhì)對顆粒的浮力,方向向上:

(2)

式中,ρg為空氣密度,kg/m3。

顆粒在變速運動過程中,流體對顆粒周邊的流體做功,產(chǎn)生附加質(zhì)量力Ff,方向與顆粒和流體間相對加速度方向相反。由于空氣和分選物料之間密度差過大,浮力和附加質(zhì)量力可忽略不計。

(3)

式中,vg為氣流速度,m/s;vs為顆粒速度,m/s。

顆粒兩側流速不同時,會產(chǎn)生由低速到高速的升力,即Saffman力FS,特別在邊界層中表現(xiàn)明顯。由于氣流分選過程近似為均勻流場,主分選區(qū)不在邊界層,因此可忽略不計。

(4)

式中,μg為空氣運動黏度,Pas。

Basset力FB為顆粒在黏性流體中作直線變速運動時,產(chǎn)生的非恒定黏性力。因空氣介質(zhì)黏性很小,FB可忽略不計。

(5)

式中,τ為時間,s;t為當前時刻,s。

顆粒自轉(zhuǎn)時,氣流會產(chǎn)生垂直于轉(zhuǎn)動方向的升力,即Magnus力FM,由于顆粒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力,顆粒自轉(zhuǎn)發(fā)生較少時可忽略,在氣流分選中顆粒粒徑越小,自轉(zhuǎn)作用越微弱。

(6)

式中,ω為角速度,rad/s。

壓力梯度力FP是作用在顆粒上的壓強合力,其方向與壓力梯度相反,顆粒兩側壓力不一致時,應考慮壓力梯度力。

(7)

式中,P為壓強,Pa;l為壓力梯度方向的距離,m。

氣流曳力FD與流體阻力大小相等,與顆粒運動方向相反。

(8)

式中,CD為曳力系數(shù)。

曳力是氣流分選過程中最重要的力[8],決定分選效果。曳力求解過程需確定曳力系數(shù)[9],曳力系數(shù)由雷諾數(shù)決定,在不同氣流流動狀態(tài)下,雷諾數(shù)適用曳力公式也存在差異[10]。曳力系數(shù)很難進行精確的理論計算,多通過經(jīng)驗和半經(jīng)驗模型求解。常見的曳力模型有Ergun、Wen and Yu、Felice、Koch and Hill曳力模型等[11-14]。

綜上,氣流分選過程中顆粒所受合力F應包括重力、曳力和壓力梯度力,一般受力方程[15-17]為

F=G+FD+FP。

(9)

將式(9)寫成微分形式得到顆粒運動方程:

(10)

以上分析均基于球形顆粒得出,但實際工況中,物料多為不規(guī)則顆粒,通常采用近似球形的方法計算。關于非球形顆粒的懸浮速度近似方法應用較多的有3種:

1)壓差阻力法[18]使用壓差阻力代替曳力計算所得。考慮顆粒迎流面積影響,但存在模型過于簡單、考慮因素過少等問題,導致計算小顆粒(<10 cm)時誤差過大:

(11)

式中,v′s為顆粒懸浮速度,m/s;V為顆粒體積,m3;S為顆粒迎流面面積,m2。

2)當量直徑法[19]將顆粒轉(zhuǎn)化為同體積球同時用形狀系數(shù)K修正得到不規(guī)則顆粒的近似球形參數(shù)。形狀系數(shù)為固定值,忽略顆粒最大投影面積和厚度對形狀系數(shù)的影響。對于片狀顆粒,三維尺寸高度不均勻,采用固定形狀系數(shù)計算懸浮速度存在較大誤差:

(12)

式中,dd為與顆粒同體積的球體當量直徑,m;K為形狀系數(shù)。

3)形狀修正系數(shù)當量直徑法基于當量直徑法優(yōu)化而來,采用式(13)算出修正形狀系數(shù)Kx,該方法充分考慮厚度和最大投影面積對形狀系數(shù)的影響,誤差較小:

(13)

(14)

式中,a為顆粒底面邊長,m;h為顆粒厚度,m。

近年來學者基于非球形顆粒曳力模型研究創(chuàng)新性地引入人工智能算法,如閆盛楠等[20]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測非球形顆粒曳力系數(shù)。

2 氣流分選技術應用進展

2.1 氣流分選在固廢處置領域應用

固廢種類繁多,且相互摻雜,資源化處置前需分類和分選。由于固廢處置量大,附加值低,要求分離精度不高,宜采用低成本、工藝簡單處理方法。此外,固廢各物料密度、粒度、形狀等特性差異明顯,采用空氣作為分選介質(zhì)即可實現(xiàn)物料分離,而無需采用水介質(zhì)或重介質(zhì)分選,既節(jié)約水資源又降低介質(zhì)消耗,防止水體污染。

氣流分選尤其適用于輕薄物料的分選,如塑料、布料和紙張等[30]。楊先海等[31]發(fā)現(xiàn)分選塑料時,傾斜氣流效果優(yōu)于水平氣流;石文天等[32]使用臥式風選機分選泥丸、紙球和泡沫球,分選效率達80%。固廢氣流分選時受物料性質(zhì)、設備操作參數(shù)、設備結構參數(shù)等影響。相關研究表明,顆粒密度差、粒度差、形狀系數(shù)差越大,分選效果越好,分選風速在一定區(qū)間時分選效果較好,給料角度與分選物料的成分構成有關[33-35]。

近年來,隨著電子產(chǎn)品和新能源行業(yè)的飛速發(fā)展,氣流分選廣泛應用于廢棄電路板和退役鋰電池回收等領域。ZHU等[36]采用變徑脈動氣流分選方法強化物料按加速度分離,從而實現(xiàn)鋰電池外殼和隔膜的有效脫除;祖磊等[37]通過改進臥式分選機結構,結合不同工況調(diào)整出口,實現(xiàn)1～3 mm鋰電池破碎產(chǎn)物的有效分選;KUMAR等[38]采用氣流分選方法分離廢舊電路板中的金屬和塑料,有效降低工藝復雜性,節(jié)省后續(xù)濕法冶金成本。但以上作業(yè)中,氣流分選通常是對物料預處理環(huán)節(jié)的粗分選,無法實現(xiàn)精細分選,分選效率很難達到95%,應用具有一定局限性。

2.2 氣流分選在礦業(yè)領域應用

礦石開采后含有用礦物和脈石,須通過選礦提高精礦品位、減少脈石含量,以減輕后續(xù)作業(yè)壓力。氣流分選作為一種清潔、有效、低成本、不用水、工藝簡單的干法分選方法,在煤炭、金屬礦、非金屬礦分選等領域均有應用。以煤炭分選為例,氣流分選特別適用于干旱缺水地區(qū)的煤炭、遇水易泥化煤的分選以及動力煤的排矸。但與重介質(zhì)旋流器、重介淺槽、液固流化床等分選方法相比,氣流分選精度偏低,無法實現(xiàn)對煉焦煤的有效分選。

煤炭干法分選領域,我國研究人員分別開發(fā)了適用于50～6mm煤炭的空氣重介質(zhì)流化床分選機[39]、80～0 mm煤炭的復合式風力跳汰機[40]、<6 mm煤炭的粉煤變徑脈動氣流分選機[41]等,并進行后續(xù)模塊化、結構化、大型化等工業(yè)應用研發(fā)。趙躍民等[42]開發(fā)了模塊化干法選煤工藝系統(tǒng);韋魯濱等[43]提出煤炭干法分選與干燥一體化技術,引入振動力場、磁場等附加力場,用于強化氣流干法分選效果。

在礦石分選領域,氣流分選可用于密度或形狀差異較大的礦物分選。如蛭石和脈石密度差最大可達2.7×103kg/m3,分選蛭石除雜時,脈石去除率很高,且對礦石中泥土和尾礦清除效果很好,有利于后續(xù)作業(yè)[44];肖亞雄等[45]采用氣流分選去除成品沙中云母,初始云母質(zhì)量分數(shù)為5%,選后云母質(zhì)量分數(shù)降至2%。

2.3 氣流分選在農(nóng)業(yè)領域應用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工領域,氣流分選廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品加工儲存前的除雜及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等級分類分級,如谷物、豆類的殼仁分離,花生、大棗、辣椒等作物中未成熟、破損、病蟲害果實的脫除,茶葉等葉莖作物的分選分級,種子良種與壞種的篩選等。不同種類、質(zhì)量農(nóng)作物之間的密度、粒度、形狀差異顯著時,可利用氣流分選分離[46]。如果仁和果皮形狀差異顯著,果皮趨向于扁平,易成為輕產(chǎn)物;良種和壞種密度差異明顯,良種飽滿密度高,壞種干癟空洞密度低、粒度小,以上差異均為氣流分選的應用創(chuàng)造條件。此外,農(nóng)產(chǎn)品加工領域多為人工作業(yè),采用大型氣流分選設備代替人工手選,既能顯著提升農(nóng)業(yè)領域生產(chǎn)效率、自動化水平,又能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約化。

臥式氣流分選機在農(nóng)業(yè)領域應用廣泛,適用于多種類物質(zhì)分離。劉正海等[47]采用水平臥式風選機分離谷物和莖稈;HU等[48]優(yōu)化臥式風選機結構參數(shù),用于花瓣中黏合花瓣和石頭的去除,選后含雜率為0.69%,損失率為2.66%;張德俊等[49]設計了一種臥式風選機用于辣椒除雜,選后含雜率為4.62%、損失率為1.80%。對于2種分離物質(zhì),垂直風選機分選效果很好。丁賀賀等[50]設計了一種正壓式風選機,并通過試驗和模擬分析了風速對谷物和莖稈分離效果的影響,且與實際分選效果一致性良好。陳旭東等[51]設計一種負壓風選機用來分選核桃殼仁,混合物料清選率最高可達96.50%,損失率僅0.41%。

3 氣流分選設備優(yōu)化

3.1 氣流分選設備供風方式優(yōu)化

傳統(tǒng)氣流分選的供風方式主要以恒定氣流為主,恒定氣流分選過程中雖可通過調(diào)節(jié)氣速一定程度改善分選效果,但物料在氣流場中因空氣介質(zhì)密度較低,仍按照顆粒沉降末速分選,無法有效分選密度或粒度效應接近的等沉顆粒。此外細粒物料在入料過程中如顆粒聚團,會間接改變顆粒原始粒度,從而影響分選效果。

近年來,研究人員針對改善供風方式進行系統(tǒng)研究。通過引入脈動氣流,增加氣流加速效應,從而提高分選效果。STESSEL等[52]對比分析了不同脈動氣流分選與主動氣流分選方式,發(fā)現(xiàn)主動、脈動氣流相結合的分選機分選效率更高;韋魯濱等[53]利用脈動氣流與變徑結構的復合強化作用提高氣流分選對于細粒物料的適應性,實現(xiàn)了細粒煤炭按加速效應分離。此外,引入不同方向的氣流或調(diào)整給風角度也可強化物料的分散和分離。HAYASHI等[54]在氣流分選機柱體段不同位置添加節(jié)流孔,使氣流具有一定加速效應,較短時間內(nèi)即可實現(xiàn)與主動氣流相當?shù)姆诌x效果。李曉等[55]在水平氣流中加入垂直氣流,改變傳統(tǒng)單一氣流模式,通過二次風選進一步降低雜質(zhì)含量,提升氣流分選在煙草行業(yè)的應用價值。劉寧等[56]通過調(diào)整進風口角度改變分選機內(nèi)氣流場分布及物料運動軌跡,進而實現(xiàn)多產(chǎn)物分選。

3.2 氣流分選設備結構優(yōu)化

氣流分選設備另一個主要改進方向是分選機結構優(yōu)化,優(yōu)化分選機結構可增強分選機對于分選物料的適用型,提高分選效果。通過改變氣流分選機給風結構、布風結構、分選結構、內(nèi)構件結構等均可改善氣流場分布,強化物料在氣流場中的分散和分選行為。

在氣流分選機結構改進方面,“Z”型氣流分選機最典型,如圖2(a)所示,有效結合垂直氣流分選和斜流分選機的特點,通過變化分選通道幾何形狀實現(xiàn)多段級聯(lián)分選[57]。李金亮等[58]通過改進風選機上壁面形狀調(diào)節(jié)截面面積,使風選機內(nèi)的氣流穩(wěn)定均勻,以降低錯配率,圖2(b)所示。ZHONG等[59]基于“Z”型風選機在分離腔下部設置激振器促進顆粒分散,如圖2(c)所示。段晨龍等[60-61]在分選段加入三角形阻尼塊實現(xiàn)被動脈動氣流分選,阻尼塊結構如圖2(d)所示,較傳統(tǒng)恒定氣流分選提升效率6%～8%。KHAMYEV等[62]通過在氣動通道中安裝狹窄的隔板使氣流分選機深部空間流場分布更均勻,如圖2(e)所示,解決了增大橫截面積后氣流分散不利于分選的問題,生產(chǎn)效率提升20%。KHARCHENKO等[63]設計一種具有鱗片狀透氣結構的垂直風選機,如圖2(f)所示,物料通過鱗片時經(jīng)歷了一次風選分層,從而改善風選效果。

圖2 氣流分選裝置結構優(yōu)化示意

4 氣流分選技術存在問題

氣流分選技術以空氣為介質(zhì)的特性,一定程度制約其推廣和應用,主要存在問題如下:

1)裝備大型化困難。由于工業(yè)應用時對氣流分選設備處理量要求較高,而設備放大后,原有流場狀態(tài)和物料運動狀態(tài)無法保證。因此,在氣流分選設備放大過程中需明確設備相似放大準則,以保證裝備大型化的同時,分選效果不受影響。此外,對于單體設備無法滿足處理量要求時,可采用多單體并聯(lián)方式提高設備處理量。

2)對顆粒干燥度、松散度要求較高。部分固廢和礦石等物料含水量高,易導致顆粒結團。另外塑料膜、隔膜、線絲狀物的存在也會使物料團聚,難以分散,從而影響分選效果。對于潮濕物料,可采用預先干燥或分選干燥一體化方式處理;對于結團或不易松散的物料,應更改入料方式或優(yōu)化入料結構。

3)細粒及薄片物料分選效果較差。細顆?；虮∑锪显跉饬鞣诌x過程中密度作用較弱,易受形狀、粒徑影響,難以實現(xiàn)按密度有效分選。對于細粒物料宜提前篩分,采用窄粒級入料方式;對于薄片物料在入料前應保證顆粒形狀一致性,強化其按密度或粒度差異分選。

4)分選設備仍需優(yōu)化改進,分選效率有待進一步提高。氣流分選采用空氣作為分選介質(zhì),分選密度與介質(zhì)密度相差較大,相較濕法分選,氣流分選效率仍較低。應持續(xù)探索裝置結構、供風等方面的改進,以適應不同領域?qū)τ诟呋厥章?、高分選效率的需求。

5 結語及展望

歷經(jīng)百年發(fā)展,氣流分選技術因其污染低、成本低、工藝簡單等優(yōu)勢在農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、固廢等領域廣泛應用。雖然學者們在氣流分選理論、技術研究方面取得較大進展,但在裝備大型化、物料適應性、細粒物料分選等方面仍存在局限性。展望未來,克服氣流分選設備缺陷,提升不同領域適應性,開展礦物分選、流體力學、人工智能領域交叉學科研究勢在必行,主要發(fā)展趨勢如下:

1)氣流分選系統(tǒng)控制與在線檢測智能化。單一氣流分選設備操作簡單,易于控制,但氣流分選系統(tǒng)需智能化控制,以實現(xiàn)設備參數(shù)精準實時調(diào)節(jié)及可視化反饋。在分選作業(yè)和在線檢測環(huán)節(jié)可引入人工智能手段對物料及產(chǎn)物進行實時檢測,并針對物料性質(zhì)變化進行智能精準調(diào)控。

2)氣流分選裝備大型化。氣流分選應用領域,如礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、固廢等均需處理大宗物料,對處理量要求極高,如何在保證分選效果的前提下實現(xiàn)設備大型化、大處理量是研究重點。通過研究氣流分選設備的相似放大準則,將實驗室裝置適度放大轉(zhuǎn)移至工業(yè)生產(chǎn)中。

3)氣流分選效率精細化。氣流分選精度相比水介質(zhì)和重介質(zhì)分選還存在明顯差距,特別是對于細粒物料的分選。我國礦山分布特點決定了對干法分選的巨大需求,但氣流分選目前對礦石顆粒的干燥性要求較高,對于黏濕礦物分選效果較差。未來應重點攻克西部干旱缺水地區(qū)賦存礦種的氣流分選問題,提高產(chǎn)品回收率和品位,強化設備應對各種狀況的能力。

4)氣流分選工藝聯(lián)合化。氣流分選在各類工藝環(huán)節(jié)前期的分選有顯著優(yōu)勢,以其低成本、低能耗可有效取代人工揀選等現(xiàn)有的粗選環(huán)節(jié)。因此,未來應探索氣流分選結合其他技術如磁選、電選、重選等。結合物料特點,充分利用各種分選技術優(yōu)勢,實現(xiàn)高效、低碳分選。