頂流式變徑液固流化床的流場分布與分選實驗研究*

劉馮永政 段晨龍 伍玲玲 盛 成 周恩會

(1.上海第二工業大學上海電子廢棄物資源化產學研合作開發中心，上海 201209； 2.中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116；3.南華大學核資源工程學院，湖南 衡陽 421001)

頂流式變徑液固流化床的流場分布與分選實驗研究*

劉馮永政1，2段晨龍2#伍玲玲3盛 成2周恩會2

(1.上海第二工業大學上海電子廢棄物資源化產學研合作開發中心，上海 201209； 2.中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116；3.南華大學核資源工程學院，湖南 衡陽 421001)

為解決變徑水介質分選床中顆粒堆積及細粒級廢棄電路板的有效物理分選，在現有的變徑水介質分選床下壁面添加了多組頂流管，引入上升水流，加強了壁面堆積物料的松散與分選效果。詳細分析了傾斜床體液固兩相流的流型變化與特征，并采用ANSYSFLOTRANCFD軟件進行數值模擬，得到了介質流場的壓強分布變化規律：流場壓強自床體底端至頂端遞減，自頂流孔給入的水流可以在床體頂流孔附近形成局部強壓區，使分布在床體下壁面的顆粒產生額外的運動加速度。選用≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500mm廢棄電路板顆粒進行兩因素三水平分選實驗，結果表明，采用頂流式變徑液固流化床分選系統可實現≤0.500mm廢棄電路板中金屬成分的有效富集，金屬回收率最大達到了93.23%。

廢棄電路板 頂流式 變徑液固流化床 流場分布 分選

隨著電子技術突飛猛進的發展，電子產品更新換代速度越來越快，從而導致電子廢棄物的大量產生[1_2]。電子廢棄物中含有大量可供回收利用的銅、鋁、鐵等常用金屬與微量的金、銀、鉑等稀貴金屬[3]，這使得電子廢棄物資源化研究成為熱點。其中，廢棄電路板的資源化處理是研究的重點和難點，如果處理不當，會造成嚴重危害。廢棄電路板主要處理方法包括化學、物理及生物方法[4]。隨著對社會環境保護的重視及電子產品中貴金屬使用的減少，物理方法逐漸在廢棄電路板資源化研究中占據主導地位[5]。

變徑液固流化床是物理分選設備之一，相比于水力旋流器、搖床、磁選等其他物理分選設備，變徑液固流化床能處理較細粒級的電子廢棄物顆粒，同時可較大程度地避免金屬流失[6_7]。但傳統的變徑液固流化床由于床面傾斜放置，分選過程中物料會沿著床面堆積，造成設備堵塞、排料困難、操作復雜、分選效率低等問題。基于此，研究設計了一種新型的頂流式變徑液固流化床，可實現寬粒級多組分物料的有效分選。

1 實驗裝置

變徑液固流化床分選系統裝置是一種重力選礦設備，由給料、分選、脫水、介質循環4個部分組成，如圖1所示。床體呈圓臺體，傾斜放置，角度可調。床體下部安裝有水力分布板，孔徑由中心向外逐漸增大，有助于產生均勻平穩的上升水流，同時防止小孔堵塞和磨損。系統工作時，水流在主水泵壓強作用下自床體底部主流管給入，經水力分布板均勻分布后進入床體，形成具有一定速度與壓強分布規律的流場。待選物料混合均勻后勻速進入床體內，在擾動水流作用下松散、分層，低密度小顆粒隨溢流排出，成為輕產物；高密度大顆粒沉入床層底部，隨底流排出，成為重產物；中間密度與粒度的物料根據操作參數與分選目的不同進入輕產物或重產物。分選產品經濾布脫水后收集，脫除的水進入循環水箱循環使用。

1—彎管；2—主流管和入水口；3—平法蘭盤；4—加強筋板； 5—變徑床體前端；6—水力分布板；7—入料口；8—變徑床體后端； 9—承載環；10—出料口；11—輸送帶；12—循環水箱；13—主水泵； 14—變徑床體后端中間支撐；15—變徑床體后端兩側支撐； 16—水平空氣直管支撐；17—水箱座；18—頂流水箱；19—頂流水泵； 20—變徑床體前端中間支撐；21—變徑床體前端兩側支撐； 22—水平水流直管支撐；23—循環水管閥門； 24—頂流管閥門和頂流孔；25—溢流口圖1 頂流式變徑液固流化床分選系統Fig.1 Top streaming and varied diameter liquid_solid fluidized bed separation system

由于廢棄電路板顆粒中存在大量片狀樹脂與金屬箔，容易黏附于床體下壁面并堆積，影響分選效果[8]。因此，在床體下壁面添加了多組頂流管，引入上升水流，使得堆積在壁面上的物料在上升流體的沖擊作用下再次松散，重新進入分選區(即水力分布板和承載環之間)，完成二次分選，大幅度提高分選效果[9]，解決了變徑水介質分選床中顆粒堆積問題，實現了細粒級廢棄電路板的有效物理分選，具有能耗小、無二次污染、操作方便的特點。

1.2 液固兩相流型分析

傾斜放置的床體中流體受重力影響，呈不對稱分布，可分水連續相和顆粒連續相兩大類[10]。當水流速度較小時，水流動量小，不足以抵消重力沿傾斜面的分力，靠近下傾斜面的水層產生局部逆流，形成局部逆流的顆粒分散流型(見圖2(a))。隨著水流速度的增大，連續的顆粒分散區域松散形成塊狀，但仍然存在水層局部逆流情況，為擬段塞流的顆粒分散流型(見圖2(b))。以上兩種流型的轉換界限受傾角的影響很大。隨著水流速度進一步增加，水流動量足以克服重力沿傾斜面向下的分力作用，局部逆流現象消失，形成水層同向流的顆粒分散流型(見圖2(c))。再次增加水流速度，分散的固體顆粒在流場中均勻分布，形成顆粒均勻分散流型(見圖2(d))。

在水連續相流型(見圖2(a)至圖2(d))階段，水流速度的增加導致顆粒相速度隨之增加，顆粒相趨于形成擬流體，此流型是處于顆粒連續相和水連續相之間的過渡流型(見圖2(e))。在過渡流型階段，如果水相速度不變，顆粒相速度與濃度進一步增加直至形成類似流體的連續相，則水流以水滴形式分散于床體下部，形成水滴均勻分散流型(見圖2(f))和水滴分散流型(見圖2(g))，此時為顆粒連續相階段。

2 流場分布變化規律

采用ANSYS FLOTRAN CFD軟件中的三維流體模型分析單元對實驗條件下流場的分布變化規律進行數值模擬仿真，以預測和分析復雜流體流動。根據變徑分選床實物模型，模擬參數設置為床高800 mm，頂部直徑200 mm，底部直徑120 mm；初始進口速度根據具體流量計算得到，并據此計算雷諾數確定層流和紊流流型，方向沿模型中軸線指向頂部出口；出口壓強0 MPa；空氣溫度20 ℃；水密度998.2 kg/m3；水的黏度為0.001 kg/(m·s)。為方便研究，建立三維坐標軸：水平向右為X軸正方向，豎直向上為Z軸正方向，垂直XOZ平面向外為Y軸正方向[11_12]。

由圖3可以看出，入水口壓強呈階梯式分布，自床體底端至頂端遞減。由于入水口底部壓強較大，可以對自床體頂部給入的物料顆粒產生逆向作用力，使顆粒群產生回流，有助于入料的快速松散，強化分選效果。由圖4表明，入水口水流速度分布均勻，只有邊壁區域因為邊壁效應的存在而使水流速度略低。

石警官臉上僵硬的線條柔和下來，嘴角終于現出氣傲的笑意：“說到簫，不是石某自吹，在這座城里，舉目望去，只有兩個人配談它。”

圖2 傾斜管內兩相流流型Fig.2 Two_phase flow type in the tube

圖3 入水口壓強分布(單位：MPa)Fig.3 Inlet pressure distribution

圖4 入水口水流速度分布(單位：m/s)Fig.4 Inlet velocity distribution

軸截面上流體動態壓強分布見圖5。通過頂流孔垂直于床體給入的上升水流流速對床體頂流孔附近的主流場流體產生沖擊作用，并形成局部強壓區，以頂流孔為中心呈扇形擴散遞減。由此產生的壓強梯度力直接作用于分布在床體下壁面的物料顆粒，產生額外的運動加速度，促使顆粒再次松散并返回主流場區域二次分選，提高了分選效果，同時可有效避免物料堆積。

圖5 軸截面上流體動態壓強分布(單位：MPa)Fig.5 Dynamic pressure distribution on symmetry plane

3 分選實驗

3.1 實驗設計

廢棄電路板經拆解、破碎和篩分作業后，取≤0.125 mm(金屬品位(質量分數)3.01%)、>0.125～0.250 mm(金屬品位4.21%)和>0.250～0.500(金屬品位5.02%)3個粒級廢棄電路板給入到頂流式液固流化床分選系統進行分選實驗。保持給料量(150 g)和床體傾角(40°)不變，設計了兩因素三水平正交實驗，考察不同主流管流量和頂流管流量對≤0.500 mm粒級電子廢棄物顆粒的分選效果。

圖6 解離后各粒級廢棄電路板形貌Fig.6 Appearance of discarded printed circuit board after dissociation

>0.250～0.500 mm粒級廢棄電路板基本完全解離。解離后的金屬主要是銅和鋁，有明顯的卷曲變形；解離后的樹脂呈片狀或塊狀，顆粒均一性和解離情況較好(見圖6(a))。

>0.125～0.250 mm粒級廢棄電路板完全解離，解離后的金屬成分形狀不規則，非金屬成分多呈針狀纖維，且纏繞結團，顆粒均一性和解離情況很好(見圖6(b))。

≤0.125 mm粒級廢棄電路板結團現象嚴重，金屬成分與樹脂均呈片狀，玻璃纖維多為針狀，解離情況非常好(見圖6(c))。

3.2 實驗結果與討論

正交實驗分選結果如表1所示。由表1可以看出，在合適的操作條件下，利用頂流式液固流化床分選系統可實現≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級廢棄電路板中金屬成分的有效富集，不僅可實現金屬和非金屬以密度為主導的分層分選，還解決了原有設備的物料堆積問題。其中，>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級廢棄電路板金屬富集體中金屬品位最大分別達到12.05%和12.33%，較原礦品位至少提高了7百分點，金屬回收率最大分別達到了92.63%和93.23%；≤0.125 mm粒級的廢棄電路板金屬回收率相對較低，最高為83.04%。這是由于廢棄電路板中的主要成分塑料樹脂與玻璃纖維破碎到≤0.125 mm粒級后主要呈片狀與線狀，遇水后黏性增加，結團現象嚴重，抑制了顆粒的沉降末速差異在分離過程中的主導作用，降低了分選效果。

分別比較表1中第(1)～(3)、(6)～(8)、(11)～(13)組實驗可以發現，在頂流管流量、床體傾角、給料量一定時，金屬富集體中金屬品位隨主流管流量增大而逐漸增大，金屬產率和金屬回收率則相應遞減。這是因為隨著流化床內主流管流量增加，水流曳力逐漸成為主導作用力，大量中間顆粒上浮成為非金屬富集體，少部分高密度顆粒下沉進入金屬富集體。

如表1中第(1)、(4)、(5)以及(6)、(9)、(10)組實驗所示，當床體傾角、給料量與主流管流量一定時，隨著頂流管流量增大，>0.250～0.500、>0.125～0.250 mm粒級金屬富集體金屬產率下降，而金屬品位卻上升，兩者趨勢相反；金屬回收率先增大，達到最大值93.23%和92.63%后開始下降，頂流水流給床體下壁面附近返流顆粒施加了背向壁面的作用力，隨著頂流管流量的增大，床壁附近顆粒逐漸改變運動方向，再次進入到主流場區域，二次分選有效提高了金屬回收率；如果頂流管流量過大，會直接破壞主流場區域的流速與壓強穩態分布，部分未充分分選的中間顆粒被上升水流帶離分選區，自溢流口排出，造成部分金屬成分損失。

如表1中第(11)、(14)、(15)組實驗所示，對于≤0.125 mm粒級廢棄電路板，隨著頂流管流量的增大，金屬回收率呈下降趨勢。這是因為該粒級廢棄電路板顆粒較小，沉降末速低，所要求的最佳液相速度較低。

4 結 論

(1) 通過在床體下壁面添加多組頂流管，引入上升水流后的頂流式變徑液固流化床分選系統解決了變徑水介質分選床中顆粒堆積問題，實現了細粒級廢棄電路板的有效物理分選。具有能耗小、無二次污染、操作方便的特點。

(2) 通過ANSYS FLOTRAN CFD軟件對變徑液固流化床流場模擬發現，入水口水流速度分布均勻，水流壓強自床體底端至頂端遞減，產生的壓強梯度力有助于入料的快速松散。

表1 ≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級廢棄電路板分選結果

(3) 自頂流孔給入的水流可以在床體頂流孔附近形成局部強壓區，以頂流孔為中心呈扇形擴散遞減，可以使分布在床體下壁面的顆粒產生額外的運動加速度，促使顆粒再次松散并返回主流場區域二次分選，提高了分選效果。

(4) 采用頂流式變徑液固流化床分選系統可實現≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級廢棄電路板中金屬成分的有效富集，金屬回收率最大達到了93.23%，不僅可實現金屬和非金屬以密度為主導的分層分選，還解決了原有設備的物料堆積問題。

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Studyonflowfielddistributionandseparationoftopstreamingandvarieddiameterliquid_solidfluidizedbed

LIUFengyongzheng1，2，DUANChenlong2，WULingling3，SHENGCheng2，ZHOUEnhui2.

(1.ShanghaiCooperativeCentreforWEEERecycling，ShanghaiSecondPolytechnicUniversity，Shanghai201209；2.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，ChinaUniversityofMiningandTechnology，XuzhouJiangsu221116；3SchoolofNuclearResourcesEngineering，UniversityofSouthChina，HengyangHunan421001)

To solve the problem of the particle accumulation on the variable diameter water medium separation bed (VDWMSB) and obtain effective physical separation of fine grained waste printed circuit boards，multi_group top flow tubes were added under the bottom wall of the existing VDWMSB to introduce upward flow. The loose degree and separation efficiency of the wall accumulation materials were enhanced. In this paper，the changes between liquid_solid two phase flow pattern of tilt table and their characteristics were analyzed and the ANSYS FLOTRAN CFD software for numerical simulation was used to obtain pressure distribution rule of the medium flow field：the flow field pressure decreased from the bottom to the top of the bed body; partial pressure zone was formed because of the flow from the top flow hole; the additional force was applied to the particles under the bottom wall of the bed body. Three groups of waste printed circuit boards particles which size fractions were ≤0.125，>0.125_0.250,>0.250_0.500 mm were chosen to carry out two factors and three levels separation test. By using the new top streaming and varied diameter liquid_solid fluidized bed separation system，the results showed that the fine waste printed circuit boards particles which size fraction was ≤0.500 mm could be effectively separated，and metal recovery rate reached 93.23%.

waste printed circuit boards; top streaming; varied diameter liquid_solid fluidized bed; flow field distribution; separation

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.009

2015_09_22)

劉馮永政，男，1992年生，碩士研究生，研究方向為煤炭干法分選與二次資源的回收利用。#

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*國家自然科學基金資助項目(No.91434133)；江蘇省自然科學基金資助項目(No.BK2012136)；上海電子廢棄物資源化產學研合作開發中心開放、開發基金資助項目(No.B50ZS120003)。