粉煤灰電選脫炭技術的研究現狀及展望

李海生， 溫曉龍， 陳英華， 陳師杰， 孫 猛， 王文平

(1.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州221116；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116)

粉煤灰是煤粉經燃煤鍋爐高溫燃燒后所產生的粉狀燃燒產物，是一種分散度較高的微細物料，也被稱之為人工火山灰。在我國，粉煤灰每年的排放量十分巨大。根據相關的數據統計，2015年粉煤灰的總量就己經達到了6.2億t，而且每年還要遞增400～600萬t的排放量。如此多的粉煤灰不僅占用了大量的土地資源，還會對環境造成污染[1]。粉煤灰的粒度較小，在露天情況下，非常容易形成揚塵，造成空氣污染，危害人體的呼吸系統。若是排入水中又會污染水質，其中的化學物質也會對生物造成危害。在儲存粉煤灰期間，其中含有的氧化物以及硅酸鹽類礦物會影響土壤的結構和功能，造成土地鹽堿化。

粉煤灰主要由未完全燃燒的炭、無機物灼燒后的氧化物及一些硅酸鹽類組成。粉煤灰是一種有用的資源，可以將粉煤灰用于建材領域，包括生產水泥、混凝土以及用來回填煤礦塌陷區，還可以用粉煤灰生產陶瓷材料。在農業方面，粉煤灰可以用于生產復合肥料；在處理工業廢水上，將粉煤灰用作絮凝劑?？偟膩碚f，粉煤灰是一種潛在的可利用資源，在其資源化利用過程中，炭含量超標制約了粉煤灰在許多領域的應用。粉煤灰的利用主要是利用其火山灰活性，而過高的炭含量會嚴重影響粉煤灰的火山灰活性，因此對粉煤灰進行脫炭處理十分必要。

目前，濕法分選和干法分選是粉煤灰脫炭的主要途徑。濕法分選主要是浮選法，是利用顆粒表面濕潤性的差異，借助于浮選藥劑與浮選設備將其分離，但由于粉煤灰中各種顆粒的表面性質差異大，使得浮選的穩定性差，浮選效果較難控制。干法分選主要包括流化床分選、摩擦電選。流化床分選是在氣流的作用下，將粉煤灰介質與空氣形成氣-固兩相懸浮體，再利用顆粒間的密度差異實現分離，這種分選效果的穩定性差，分選得到的產品仍含有炭顆粒。

摩擦電選屬于干法分選，粉煤灰電選脫炭原理如圖1所示[2]。利用粉煤灰中炭顆粒和灰顆粒電性質的不同，使之與同種介質或壁面摩擦后，令顆粒帶上異種電荷，在氣流的輸送下，帶上異種電荷的粉煤灰顆粒經過高壓靜電場，會受到方向不同的電場力，從而使得炭顆粒和灰顆粒發生分離。摩擦電選方法的工藝簡單，而且成本低，不會產生二次污染，較之其他兩種方法，摩擦電選的分選效果好。

1 電選脫炭的工藝與裝備

電選是基于組成物料中的電性差異而進行分選的方法[3]。20世紀以來，電選在粉煤灰中的應用受到人們的廣泛關注，學者們對粉煤灰中顆粒的帶電方式和分選電場的結構進行了大量的試驗研究，取得了一定的成果。一般情況下，完整的電選試驗設備主要包括：給料裝置、摩擦帶電器、電選分離室、供氣系統和高壓供電系統；常見的分選電場結構有自由下落式電場、輥式電場和流化床電場三種形式。在前人研究的基礎上，研究者不斷對電選的工藝參數進行優化，逐漸演變出多種形式的摩擦電選機，在一定程度上推廣了摩擦電選技術的應用。

圖1 粉煤灰電選脫炭原理圖

根據顆粒摩擦帶電方式和分選電場結構的差異，可以將粉煤灰脫炭電選機劃分為以下幾種類型。

(1)滾筒靜電分選機。滾筒靜電分選機的結構和原理如圖2所示[4]。將粉煤灰通過振動給料器均勻地給到帶電滾筒上，炭粒為良導體，從滾筒電極獲得同性的大量電荷，因而被滾筒電極排斥落入收集槽內。其他為非導體，與帶電滾筒接觸并被極化，在靠近滾筒一端產生相反的束縛電荷，被滾筒吸住，隨滾筒帶至后面被毛刷強制刷落入玻璃收集槽，從而實現炭粒與灰的分離。

圖2 滾筒電選機的工作原理Fig.2 Working principle of drum-type triboelectric separator

(2)STI 皮帶式摩擦電選機。美國麻省分離技術公司研制出專門用于處理粉煤灰的STI 皮帶式摩擦電選機，其分離原理如圖3所示[5-6]。該設備使皮帶之間的粉煤灰產生摩擦碰撞而帶電，因炭粒和無機礦物的電性差異而產生分離。該設備可大規模地處理細粒物料，性能可靠，處理能力大，分離效果好。

圖3 STI摩擦電選機分離原理示意圖

(3)百葉窗式極板的摩擦電選機。Y.Soong,M.R[7-12]等提出了百葉窗式極板的摩擦電選機，開展了粉煤灰的電選試驗，試驗系統如圖4所示。試驗表明摩擦荷電器的材料、結構不僅影響產品的沉積分離類型，而且影響分離產品的回收率。百葉窗式極板可以實現電場的調節，有利于帶電顆粒的運動分離。

圖4 百葉窗式極板的摩擦電選機示意圖

(4)旋轉摩擦電選機。TAO Daniel[13-14]提出了旋轉摩擦電選機，如圖5所示，該機摩擦帶電器由金屬銅制成，氣體與粉煤灰顆粒在其中旋轉摩擦碰撞，在高壓靜電場作用下發生分離。影響其分選過程的因素主要有旋轉速度、入射速度、滾筒電壓等。

(5)管狀摩擦電選機。Federico Cangialosi[15]等進行了管狀粉煤灰摩擦電選脫炭研究，試驗系統如圖6所示。試驗時，顆粒經過振動給料后，進入管狀摩擦帶電器，在管內部產生多圈運動后摩擦帶電，再進入到高壓靜電場進行分離。通過試驗發現，電場電壓對正負極捕獲產物的影響大，干燥過程有助于提高風化粉煤灰電選脫炭效果。

1—樣品容器；2—旋風分離器；3—排氣口；4—振動給料機；5—旋轉摩擦帶電器；6—薄板分布器；7—分選區域；8—分流器

1—振動給料機；2—氮氣；3—密封箱；4—摩擦帶電管；5—直流器；6—擴散器；7—高壓電極板；8—排氣口；9—分流器

(6)反噴吹摩擦電選機。反噴吹摩擦電選機如圖7所示[16]。該機利用負壓吸附原理將粉煤灰顆粒從儲槽中吸入管道，與氣流形成氣固兩相流，實現入料均勻；粉煤灰顆粒摩擦帶電后進入分離室，異性帶電顆粒在分離過程中受到與運動方向相反的反吹氣流作用，帶電荷質比較大的顆粒更易快速分離，帶電荷質比較小的顆粒在分離室中的停留時間增加，從而使其分離效果得到強化。

1—控制柜；2—羅茨風機；3—管道；4—控制閥；5—收料槽；6—反噴吹管；7—高壓靜電分離室；8—摩擦帶電器；9—混合管道；10—負壓吸料管；11—噴嘴；12—儲槽；13—高壓電源；14—調壓器

(7)側向負壓吸附摩擦電選機。側向負壓吸附摩擦電選機如圖8所示[17]。物料在氣流攜帶作用下，其不同組分相互摩擦碰撞帶電，進入高壓靜電場內實現異性帶電物料的分離；在高壓靜電場內安裝兩個帶通孔的擋板，電極板內側安裝粉塵過濾器，羅茨風機供風時，通過調節左控制閥和右控制閥，使兩擋板外側形成負壓，對擋板內側帶電顆粒產生負壓吸附作用；被兩電極板吸附的帶電顆粒經過傾斜支撐板滑落后被收集。該工藝使物料顆粒在運動過程中，同時受到電場力和氣體負壓吸附作用，有助于異性帶電顆粒的運動偏轉，可降低帶電顆粒間摩擦碰撞的概率和相互接觸的時間，從而實現異性帶電微細粒物料在高壓靜電場內快速、高效地分離。

2 粉煤灰電選脫炭的影響因素

影響粉煤灰電選脫炭的因素眾多，主要包括粉煤灰顆粒自身的物料屬性和外在操作條件，如摩擦帶電器的形狀結構，高壓電極板的位置以及操作電壓的影響等。電選過程的關鍵是摩擦荷電和靜電分離兩部分，摩擦荷電情況決定顆粒是否能得到充足的電荷而被電場吸引，而靜電分選則決定著帶電顆粒的運動軌跡，影響產品的回收率和純度。因此，控制荷電和分選兩個環節，對提高粉煤灰脫炭的效率有重大意義。近些年來，國內外的研究者在顆粒荷電、操作條件及智能化控制等方面，展開了大量研究，力求以最優的工藝方案來提高脫炭的分選效果。

1—羅茨風機；2—轉子流量計；3—入料斗；4—振動給料機；5—摩擦帶電器；6—收料器；7—傾斜支撐板；8—擋板；9—粉塵過濾器 10—左控制閥；11—電極板；12—螺釘；13—右控制閥；14—旋風分離器；15—調壓器；16—高壓電源

2.1 顆粒荷電

2000年，Schmoutziguer等提出增加湍流強度和改變管路內結構是增大顆粒荷電量的主要途徑。2001年，張相鋒[18]對摩擦帶電器的結構進行了改進，將截面的形狀由圓形變為狹長矩形，這種摩擦分散器便于清理，密封性能良好,可提高粉煤灰顆粒的摩擦帶電荷質比。將這種摩擦分散器應用于粉煤灰脫炭試驗裝置，取得了一定的成效。經過試驗研究，粉煤灰脫炭率達到29 %。2002年，張全國[19]等對粉煤灰的干法脫炭設備YNDF-I型粉煤灰靜電脫炭裝置進行研究，提出摩擦器材料、粉塵濃度對顆粒帶電效果影響較大。在最優工藝參數條件下，用立式電場脫炭裝置試驗，可使粉煤灰脫炭率達 86.74 % ，脫炭后的精灰含炭量降低到1.2%，可直接用于建材方面。

2003年，Kelvin[20]等認為顆粒的摩擦荷電是影響微細顆粒摩擦電選分選效果的主要因素，顆粒所帶電荷越多，分選效果越好。在入料成分中加入銅粉可增加顆粒的表面電荷量，從而增強摩擦電選的分選效果。在分選前將不同可選性的灰進行混合研究，最終得出：混合可以提高灰的分選效率和利用效率。2007年，侯新凱[21]等對10種材料進行了摩擦帶電研究，并確定了它們的摩擦靜電序列。根據靜電序列選出四種摩擦材料進行了試驗。研究了管道內摩擦器、管道結構、固氣比及物料流速等因素對顆粒摩擦荷電的影響，發現粉煤灰帶電量受到物料流速影響顯著，而管道長度影響不大。

2012年，李海生等[22]研究了摩擦電選中摩擦器內顆粒的碰撞特性，運用標準k-湍流模型對兩種不同結構摩擦器內氣固兩相流進行了數值模擬，研究表明：粒徑和摩擦棒分布對顆粒碰撞的影響大，相同結構的摩擦器內大顆粒的碰撞效果優于小顆粒，而摩擦棒分布呈正三角形時，在顆粒粒徑相同條件下的碰撞效果較好。

上述研究工作為粉煤灰電選脫炭的研究提供了重要的技術參考。研究者積極關注粉煤灰顆粒摩擦荷電過程，從摩擦帶電器材料、結構、強化帶電介質等方面，探索了強化粉煤灰顆粒摩擦帶電的途徑和技術方案。目前，研究者希望借助一些技術手段，從強化帶電角度探討粉煤灰高效脫炭的可行性。由于缺乏理論依據，導致粉煤灰摩擦電選脫炭工業化推廣較為緩慢，并沒有分選電場設計、運行調控方面的成熟理論或經驗，研究者們還在不斷探索之中。

2.2 操作條件

2006年，John M.Stencele[23]等研究了灰顆粒和周圍環境的濕度對炭-灰可分離性的影響。顆粒表面含水量和環境濕度與顆粒粒度的大小成反比，即濕度和顆粒表面的水分隨著顆粒粒度的減小，作用越來越明顯，當顆粒直徑>75 μm時，濕度對分選效果影響很小，當顆粒直徑<45 μm時，改變顆粒表面含水量能夠引起顆粒性質變化，達到改變顆?？蛇x性的效果。除了粒度因素影響外，其他因素也可引起炭和灰之間的相互黏附力的變化，從而影響電選效果。

2008年，TAO Daniel[13-14]等利用旋轉摩擦電選機進行了粉煤灰電選試驗，氣體與粉煤灰顆粒在金屬銅制成的旋轉摩擦帶電器內摩擦碰撞，使得顆粒帶上異種電荷，然后在高壓靜電場中分離。通過比較旋轉速度、入射速度、滾筒電壓等操作條件對分選效率的影響，發現旋轉速度增大有助于顆粒摩擦帶電，最優旋轉速度約為5 000 r/min；相比于其他操作參數對于分選效率的影響，滾筒電壓的影響最小，入射速度的影響最大。

2009年，Federico Cangialosi[15]等對粉煤灰摩擦電選脫炭進行了試驗研究，發現電場電壓對分選過程影響較大。隨著電場間電壓的增大，兩極板收集的物料中炭灰顆粒的比例逐漸增大；然后比較了風化粉煤灰與風化并干燥的粉煤灰的帶電情況，結果發現風化干燥后的粉煤灰，顆粒帶電效果較好，最終得出干燥可以提高風化粉煤灰的電選效果。2008年，于鳳芹[24]等采用摩擦電選的方法對粉煤灰除炭，對環境因素、系統參數進行了正交試驗，證明了摩擦電選對粉煤灰脫炭的可行性，而且確定了脫炭工藝的最佳操作參數，在風量為75 m3/h、電壓為50 kV、進料時間為130 s的條件下，脫炭效果最好。

2015年，李超永等[25]通過試驗研究了入料粒度對微粉煤摩擦電選分選效果的影響，結果發現入料粒度是一個重要的影響因素，隨著入料粒度的降低，脫炭率可以持續升高，達到67.23%；而且煤粉粒度越小，其荷電荷質比越大，煤顆粒與灰顆粒越容易分離，摩擦電選的分選效果也就越好。2015年，黃國濤等[26]研究了風量、電壓、顆粒粒徑等因素對微粉煤摩擦電選脫灰試驗的影響。通過正交試驗研究各因素間的交互影響，探索了最佳試驗條件，結果表明：在風量80 m3/h、電壓45 kV和顆粒粒徑為50 μm的條件下，試驗的分選效果最佳。2015年，Tao[27]等開展了粉煤灰旋轉摩擦電選分選試驗，測試了粉煤灰的介電常數和炭灰顆粒的荷質比，以新汶電廠粉煤灰為例，研究了顆粒粒徑對粉煤灰脫炭的影響。結果表明：顆粒尺寸與介電常數成正比關系，與電荷荷質比成反比關系，即隨著顆粒粒徑的減小，顆粒的介電常數減小，電荷質量比差異越大；在相同的條件下，較細的粉煤灰顆粒更容易靜電分離。

2015年、2016年，LI[28-29]等探索了摩擦帶電器摩擦棒的截面形狀和微波加熱技術對粉煤灰分選效果的影響。通過試驗研究確定最優操作條件，發現了圓形摩擦棒的摩擦帶電效率高于其他形狀的摩擦棒，并以圓形摩擦棒的脫炭效果最好。利用微波加熱技術對濕法粉煤灰進行處理，經過試驗對比發現，未燃炭的去除率和循環率均有顯著提高，分選效果明顯改善，證實了微波加熱工藝在濕法粉煤灰摩擦靜電選中的可行性。

2018年，陳玉坤[30-31]等開展了環形電場內粉煤灰分選運動軌跡研究，發現環形電場的場強與半徑成反比關系，同時探討了外加電壓大小、顆粒的荷質比、顆粒進入電場的位置以及進入電場時的速度對顆粒運動軌跡的影響，確定了最佳分選的操作條件。在粉煤灰的靜電分選研究中，分析了流動顆粒的受力情況，采用單因素變量法研究了不同外加電壓、風速和濕度下的分選結果，發現外加電壓越大、濕度越低，越利于粉煤灰顆粒的分選，而風速應該控制在合理的范圍內。

綜上可知，操作條件將影響粉煤灰電選脫炭的效果，研究者通過試驗對粉煤灰電選的操作條件進行研究，提出了一些可以指導工業生產實踐的有益結論；通過單因素試驗探索了操作參數對分選過程的影響，并結合正交試驗獲得分選過程的最優操作制度，為粉煤灰電選脫炭的工業化應用奠定了基礎。

2.3 智能化控制

隨著信息技術的發展，自動化控制技術逐漸成為工業應用中的有效手段，智能化、網絡化和集成化的特點使得工業生產更加高效和便捷。摩擦電選技術在粉煤灰脫炭方面有一定的技術優勢，其智能化控制研究也是熱門研究方向。

楊波等[32]借助數字圖像技術對粉煤灰顆粒群進行檢測，獲得了粉煤灰顆粒群的體積頻度分布、顆粒個數頻度分布等參數，探索了形狀因子、體積比表面積隨粉煤灰粒徑的變化趨勢。 2014年，李鑫[33]開展了摩擦電選系統的自動控制研究，取得了一定的成果，實現了運行參數的實時查詢，并可以對部分參數進行自動控制。在試驗方案中，硬件采用PLC控制系統，軟件上將組態軟件與MATLAB數據處理軟件相結合進行數據的傳輸和處理，并通過數值模擬的方法對風量控制和電壓控制進行分析設計，建立人-機交互界面，以滿足自動控制的要求，證實了自動控制技術在摩擦電選方面應用的可行性，并為類似的工業應用提供了技術方案。

3 研究展望

3.1 高壓電場設計方法

目前，粉煤灰電選脫炭工程設計缺乏高壓靜電場的設計理論依據。傳統的設計主要依據經驗，在明確所處理粉煤灰的基本特征后開展系統設計，在考慮生產安全的基礎上，確定電場結構和電壓調節上下限；依據實驗室單因素試驗和正交試驗，探索樣品的工藝操作條件。在此基礎上，開展工程放大，并在實踐中通過調節具體工藝操作制度來滿足產品質量要求，最終使操作條件滿足電場結構要求。

高壓靜電場雖然結構簡單，但是在其內部完成的脫炭過程較為復雜。電場極板間距和極板長度將影響脫炭效果，電場入射位置和產物收集裝置也是應該重視的問題。因此，需要全面分析工藝流程，更加深入地掌握帶電顆粒在高壓靜電場內的運動分離特征，形成高壓靜電場設計方法，指導具體的工程實踐。

3.2 脫炭工藝高效調控

在粉煤灰摩擦電選系統運行過程中，由于受到電廠鍋爐操作條件、脫硫劑添加量、煤種等影響，粉煤灰的特性在發生變化，為了提高脫炭效率，需要精準調控工藝操作制度。但在實際過程中，由于影響脫炭過程的因素較多，而且這些因素的相互影響使問題更加復雜，導致對電場的電壓、結構調控缺乏理論依據，只能通過調整操作條件，但脫炭效果達不到預期。因此，需要深入研究高壓靜電場內脫炭過程，了解帶電顆粒在電場中的運動行為，明確諸多復雜影響因素的相互關聯機制，從而形成脫炭工藝高效調控機制。

3.3 在線檢測與智能控制

粉煤灰電選脫炭工藝包括粉體儲存、給料與粉體輸送、供風系統、顆粒帶電、顆粒電場分選及產品回收等若干子系統，涉及生產安全、產品質量、生產能力等諸多問題，通過自動化裝置完成系統的在線檢測與智能控制，具有重要現實意義。

4 結語

結合當前粉煤灰摩擦電選技術的研究現狀可以看出，研究者們通過試驗研究不斷探索工藝流程優化的可行性，開發了多種新型的電選工藝流程與裝備，并從顆粒荷電、操作條件和智能化控制等方面探索了影響粉煤灰電選脫炭的主要因素，以尋找可行的技術方案，推動粉煤灰電選脫炭技術的工業化推廣和應用。電選技術優勢明顯，受到業界的普遍認同，在粉煤灰脫炭技術領域已有相關的工程應用案例。在現有研究和經驗積累的基礎上，進一步完善工程設計的理論體系，形成脫炭工藝高效調控機制，結合在線檢測與智能控制方法，電選將在粉煤灰脫炭技術領域發揮更大的作用。