液固流化床分選機發展概況

孫銘陽， 于傳兵， 韋魯濱

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 10038； 2.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院， 北京 100083)

1 前言

流態化技術廣泛應用于化工、選礦、冶金和能源與環境等行業[1-3]。液固流化床分選機最早用于分級作業，20世紀80年代開始用于粗煤泥分選。目前，液固流化床分選機已在粗煤泥分選[4-5]、廢舊電路板回收[6-7]以及金屬礦粗選、分級和尾礦回收[8-9]等環節得到大量應用。

根據強調分選過程中顆粒運動狀態或流化床層特點，液固流化床分選機又被稱為Teetered/Hindered Bed Separator(TBS/HBS，干擾床)、Hindered-settling Bed Separator(HSBS)、Hindered-settling Column(HSC)或Liquid-solid Fluidized Separator(LSFS)等，本文在提及一般意義上的液固流化床分選機統一用LSFBS表示。為了提高液固流化床層對待選物料的分選效果，學者們進行了大量研究，目前已研制出多種LSFBS，其中主要有國外的Crossflow Separators、ALL-FLUX、Hydrofloat Separator、Floatex Density Separator (FDS)和Reflux Classifier (RC)，國內的有三產品LSFBS、脈動阻尼式LSFBS、充氣式LSFBS和內置傾斜板的變徑LSFBS等。

2 LSFBS分選原理

對于LSFBS，入選礦粒密度與流體介質(水)密度屬于相同量級，按照Geldart分類法[10-11]，入選礦粒以B類和D類顆粒為主。與受氣泡擾動明顯的氣固流化床不同，LSFBS內的液固流化床層為散式流化床。然而，因待選物料的粒度和密度分布較寬，LSFBS不屬于典型的散式流化床。床層中的輕細顆粒隨溢流排出，而粗重顆粒則在錐體段不斷聚集；入料則對床層內減少的顆粒組分進行補充。LSFSB分選過程如圖1所示。

圖1 液固流化床分選原理示意圖

入選礦粒在流化床層和上升水流共同作用下按密度大小實現分離。礦粒在流化床層內受到的作用力主要包括連續相施加的流體阻力、虛擬質量力、升力、壓力梯度力等，此外還受到體積力(重力)和顆粒間相互作用[12]。LSFBS內顆粒體積分數較大，周圍顆粒的存在使顆粒運動受到阻礙，并使得流化床層的有效密度和表觀黏度與原流體介質(水)相比顯著增加，導致干擾沉降末速大大降低。粗重顆粒干擾沉降速度較大，可透過流化床層在LSFBS錐體段聚集，輕細顆粒干擾沉降末速較小，隨上升水流向上運動成為溢流。LSFBS流化床層由部分入選礦粒組成，因此LSFBS內為自生介質流化床層，由于自生介質與待選礦粒粒度屬于相同量級，因而其自生介質床層的分選作用不如重介質懸浮液有效。

3 國外主要LSFBS特點

1)圓錐分級機

圓錐分級機(Cone classifier)是由上部給入待處理物料，入料中的輕細顆粒隨上升水流向上運動。圓錐分級機的錐體部分細長，圓柱段較短，為防止顆粒在圓錐段堆積壓實而引起排料困難，有時需要安裝攪動裝置，該設備用于分級作業。

2)斯托克斯水力分級機

斯托克斯水力分級機(Stokes hydrosizer)有多個分選槽，分選槽按串聯進行布置，分選槽的橫截面積依次增大。除流化作用外，Stokes hydrosizer的上升水流還可將罩蓋在粗礦粒表面的細泥等沖洗掉。待選物料隨橫向水流，依次進入各分選槽，并在上升水流作用下(各分選槽的上升水流速度不同)被分為多個粒級[4]，該設備也主要用于分級作業。

3)干擾床

干擾床又稱TBS，是一種使用較廣泛的LSFBS，也是工業應用相對較早的LSFBS，由英國MEP公司研制，圖2所示為TBS工作原理圖。L.Maharaj等[13]利用CFD軟件對流體分布器布水孔布置形式和開孔率大小對干擾床分選效率影響進行了研究，通過分析數值模擬結果，得到了不同結構流體分布器對TBS流場的影響，得出了干擾床流體分布器的最佳開孔率為32.4%，小于該值會引起壓降升高和耗能增加，大于該值則易導致流體分布器以上部位的速度分布不均。Galvin K.P.等[14]研究了加重質TBS分選效果：通過加重質來提高液固流化床層有效密度，可以提高其分選效果；加重質的顆粒密度越大，越要對其粒級進行嚴格控制。此外，他們還研究了各種形式的脈動水流對干擾床分選效率的影響，不同形式脈動水流下的干擾床分選效果并無明顯差別[15]。

圖2 TBS工作原理圖

4)弗洛特克斯密度分選機

該設備(Floatex Density Separator)為弗洛特克斯洗選有限公司生產的選礦設備，在20世紀七八十年代已用于工業生產。印度和美國學者對弗洛特克斯密度分選機的研究較多，該設備在砂礦、鐵礦和鉻鐵礦等礦物的粗選和尾礦回收作業以及細粒煤的分選有較多工業應用。待選物料由中心入料裝置給入到弗洛特克斯密度分選機分選室。弗洛特克斯密度分選機內部結構如圖3所示，待選物料進入弗洛特克斯密度分選機內部時，具有一個切向速度，從而加快了待選物料在徑向上分散。弗洛特克斯密度分選機具有性能良好的底流夾管閥，能根據床層密度變化精確控制底流排放過程，從而利于維持較好的分選效果。

圖3 FDS工作原理圖

Kumar等[16]對弗洛特克斯密度分選機從尾礦中回收鉻礦砂效果進行了試驗研究，發現在高床層壓力、低上升水流速率操作條件下，利用一段FDS便可有效脫除尾礦中的含鐵雜物，底流中Cr2O3品位為22%～23%，而Cr2O3回收率最高可達83%。

5)復式流化分級機

復式流化分級機(All-FLUX)主要用于鐵礦磁選作業之前的粗選、磨礦后分級、金屬礦脫泥和尾礦回收等作業[17-18]。All-FLUX可以看成由兩段LSFBS串聯而成，其內部結構如圖4所示，第一段LSFBS位于中央，第二段LSFBS位于四周。入料也是沿切向給到LSFBS分選空間內，待選物料在中心分選室內與上升水流相遇，形成第一段液固流化床層。組成第一段床層的顆粒密度或粒度偏大，床層有效密度也偏大，相對較輕或較細的中間組分和輕細組分入料顆粒隨上升水流溢出并進入到第二段LSFBS，粗重顆粒則透過該段床層而成為第一段LSFBS底流；由于分離粒度或分選密度減小，第二段LSFBS床層密度較第一段低，輕細組分待選顆粒成為該段流化床的溢流產品，而中間組分待選顆粒可以透過該段床層，而成為該段流化床的底流產品。

圖4 All-FLUX分離器工作原理圖

鄒健等[19]利用ALL-FLUX在本鋼歪頭山鐵礦進行了分級工業試驗，試驗結果表明ALL-FLUX分級效果好，粗粒、中粒和細粒三種產品中的-74μm含量分別為6.09%、11.82%和82.73%，其分級效率是振動篩的1.3倍，水力旋流器的1.8倍，螺旋分級機的2.2倍。

6)交叉流分選機(Crossflow Separator)

傳統LSFBS采用中心入料方式，由于入料礦漿沿垂直向下進入到LSFBS床層，易于對流化床層造成沖擊，同時入料流在與向上運動的溢流相遇時易導致溢流中的已完成分選的輕細顆粒再次混入到主分選區床層內。為了解決這個問題，Kohmuench提出了一種新型的LSFBS，即Crossflow Separator[20-21]，其內部結構和分選原理如圖5所示。

圖5 Crossflow separator工作原理圖

靜水井位于Crossflow separator溢流堰的一側，可以將向下的給料流在靜水井內轉化為水平方向，降低了給料流對Crossflow separator床層的沖擊。靜水井作為獨特的給料裝置其末端設有擋板，可避免入料流從穩水井流出后直接進入溢流槽而發生短路問題。由于改進了給料方式，Crossflow Separators分選效果較傳統LSFBS得到提高，處理量增大，而單位處理量的能耗和水耗降低。

7)水力- 浮力分選機(Hydrofloat Separator)

低密度粗粒在傳統LSFBS分選過程中容易損失到底流中，為提高這部分顆粒回收效率，Kohmuench提出了Hydrofloat Separator[21-22]，該LSFBS分選過程如圖6所示。

圖6 Hydrofloat Separator分選原理

Hydrofloat Separator結合了重力分選和泡沫浮選，將少量浮選藥劑和一定量壓縮空氣加入到上升水流中，氣泡在疏水的待選顆粒粒表面吸附，增加疏水性礦物顆粒所受的有效浮力，促進疏水顆粒和氣泡的聚合體在較低流化速度下隨上升水流向上運動，從而提高疏水礦物顆粒的產率和設備分選效果。從提高待選礦粒浮選效果角度看，上升水流提高了浮選過程的有效入料粒度上限，使得粗粒疏水顆粒上浮所需的實際有效浮力降低，降低了浮選底流跑粗現象的發生，上升水流保證了Hydrofloat Separator對待選顆粒中較細疏水礦物顆粒的回收效果。從提高重選效果角度看，少量浮選藥劑和一定量壓縮空氣的加入，提高了Hydrofloat Separator對疏水粗粒的回收效果，削弱了重選過程中的粒度效應。與完全浮選相比，Hydrofloat Separator具有減少充氣量、降低藥劑消耗以及降低疏水粗粒在底流中的錯配等優勢。

8)回流分選機

回流分選機(Reflux Classifier)由澳大利亞紐卡斯爾大學的Galvin提出，并進行了大量的試驗和理論探究[23-25]，其結構特點是在LSFBS內部加入一組或幾組平行板，根據物料特性和產品需求調節平行板的傾角、相互間距離以及其長度以得到滿足條件的底流或溢流產品。因溢流中細泥可沿傾斜板表面逆向回流，故形象稱之為Reflux Classifier。Galvin還提出了倒置的Reflux Classifier[26-27]，實驗室以及中試試驗結果表明倒置的Reflux Classifier對電廠灰渣中的煤灰漂珠能進行有效富集和回收。Galvin等在倒置的Reflux Classifier基礎上進一步開發出Reflux Flotation Cell來提高浮選效果[28-30]。Reflux Classifier及倒置Reflux Classifier結構和分選原理如圖7所示。紐卡斯爾大學和FLSmidth旗下的Ludowici公司合作開發了相應的工業產品，目前已有多個應用案例。

圖7 Reflux Classifier和倒置工作原理

4 國內LSFBS發展情況

國內LSFBS的發展起步較晚，目前所提出各種新型LSFBS幾乎都停留在試驗階段，工業應用幾乎沒有。中國礦業大學(北京)的劉文禮等設計了橫截面為100mm×100mm的矩形槽LSFBS，通過粗煤泥分選試驗探究了LSFBS分選效果和工作原理，促進了該設備在國內選煤廠的工業應用。此外，他們還仿制了Reflux Classifier，進行了相關探究并研制了三產品LSFBS。韋魯濱和孫銘陽等[31]分析了傾斜板間流場對顆粒按密度分離的促進作用，并考慮了直徑變化引起的流場改變對LSFBS內顆粒運動的影響，進而提出了內置傾斜板的變徑LSFBS，該設備結構如圖8所示，該設備變徑段引起的流場改變以及第二變徑段內置的傾斜板都能減少高密度細粒在溢流中的錯配，降低重選過程中的粒度效應。

圖8 內置傾斜板的變徑LSFBS

中國礦業大學的李延峰[32]對LSFBS進行了系統研究，并構建了LSFBS的半工業試驗平臺。通過相關粗煤泥試驗研究發現，LSFBS能有效分選>0.125mm的待選顆粒，分選效果可達到0.08～0.09，并進一步對成莊選煤廠某車間的粗煤泥進行了工業試驗研究，取得了較好實驗效果。通過將兩段LSFBS進行組合，李延峰等還研制了三產品LSFBS[33]。謝廣元、沙杰等[34]研究了底流排放形式和柱體高度對分選效果的影響，發現LSFBS的分選柱越高分選效果好，且中心排料方式的LSFBS比周邊排料方式的LSFBS分選效果好；此外，他們還提出一種變徑脈動LSFBS[35]，該分選設備的分選柱直徑由下到上逐漸減小，如圖9所示。段晨龍等[36]研制了變徑液固流化床，發現物料在傾斜的LSFBS分選柱內壁上容易堆積。為解決物料堆積問題，他們在床體下方設計了進氣孔，進而提出了充氣式液固流化床。通過廢棄電路板分選試驗發現，充氣式液固流化床的金屬回收率可達95.51%，由于該設備的床體傾斜安置，顆粒沿床體軸向和徑向速度對顆粒最終去向都有重要影響，因此很有必要研究物料入口位置和床體長徑比(或變徑對應錐角)對分選結果的影響。變徑/充氣式液固流化床如圖10所示。

圖9 變徑脈動LSFBS

圖10 變徑/充氣式液固流化床

黑龍江科技大學的呂一波等[37]設計加工了LSFBS，并進行了相關研究工作，采用DPM模型模擬待選礦粒在LSFBS內部分選過程，得到了礦粒在LSFBS內部運動規律。

河南理工大學的焦紅光等提出了脈動阻尼LSFBS[38]，認為阻尼塊可產生使床層松散的渦流，從而降低物料錯配，提高分選效果。其研究結果顯示，脈動阻尼LSFBS分選效果較傳統LSFBS得到了一定程度改善，其結構和分選原理如圖11所示。

圖11 脈動阻尼干擾床原理圖

唐利剛[39]利用CFD對LSFBS流場進行了研究，并提出了內置一組截頂圓錐板的LSFBS，截頂圓錐板上開有大量細孔，數值模擬結果表明，圓錐板上的細孔能促進上升水流再分布。

王魁珽等[40]提出了用于分離氫氧化鎳和硫酸鈣的LSFBS，該設備的特點是包括三個圓柱段和兩個圓錐段，其中三個圓柱段由兩個圓錐段依次連接起來，第一圓錐段能促進不同沉降速度的固體顆粒分離，第二圓錐段則促進了第二固體物質(沉降速度較大組分)的排出，且為防止第二固體物質在第三圓柱段聚集壓實，還在第二固體物質出口的對面設置的設置了沖水口，以進一步促進第二固體物質排出。

5 結論

本文簡要論述了LSFBS發展概況，由于分選精度高、分選密度寬以及易于實現自動化等優點，LSFBS已被廣泛應用在礦物加工領域。關于LSFBS結構優化方面的研究可以從以下幾個方面考慮：加入內構件(如平板、截頂圓錐板)，提高LSFBS處理能力和顆粒按密度差異分離效果；優化流體分布器，以提高布水均勻性，并減少布水孔堵塞；設計變徑筒體，利用變徑引起的流場和床層特性改變提高LSFBS分選效果；合理加入脈動水流裝置或振動裝置，減少摻雜，改善不同密度顆粒的錯配問題。

在LSFBS應用方面，研究者們應拓展和加強LSFBS用于環境保護和資源回收利用等方面的研究，開發適于相應用途的新型LSFBS。