阻尼式脉动气流分选装置分选机理的基础研究.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 2N o ．6 N o v ．2 0 0 3 文章编号10 0 0 ] 9 6 4 2 0 0 3 0 6 0 7 2 50 4 阻尼式脉动气流分选装置分选机理的基础研究 段晨龙，何亚群，王海锋，温雪峰 中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要对于传统气流分选装置，物料的沉降末速是决定不同组分有效分选的主要因素．目颗粒的 沉降束速与颗粒的密度、粒度和形状有关，故影响传统气流分选装置有效分选的因素较多．阻尼 式脉动气流分选装置是一种新型的气流分选机．在传统的气流分选机中加入阻尼块，将在分选装 置中形成气流的加速、减速区域，所产生的脉动气流可实现物料在分选装置内按密度有效分离． 实验选用两种粒度相近、密度不同的示踪颗粒作为被分选组分．实验研究表明，与传统气流分选 相比，阻尼式脉动气流分选可获得更高的分选效率和更宽范围的操作条件． 关键词气流分选装置；阻尼式脉动气流；分选效率；沉降束速；密度 中圈分类号T D9 2 2文献标识码A 气流分选是以空气为分选介质，在气流作用下 使颗粒按密度或粒度进行分离的一种方法．气流分 选的基本原理是气流将较轻的物料向上带走或从 水平方向带到较远的地方，而重物料则由于向上气 流不能支撑它而沉降，或由于重物料的足够惯性而 不能剧烈改变方向穿过气流沉降，被气流带走的轻 物料再进一步从气流中由旋流器分离出来[ ““． 二十世纪初，以空气为介质的风力摇床已在美 国钢铁企业首次应用D ] ．前苏联在上个世纪4 0 年 代，就广泛发展风力选煤，至今还拥有风力选煤厂 和有风选系统的选煤厂2 0 座n ] ．气流分选目前在 矿业领域作为有价矿物分选的方法及在农业领域 分离谷物和谷壳等方面都有应用的先例．对于固体 废弃物的分类处理，气流分选主要用于城市垃圾的 分选，将城市垃圾中的有机物与无机物分离，以便 分别回收利用或处置．在日本国家资源环境研究所 N I R E ，风力摇床及气流柱式分选被用来分选塑 料和铝[ “．在国内，风力分选在选煤领域已有一定 的应用，传统的管式气力分选机在对窄粒级物料按 密度分选方面也有应用的报道．阻尼式脉动气流分 选的研究目前在国内尚属空白．由于气流分选操作 简便，分选过程几乎无污染，应用的前景很广阔． 对于传统的立式气流分选，分选物料组分的沉 降末速是决定分选效率的主要因素口] ．颗粒的沉降 末速主要与颗粒的密度、大小和形状有关，因而传 统气流分选装置有效分选影响因素较多．对于宽粒 级多组分物质，传统的气流分选装置很难实现物料 按密度有效分选．为了提高分选效率，在分选之前 需要将物料进行窄分级，或经破碎使粒度均匀后， 使其按密度差进行分选．上个世纪8 0 年代，美国和 日本针对固体废弃物处理进行脉动气流分选的研 究，与传统气流分选相比脉动气流分选可获得更好 的分选效果．但脉动气流分选的工业化应用仍有一 段距离，其要求被分选物料的密度差 如塑料和金 属 较大，且物料颗粒的分选下限为6m m [ “． 为了评价阻尼式脉动气流分选装置和传统气 流分选装置的分选效果，本文对阻尼式脉动气流分 选装置的分选机理进行了实验研究．当流速一定的 气流通过加入阻尼块的分选装置时，管壁的扩张与 收缩设计使得气流的加速和减速区域交替出现．在 这种情况下，合理控制气流的速度和分选的时间， 可以实现多组分颗粒按密度有效分选．与传统气流 分选装置相比，脉动气流分选装置取得了较高的分 选效率和较宽的范围的操作条件． 1 脉动气流分选的作用原理 球形颗粒在空气中沉降末速为 ”一．／啦6 p p g ， 式中d 为颗粒的直径；B 为颗粒的密度；P 为空气 收稿日期．2 0 0 3 0 6 2 3 作者简介段晨龙 1 9 7 8 一 ，男，内蒙古自治区太仆寺旗人，中国矿业大学硕士研究生，从事固体废弃物处理及资源化方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 2 卷 的密度；∞为阻力系数；g 为重力加速度． 由式 1 知，当球形颗粒粒度一定时，高密度的 颗粒沉降末速较大；当球形颗粒密度一定时，粒度 大的颗粒沉降末速较大．由于在同一介质中，密度、 粒度和形状不同的颗粒在特定的条件下，可以具有 相同的沉降末速．这样相应的颗粒称为等沉颗粒． 其中密度小的颗粒粒度d ，与密度大的颗粒粒度d 。 之比，称为等沉比，以e 表示，即 一夏d 1 ． 2 颗粒在上升气流中达到沉降末速时，颗粒的沉 降速度”等于颗粒对介质的相对速度”。和上升气 流速度“。之差，即 “ u n 一“o ． 3 由式 3 可知，上升气流可以缩短颗粒达到沉 降末速的时间和下降距离，因此在分选中常采用上 升气流．颗粒在实际气流分选过程中的运动是干涉 沉降．在干涉条件下，使颗粒按沉降末速分选时，上 升气流速度的大小，应根据物料中各种组分的性 质，通过实验确定． 在颗粒达到某一沉降速度”。之前，高密度的 颗粒比低密度的颗粒下落得快“] ．如果两个颗粒的 沉降速度始终不同，且组分x 的沉降速度始终小 于组分y 的沉降速度，在一定的上升气流流速范 围之内可以实现两种物料的分选，低沉降末速的组 分x 作为轻产物将会从物料出口吹出． 以球型颗粒为例，A ，B ，C ，D4 种颗粒自由沉 降的时间速度曲线如图1 所示，在z 时刻之前，高 密度颗粒A ，c 的沉降末速始终大于低密度颗粒 B ，D 的沉降末速，在此时刻之前组分A ，B 与组分 c ，D 问的分选，可认为是按密度分选．在，时刻之 后，大粒度、低密度颗粒B 的沉降末速超过C 颗 粒，此后沉降末速决定了B ，c 颗粒的分选．对于传 统的气流分选装置，认为B ，C 组分是难选组分，B ， 图l 球型颗粒自由沉降的时问速度曲线 F i g ．1 V e l o c i t yt i m ec u r v e so ft h ef r e ef a i l i n gs p h e r e s A ．高密度，粒径大；B ．低密度，粒径大I c 高密度，粒径小；D ．低密度，粒径小 C 组分的有效分选不易实现． 设想在气流分选装置中通过加速、减速区域控 制颗粒沉降末速，使B ，C 组分的沉降末速始终低 于％在理论上则可以实现B ，C 组分的有效分选， 即可以认为密度是组分有效分选的主要因素． 本文的实验中，通过在传统气流分选装置中加 入阻尼块，分选装置中将产生气流的加速减速区 域，使气流产生脉动性，实现物料的按密度分离．在 传统的气流分选过程中，物料是按沉降末速分离 的，因此颗粒的密度、粒度和形状均会影响组分的 有效分选．本实验研究认为对于脉动气流分选，密 度是组分有效分选的主要因素． 2 实验研究 2 ．1 实验装置 所采用的实验室柱式气流分选装置是一个内 径为5c m ，长度为17 5c m 的有机玻璃圆柱体，分 选装置为多节柱状体，由法兰联接，阻尼块由法兰 处接入，其装置图如图2 示．分选柱的高度、阻尼块 的个数、阻尼块的形状均可调节．即阻尼式脉动气 流分选的加速减速区域可以通过调节改变．实验室 系统的工艺连接图如图3 所示． 门 囤2 气流分选装置 F i g ．2 T h ec l a s s i f i e rf o ra i rc l a s s i f i e r s 旋风障尘器 图3 气流分选系统 F i g ．3T h ep n e u m a t i cs e p a r a t i o ns y s t e m 万方数据 第6 期段晨龙等阻尼式脉动气流分选装置分选机理的基础研究 2 ．2 实验过程 为了对脉动气流分选装置和传统气流分选装 置的分选效果进行比较，实验选用片状铝和塑料作 为被分选组分．所用的材料特征如表1 所示 表1 组分性质 T a b l e1C h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r t i c l e s 将两种组分各2 0 0 枚加入分选装置中，在上升 气流作用下大部分塑料在2 0s 内从分选装置顶部 吹出．大部分铝悬浮于阻尼块问的分选柱内，在上 升气流停止之后铝片落人分选装置的底部．通过调 节气流流速、阻尼块的位置和个数，可实现两种组 分的有效分离．在本实验中分别将塑料和铝称为轻 重组分． 3 数据分析及分选效果评价 气流分选装置的分选效果由装置的分选效率 和可操作气流流速的范围评价．实验表明，在传统 气流分选装置中加入阻尼块，可提高分选的效率， 并可获得更宽的气流流速的操作范围． 3 ．1 分选效率 装置的分选效率“3 ，一嚣‘蠹， 式中口为分选效率；z 。为轻组分被吹出的数量或 质量；z 。为轻组分的总量 数量或质量 ；Y 。为重组 分留在分选装置中的数量或质量i 汕为重组分的 总量 数量或质量 ． 为了进行实验结果的分析与比较，对设置不同 个数阻尼块的四组实验装置实施分选实验．四组实 验装置分别标记为C ，D ，E 和F ，其中C 为无阻尼 块的传统分选柱，D ，E ，F 为分选柱中分别加入1 ， 2 ，3 个阻尼块的分选装置． 罗兹风机的气流流速调节为1 0m ／s 时，2 0s 可将大部分轻组分吹出．2 0s 之后，被吹出物料的 量逐渐减少．1 0 0s 之后，被吹出的物料极少，对分 选效率的影响可忽略．对于四组设置不同个数阻尼 块的实验装置进行分选实验，得出四组数据进行分 析． 表2 是1 0 m ／s 气流流速时C ，D ，E ，F 装置分 选效率随时问变化的情况． 表2 气流流速为1 0 m ／s 分选装置效率 T a b l e2 S e p a r a t i o ne f f i d e n c yo fa i rc l a s s i f i e r s I Dm ／s 6 7 ．2 5 7 5o o 7 9 ．2 5 8 1o o 8 3 ．o o 8 4 ．2 5 8 4 ．7 5 8 5 ．5 0 8 6 ．o o 8 65 0 7 8 ．2 9 8 4 ．5 3 8 5 ．5 2 8 7 ．2 7 8 8 ．2 7 8 90 1 8 9 ．5 l 8 9 ．7 6 9 0 ．0 I 9 0 ．5 1 7 9 ．7 0 8 6 ．8 7 9 0 ．1 1 9 0 ．8 8 9 1 ．4 0 9 2 ．3 7 9 2 ．6 3 9 3 ．3 6 9 3 6 0 9 38 4 7 8 ．6 2 9 09 0 9 Z ．9 5 9 3 ．8 6 9 3 ．8 6 9 4 3 1 9 4 ．5 4 9 4 7 7 9 5 ．o o 9 5o o 从表2 中可以看出，当分选时间为2 0s 时，c ， D ，E ，F 装置对应的分选效率分别为7 5 ．0 0 ％， 8 4 ．5 3 ％，8 6 ．8 7 ％，9 0 ．9 0 ％，随着时间改变分选效 率将增加．装置F 分选效率最高，在1 0 0s 时F 的 分选效率高达9 5 ．o o ％．图4 为1 0 m ／s 流速下c ， D ，E ，F 装置的时问效率曲线，装置c ，D ，E ，F 的分 选效率随阻尼块的个数的增加，分选效率将会提 高．即阻尼块在分选柱中形成加速减速区域，增加 加速减速区域将增加分选效率．但继续增加阻尼 块，对分选效率的提高影响不大． 图4流速为1 0m ／s 时不同装置的分选效率曲线 F i g ．4E f f i c i e n c yc u r v e so ft h ea i rc l a s s i f i e r s 1 0m ／s 3 ．2 有效分选流速的操作范围 分选过程在2 0s 内调节流速，以装置C ，E 为 例得到分选效率曲线如图5 a ，b 所示． 在评定有效分选流速的操作范围时，我们将效 率高于8 0 ％的分选认为是有效分选．从图5 a 中可 以发现，C 装置有效分选的范围的流速是介于 1 0 ．0 8m ／s 与1 0 ．6 4m ／s 之间，当气流流速低于 1 0 ．0 8m ／s 时，轻物料将得不到有效分选．当分选 气流流速高于1 0 ．6 4m ／s 时，重产物将混杂在轻产 物中，使分选效率下降．对于E 装置，从图5 b 中我 们得出，有效分选的气流流速范围是9 ．6 0m ／s 与 1 0 ．9 0m ／s 之间，与传统气流分选装置C 相比，E 装置有着更宽的有效分选流速的操作范围． ∞∞如∞∞加鲫蛐呱 万方数据 中国矿业大学学报第3 2 卷 口／r m s 。I a 装置C 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 891 0l l1 21 3 口Ⅳm s 。1 b 装置E 图5 装置C ，D 的流速效率曲线 F i g ．5E f f i c i e n c yc H r v ef o rC ，Dc l a s s i f i e r 4 结论 1 实验表明，阻尼式脉动气流分选装置与传 统气流分选装置相比，分选效率更高． 2 不同个数阻尼块的脉动气流分选装置的流 速效率曲线表明，阻尼式脉动气流分选装置有效分 选流速的操作范围更宽． 3 对于传统立式气流分选，颗粒的沉降末速 是不同组分有效分选的主要因素，沉降末速与颗粒 的密度、粒度和形状有关．对于脉动气流分选，密度 是影响物料有效分选主要因素． 4 分选实验表明，阻尼式脉动气流分选装置 存在着分选效率不高的不足，在以后的研究中，可 考虑通过改变气流分选装置阻尼块的结构、位置等 因素解决．论文作者同时考虑加脉动阀以在分选装 置中产生脉动气流的方式，使脉动气流分选装置对 较宽粒级的多组分物料按密度有效分离． 参考文献 [ 1 ] 冯俊凯，沈幼庭．锅炉原理及计算E M ] ．北京科学 出版社，1 9 9 8 ． [ 2 ] 冯绍灌．选煤数学模型[ M ] ．北京煤炭工业出版社， 1 9 9 3 ． [ 3 ]N a t i o n a lC e n t e rR e s o u r c eR e c o v e r y ．R e s o u r c er e c o v e r yf r o mm u n i c i p a ls o l i dw a s t e [ M ] ．L e x i n g t o n L e x i n g t o nB o o k sM A ，1 9 7 5 ． [ 4 ] 杨云松．俄罗斯风力选煤E J 3 ．选煤技术，l9 9 3 ， 2 3 63 9 ． [ 5 ] 大井英节．废塑料的干式分选[ J ] ．国外金属矿选矿， 2 0 0 1 。 6 2 5 ． [ 6 ] P a t r i c i aBC ，P e i r c eJJ ．P a r t i c l ed e n s i t ya n da i r c l a s s i f i e rp e r f o r m a n c e [ J ] ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g t1 9 8 8 1 1 4 2 2 8 9 3 9 9 ． [ 7 ]E v e r e t tJW ，P e i r c eJJ ．V a r i a b l ei n j e c t i o na c t i v e p u l s ea i rc l a s s i f i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，1 9 8 9 t 1 1 5 2 ．3 9 5 4 0 8 ． [ 8 ] P e i r e eJJ ，W i t t e n b e r gN ．Z i g z a gc o n f i g u r a t i o na n da i r c l a s s i f i e r p e r f o r m a n c e [ J ] ．J o u r n a l o f E n e r g y E n g i n e e r i n g ，1 9 8 4 ，1 1 0 1 3 64 0 ． S e p a r a t i n gM e c h a n i s mo fP a s s i v eP u l s i n gA i rC l a s s i f i e r D U A NC h e n l o n g ，H EY a q u n ，W A N GH a l f e n g ，W E NX u ef e n g S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，] i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h et r a d i t i o n a la i rc l a s s i f i e r ，t h ed i f f e r e n c eo ft e r m i n a lv e l o c i t yo fp a r t i c l e si So n eo ft h em a i n f a c t o r st oa c h i e v ee f f e c t i v es e p a r a t i o n ．B e c a u s et h et e r m i n a lv e l o c i t yi nt u r ni sd e p e n d e n to nt h ep a r t i c l e ’S s i z e ，s h a p ea n dd e n s i t ye t c ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ea ni d e a ls e p a r a t i o nr e s u l t ．T oi m p r o v et h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo fp a r t i c l e s ，an e wt y p eo fa i rc l a s s i f i e r ，t h ep a s s i v ep u l s i n ga i rc l a s s i f i e r ，w a si n t r o d u c e d ．I nt h e p u l s i n ga i rc l a s s i f i e r ，e x p a n s i o n sa n dc o n t r a c t i o n so ft h et h r o a t si m p o s ead i s t a n c e v a r y i n ga i r f l o ww h i c h a l t e r n a t e l ya c c e l e r a t e sa n dd e c e l e r a t e st h ep a r t i c l e s ．Ad e n s i t y d o m i n a n ts e p a r a t i o nw a sa c h i e v e db e c a u s eo f t h ep u l s i n ga i r f l o w ．I no r d e rt oe v a l u a t et h es e p a r a t i o ne f f e c to fd i f f e r e n ta i rc l a s s i f i e r s ，t W Os p e c i e so ft h e t r a c i n gp a r t i c l e sw h i c hh a v es i m i l a rp a r t i c l es i z ea n dd i f f e r e n td e n s i t yw e r ea d o p t e d ．T h er e s u l t so ft h e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ep u l s i n gc l a s s i f i e r sa c h i e v em o r ee f f e c t i v er e s u l t so fs e p a r a t i o na n dg e t aw i d e rr a n g eo fo p e r a t i n gv e l o c i t i e so ft h ea i r f l o wt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e s ． K e yw o r d s a i rc l a s s i f i e r s ；p a s s i v ep u l s i n g ；s e p a r a t i o ne f f i c i e n c y } t e r m i n a lv e l o c i t y ld e n s i t y 责任编辑陈其泰 万方数据