變徑水介質(zhì)分選床分選機(jī)理的研究

王小春 段晨龍 陳常州

(1中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2河南永錦選煤有限公司，河南 禹州 461470)

引言

隨著電子產(chǎn)品的日益增多，電子廢棄物的回收與再利用已成為人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)今處理電子廢棄物的方法主要是化學(xué)方法和物理方法。采用化學(xué)方法對(duì)電子廢棄物中的金屬進(jìn)行回收，回收效率較高，但會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，加之社會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，人們?cè)絹?lái)越傾向于對(duì)采用物理方法回收廢棄電子產(chǎn)品中的貴金屬的研究。變徑水介質(zhì)分選床便是采用物理方法進(jìn)行回收的分選設(shè)備。

1 設(shè)備工藝原理

變徑水介質(zhì)分選床模型是由給料漏斗、床體、流體分布器、濾袋、循環(huán)水箱及水泵等幾部分組成的。如圖1-1所示，分選在水介質(zhì)下進(jìn)行，首先用泵將循環(huán)水箱中的水由底流口注入到分選床體之內(nèi)，循環(huán)水溢滿床體之后由溢流管流回到循環(huán)水箱，這就形成了一個(gè)閉合的動(dòng)力水循環(huán)系統(tǒng)。分選時(shí)，由給料漏斗給料，采用流量計(jì)控制給料速度，當(dāng)物料進(jìn)入分選床床體時(shí)，輕重物料得到分離。

圖1 試驗(yàn)工藝流程設(shè)計(jì)圖

圖1-2是變徑水介質(zhì)分選的工藝流程。這種工藝的特點(diǎn)是：1僅包括破碎、篩分和分選三個(gè)過(guò)程，流程比較簡(jiǎn)單；2破碎和提供上升水流是主要的能量消耗。由于電路板材質(zhì)較脆、硬度較小，破碎過(guò)程中所需要的能量較少，而且提供上升水流的耗能量比其他分選方法中設(shè)備耗能量少，使得整體耗能較少，運(yùn)行成本較低；3分選過(guò)程中用到了水作為介質(zhì)，原料比較普遍；同時(shí)水介質(zhì)還可以循環(huán)利用，減少了資源的浪費(fèi).變徑水介質(zhì)分選床的工藝流程是一種理想的分選廢棄電路板的方法，與其他物理方法分選電路板相比具有一定的優(yōu)越性。

2 分選中運(yùn)動(dòng)軌跡

分選床內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)軌跡是分析輕重產(chǎn)物分離的關(guān)鍵。在分選過(guò)程中，水介質(zhì)在流體推力和自身重力的作用下沿著床體運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，一部分溢出床體進(jìn)入溢流區(qū)；而另一部分則繼續(xù)留在床體沿船體向下運(yùn)動(dòng)。這樣在床體的溢流口附近的流體就形成了一個(gè)渦流狀區(qū)域，此區(qū)域即為給入的物料顆粒進(jìn)行分離區(qū)域。當(dāng)給料顆粒進(jìn)入到渦流狀區(qū)域時(shí)，輕物料顆粒受到的浮力比重力大，因此會(huì)沿著溢流水的運(yùn)動(dòng)軌跡作為溢流產(chǎn)物；而對(duì)于重物料顆粒則受到的重力大于浮力，因此重物料顆粒會(huì)沿著回流水的方向沿床體內(nèi)壁滑落到床體底部成為重產(chǎn)物?？梢姡瑴u流狀區(qū)域的穩(wěn)定性決定了分選效果的好壞。

圖2-1 水介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖2-2 輕重顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

渦流狀區(qū)域的形成狀況受到水流速度和流體分布器管孔方向的影響，也受到床體傾角的影響。當(dāng)水流速度超過(guò)一定范圍內(nèi)，穩(wěn)定的渦狀區(qū)域遭到外力的破壞，逐漸變成沿床體方向的上升流向，使大部分水流越過(guò)床體內(nèi)壁形成溢流，容易使溢流產(chǎn)品中帶入大量的銅屑，影響回收率；而如果水流速度小于一定范圍，穩(wěn)定的渦流狀區(qū)域因缺少外力的維持而不能形成，幾乎所有的水流都不能越過(guò)床體內(nèi)壁，使底流產(chǎn)品中混入大量的輕產(chǎn)物，影響精礦的品位。

傾角對(duì)渦狀區(qū)域的形成也很重要。傾角過(guò)大，水流在流出床體時(shí)仍然具有沿垂直重力方向向上的速度，不可能形成渦狀區(qū)域；傾角過(guò)小，水流的水平速度很小，由于介質(zhì)間的阻力作用很難形成水平方向的位移，因此也不能形成渦狀區(qū)域。

料管進(jìn)入床體后，由于輕產(chǎn)物（玻璃樹脂）和重產(chǎn)物（銅）密度差別很大，在進(jìn)入水流的一段距離便形成了兩條運(yùn)動(dòng)軌跡，兩條運(yùn)動(dòng)軌跡有重疊區(qū)域，這是由于給料口附近的一段區(qū)域內(nèi)介質(zhì)并不完全是水，而包括水和輕重產(chǎn)物的復(fù)合介質(zhì)。物料在渦狀區(qū)域內(nèi)受到流場(chǎng)作用，輕產(chǎn)物隨著從渦狀區(qū)域里溢出的液體分離出來(lái)；重產(chǎn)物則隨著渦狀區(qū)域的下逆流，到了床體內(nèi)壁，沿著床體內(nèi)壁向下滑落。

3 干擾沉降

實(shí)際分選過(guò)程中，并非是有限顆粒在無(wú)限介質(zhì)中的分離運(yùn)動(dòng)，而是成群的礦粒在有限介質(zhì)空間里的分離運(yùn)動(dòng)，因此顆粒在分離過(guò)程中并不是按照簡(jiǎn)化模型中提到的分離運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而是存在諸多干擾因素的，主要有：

1、流體介質(zhì)的粘滯性增加，引起介質(zhì)阻力變大。由于粒群中任一顆粒的運(yùn)動(dòng)均將引起周圍的流體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于固體顆粒的大量存在，且這些固體又不像流體介質(zhì)那樣易于變形，結(jié)果介質(zhì)就會(huì)受到阻尼而不易自由流動(dòng)，這就相當(dāng)于增加了流體的粘滯性，從而使顆粒的運(yùn)動(dòng)速度降低。

2、顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)與介質(zhì)的相對(duì)速度增大，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)阻力增大。由于粒群在有限的容器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體受到容器邊界的約束，根據(jù)流體的連續(xù)性規(guī)律，一部分介質(zhì)的下降便會(huì)引起同體積介質(zhì)的上升，從而引起一股附加的上升水流，使顆粒與介質(zhì)的相對(duì)速度增大，導(dǎo)致介質(zhì)阻力增加。

3、機(jī)械阻力的產(chǎn)生。處于運(yùn)動(dòng)中的粒群，顆粒之間、顆粒與器壁之間產(chǎn)生摩擦碰撞，致使每個(gè)沉降顆粒除受介質(zhì)阻力外，還受機(jī)械阻力。

顆粒干擾運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力的大小，主要取決于介質(zhì)中固體顆粒的體積含量，以固體容積濃度表示。越大，說(shuō)明顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)受到粒群干擾的影響也就愈顯著，干擾運(yùn)動(dòng)的速度也就越小。

比較接近實(shí)際的計(jì)算公式為：

其中：—干擾運(yùn)動(dòng)末速；—自由運(yùn)動(dòng)末速；

固體容積濃度；與礦粒性質(zhì)有關(guān)的試驗(yàn)指數(shù)；

考慮以上因素，變徑水介質(zhì)分選并不是完全按照顆粒的密度差異進(jìn)行分離的，還按照顆粒的形狀、大小進(jìn)行分選；因此控制給料粒級(jí)在一定的范圍內(nèi)，使各個(gè)顆粒之間的形狀、粒度相近，對(duì)提高分選效果非常重要。

結(jié)論

1、本章主要闡述了變徑水介質(zhì)的分選工藝及原理，通過(guò)對(duì)分選過(guò)程中水介質(zhì)及輕重顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，提出了渦流狀分選區(qū)域的穩(wěn)定性為分選效果的決定因素。

2、分析了影響渦流狀分選區(qū)域相關(guān)因素。床體傾角、水流速度影響渦流狀分選區(qū)域的形狀、范圍和穩(wěn)定性：當(dāng)渦流狀分選區(qū)域在外界因素的影響下縮小或變形，分選效果變差；渦狀分選區(qū)域最大并且很穩(wěn)定，則分選效果良好。

[1] 何亞群，段晨龍，王海峰，宋樹磊等著.電子廢棄物資源化處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006.7.

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