頂流式變徑液固流化床的流場(chǎng)分布與分選實(shí)驗(yàn)研究*

劉馮永政 段晨龍 伍玲玲 盛 成 周恩會(huì)

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)中心，上海 201209； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

頂流式變徑液固流化床的流場(chǎng)分布與分選實(shí)驗(yàn)研究*

劉馮永政1，2段晨龍2#伍玲玲3盛 成2周恩會(huì)2

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)中心，上海 201209； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

為解決變徑水介質(zhì)分選床中顆粒堆積及細(xì)粒級(jí)廢棄電路板的有效物理分選，在現(xiàn)有的變徑水介質(zhì)分選床下壁面添加了多組頂流管，引入上升水流，加強(qiáng)了壁面堆積物料的松散與分選效果。詳細(xì)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(jìn)行數(shù)值模擬，得到了介質(zhì)流場(chǎng)的壓強(qiáng)分布變化規(guī)律：流場(chǎng)壓強(qiáng)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(qiáng)壓區(qū)，使分布在床體下壁面的顆粒產(chǎn)生額外的運(yùn)動(dòng)加速度。選用≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500mm廢棄電路板顆粒進(jìn)行兩因素三水平分選實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用頂流式變徑液固流化床分選系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)≤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(dá)到了93.23%。

廢棄電路板 頂流式 變徑液固流化床 流場(chǎng)分布 分選

隨著電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來(lái)越快，從而導(dǎo)致電子廢棄物的大量產(chǎn)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(diǎn)。其中，廢棄電路板的資源化處理是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果處理不當(dāng)，會(huì)造成嚴(yán)重危害。廢棄電路板主要處理方法包括化學(xué)、物理及生物方法[4]。隨著對(duì)社會(huì)環(huán)境保護(hù)的重視及電子產(chǎn)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(jù)主導(dǎo)地位[5]。

變徑液固流化床是物理分選設(shè)備之一，相比于水力旋流器、搖床、磁選等其他物理分選設(shè)備，變徑液固流化床能處理較細(xì)粒級(jí)的電子廢棄物顆粒，同時(shí)可較大程度地避免金屬流失[6_7]。但傳統(tǒng)的變徑液固流化床由于床面傾斜放置，分選過(guò)程中物料會(huì)沿著床面堆積，造成設(shè)備堵塞、排料困難、操作復(fù)雜、分選效率低等問(wèn)題。基于此，研究設(shè)計(jì)了一種新型的頂流式變徑液固流化床，可實(shí)現(xiàn)寬粒級(jí)多組分物料的有效分選。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

變徑液固流化床分選系統(tǒng)裝置是一種重力選礦設(shè)備，由給料、分選、脫水、介質(zhì)循環(huán)4個(gè)部分組成，如圖1所示。床體呈圓臺(tái)體，傾斜放置，角度可調(diào)。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(chǎn)生均勻平穩(wěn)的上升水流，同時(shí)防止小孔堵塞和磨損。系統(tǒng)工作時(shí)，水流在主水泵壓強(qiáng)作用下自床體底部主流管給入，經(jīng)水力分布板均勻分布后進(jìn)入床體，形成具有一定速度與壓強(qiáng)分布規(guī)律的流場(chǎng)。待選物料混合均勻后勻速進(jìn)入床體內(nèi)，在擾動(dòng)水流作用下松散、分層，低密度小顆粒隨溢流排出，成為輕產(chǎn)物；高密度大顆粒沉入床層底部，隨底流排出，成為重產(chǎn)物；中間密度與粒度的物料根據(jù)操作參數(shù)與分選目的不同進(jìn)入輕產(chǎn)物或重產(chǎn)物。分選產(chǎn)品經(jīng)濾布脫水后收集，脫除的水進(jìn)入循環(huán)水箱循環(huán)使用。

1—彎管；2—主流管和入水口；3—平法蘭盤；4—加強(qiáng)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(huán)；10—出料口；11—輸送帶；12—循環(huán)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(cè)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(cè)支撐； 22—水平水流直管支撐；23—循環(huán)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(tǒng)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(shù)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(jìn)入分選區(qū)(即水力分布板和承載環(huán)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(zhì)分選床中顆粒堆積問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒級(jí)廢棄電路板的有效物理分選，具有能耗小、無(wú)二次污染、操作方便的特點(diǎn)。

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(duì)稱分布，可分水連續(xù)相和顆粒連續(xù)相兩大類[10]。當(dāng)水流速度較小時(shí)，水流動(dòng)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(chǎn)生局部逆流，形成局部逆流的顆粒分散流型(見(jiàn)圖2(a))。隨著水流速度的增大，連續(xù)的顆粒分散區(qū)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(jiàn)圖2(b))。以上兩種流型的轉(zhuǎn)換界限受傾角的影響很大。隨著水流速度進(jìn)一步增加，水流動(dòng)量足以克服重力沿傾斜面向下的分力作用，局部逆流現(xiàn)象消失，形成水層同向流的顆粒分散流型(見(jiàn)圖2(c))。再次增加水流速度，分散的固體顆粒在流場(chǎng)中均勻分布，形成顆粒均勻分散流型(見(jiàn)圖2(d))。

在水連續(xù)相流型(見(jiàn)圖2(a)至圖2(d))階段，水流速度的增加導(dǎo)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(xù)相和水連續(xù)相之間的過(guò)渡流型(見(jiàn)圖2(e))。在過(guò)渡流型階段，如果水相速度不變，顆粒相速度與濃度進(jìn)一步增加直至形成類似流體的連續(xù)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(jiàn)圖2(f))和水滴分散流型(見(jiàn)圖2(g))，此時(shí)為顆粒連續(xù)相階段。

2 流場(chǎng)分布變化規(guī)律

采用ANSYS FLOTRAN CFD軟件中的三維流體模型分析單元對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下流場(chǎng)的分布變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，以預(yù)測(cè)和分析復(fù)雜流體流動(dòng)。根據(jù)變徑分選床實(shí)物模型，模擬參數(shù)設(shè)置為床高800 mm，頂部直徑200 mm，底部直徑120 mm；初始進(jìn)口速度根據(jù)具體流量計(jì)算得到，并據(jù)此計(jì)算雷諾數(shù)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(qiáng)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(biāo)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(qiáng)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(qiáng)較大，可以對(duì)自床體頂部給入的物料顆粒產(chǎn)生逆向作用力，使顆粒群產(chǎn)生回流，有助于入料的快速松散，強(qiáng)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(qū)域因?yàn)檫叡谛?yīng)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(lái)，嘴角終于現(xiàn)出氣傲的笑意：“說(shuō)到簫，不是石某自吹，在這座城里，舉目望去，只有兩個(gè)人配談它。”

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

圖3 入水口壓強(qiáng)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(dòng)態(tài)壓強(qiáng)分布見(jiàn)圖5。通過(guò)頂流孔垂直于床體給入的上升水流流速對(duì)床體頂流孔附近的主流場(chǎng)流體產(chǎn)生沖擊作用，并形成局部強(qiáng)壓區(qū)，以頂流孔為中心呈扇形擴(kuò)散遞減。由此產(chǎn)生的壓強(qiáng)梯度力直接作用于分布在床體下壁面的物料顆粒，產(chǎn)生額外的運(yùn)動(dòng)加速度，促使顆粒再次松散并返回主流場(chǎng)區(qū)域二次分選，提高了分選效果，同時(shí)可有效避免物料堆積。

圖5 軸截面上流體動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)分布(單位：MPa)Fig.5 Dynamic pressure distribution on symmetry plane

3 分選實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

廢棄電路板經(jīng)拆解、破碎和篩分作業(yè)后，取≤0.125 mm(金屬品位(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(gè)粒級(jí)廢棄電路板給入到頂流式液固流化床分選系統(tǒng)進(jìn)行分選實(shí)驗(yàn)。保持給料量(150 g)和床體傾角(40°)不變，設(shè)計(jì)了兩因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，考察不同主流管流量和頂流管流量對(duì)≤0.500 mm粒級(jí)電子廢棄物顆粒的分選效果。

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

>0.250～0.500 mm粒級(jí)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(shù)脂呈片狀或塊狀，顆粒均一性和解離情況較好(見(jiàn)圖6(a))。

>0.125～0.250 mm粒級(jí)廢棄電路板完全解離，解離后的金屬成分形狀不規(guī)則，非金屬成分多呈針狀纖維，且纏繞結(jié)團(tuán)，顆粒均一性和解離情況很好(見(jiàn)圖6(b))。

≤0.125 mm粒級(jí)廢棄電路板結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重，金屬成分與樹(shù)脂均呈片狀，玻璃纖維多為針狀，解離情況非常好(見(jiàn)圖6(c))。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

正交實(shí)驗(yàn)分選結(jié)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級(jí)廢棄電路板中金屬成分的有效富集，不僅可實(shí)現(xiàn)金屬和非金屬以密度為主導(dǎo)的分層分選，還解決了原有設(shè)備的物料堆積問(wèn)題。其中，>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級(jí)廢棄電路板金屬富集體中金屬品位最大分別達(dá)到12.05%和12.33%，較原礦品位至少提高了7百分點(diǎn)，金屬回收率最大分別達(dá)到了92.63%和93.23%；≤0.125 mm粒級(jí)的廢棄電路板金屬回收率相對(duì)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(shù)脂與玻璃纖維破碎到≤0.125 mm粒級(jí)后主要呈片狀與線狀，遇水后黏性增加，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重，抑制了顆粒的沉降末速差異在分離過(guò)程中的主導(dǎo)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(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在頂流管流量、床體傾角、給料量一定時(shí)，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(chǎn)率和金屬回收率則相應(yīng)遞減。這是因?yàn)殡S著流化床內(nèi)主流管流量增加，水流曳力逐漸成為主導(dǎo)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(jìn)入金屬富集體。

如表1中第(1)、(4)、(5)以及(6)、(9)、(10)組實(shí)驗(yàn)所示，當(dāng)床體傾角、給料量與主流管流量一定時(shí)，隨著頂流管流量增大，>0.250～0.500、>0.125～0.250 mm粒級(jí)金屬富集體金屬產(chǎn)率下降，而金屬品位卻上升，兩者趨勢(shì)相反；金屬回收率先增大，達(dá)到最大值93.23%和92.63%后開(kāi)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(yùn)動(dòng)方向，再次進(jìn)入到主流場(chǎng)區(qū)域，二次分選有效提高了金屬回收率；如果頂流管流量過(guò)大，會(huì)直接破壞主流場(chǎng)區(qū)域的流速與壓強(qiáng)穩(wěn)態(tài)分布，部分未充分分選的中間顆粒被上升水流帶離分選區(qū)，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(shí)驗(yàn)所示，對(duì)于≤0.125 mm粒級(jí)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(shì)。這是因?yàn)樵摿＜?jí)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(jié) 論

(1) 通過(guò)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(tǒng)解決了變徑水介質(zhì)分選床中顆粒堆積問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒級(jí)廢棄電路板的有效物理分選。具有能耗小、無(wú)二次污染、操作方便的特點(diǎn)。

(2) 通過(guò)ANSYS FLOTRAN CFD軟件對(duì)變徑液固流化床流場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)，入水口水流速度分布均勻，水流壓強(qiáng)自床體底端至頂端遞減，產(chǎn)生的壓強(qiáng)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(jí)廢棄電路板分選結(jié)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(qiáng)壓區(qū)，以頂流孔為中心呈扇形擴(kuò)散遞減，可以使分布在床體下壁面的顆粒產(chǎn)生額外的運(yùn)動(dòng)加速度，促使顆粒再次松散并返回主流場(chǎng)區(qū)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒級(jí)廢棄電路板中金屬成分的有效富集，金屬回收率最大達(dá)到了93.23%，不僅可實(shí)現(xiàn)金屬和非金屬以密度為主導(dǎo)的分層分選，還解決了原有設(shè)備的物料堆積問(wèn)題。

[1] 李金惠，溫雪峰.電子廢物處理技術(shù)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

[2] 梁增芳，肖新成，倪九派.三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)村生活垃圾處理支付意愿及影響因素分析[J].環(huán)境污染與防治，2014，36(9)：100_105.

[3] 吳彩斌，向速林，姜賓延.電子廢棄物綜合利用技術(shù)現(xiàn)狀及其對(duì)策分析[C]//中國(guó)環(huán)境保護(hù)優(yōu)秀論文集(下).北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

[4] ZHAO Yuemin，WEN Xuefeng，SHI Hongxia，et al.Study on metals recover y from _0.074 mm printed circuit boards by enhanced gravity separation[J].The Chinese Journal of Process Engineering，2006，6(2)：201_204.

[5] 徐珍，郭小品，丁懷，等.歐盟重金屬污染防治制度研究[J].環(huán)境污染與防治，2014，36(8)：102_110.

[6] ZHOU Lei，XU Zhenming.Response to waste electrical and electronic equipment in China：legislation，recycling system，and advanced integrated process[J].Environmental Science & Technology，2012，46(9)：4713_4724.

[7] 張洪建.變徑水介質(zhì)分選床回收廢棄電路板中金屬的研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2006.

[8] 趙躍民，段晨龍，何亞群.電子廢物的物理分選理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[9] 段晨龍，趙躍民，伍玲玲，等.充氣式液固流化床分選廢棄電路板的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，43(5)：915_919.

[10] 周恩會(huì)，趙躍民，段晨龍，等.變徑分選床中等沉顆粒的運(yùn)動(dòng)特性與分離機(jī)制研究[J].環(huán)境污染與防治，2013，35(10)：29_32.

[11] 盛成.變徑液固流化床粗煤泥分選機(jī)制及調(diào)控[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[12] DUAN Chenlong，WEN Xuefeng，SHI Changsheng，et al.Recovery of metals from waste printed circuit boards by a mechanical method using a water medium[J].Journal of Hazardous Materials，2009，166(1)：478_482.

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?yàn)槊禾扛煞ǚ诌x與二次資源的回收利用。#

。

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.91434133)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.BK2012136)；上海電子廢棄物資源化產(chǎn)學(xué)研合作開(kāi)發(fā)中心開(kāi)放、開(kāi)發(fā)基金資助項(xiàng)目(No.B50ZS120003)。