[科普中国]-风力分选

原理

风力分选是以空气作分选介质，在气流和机械振动的作用下，使人选物料按密度和粒度进行分离。利用空气作分选介质进行分选的基本方式是：将原料给到倾斜安装的、固定的或可动的多孔表面上，借助间断或连续进入的上升气流推动粒群悬浮，并促使按密度差发生分层，或者是在垂直上升气流或水平气流中按密度(粒度)分选，如沉降箱。根据气流的给人方式和设备运动方向，风力分选照样有跳汰、摇床和溜槽等工艺之分，但选别过程则与在水介质中的分选有很大不同。

风力跳汰机和风力摇床所需的气体压强介于1.5～3kPa。气流速度与粒群的干涉沉降速度相等。这时自由沉降速度小的颗粒即悬浮在上层，固体体积分数较小；沉降末速大的颗粒则悬浮在下层，具有较大的固体体积分数。入选矿石中，高密度矿物的平均沉降速度较大，因而富集到底层。在这里悬浮体密度增大对排除低密度矿物也有一定的作用。

气流速度在分选表面分布均匀与否对分选精确性有很大影响。原料的水分对作业也有很大的影响，当水分超过4%-5%时，颗粒问发生黏结，分选效率和设备处理能力急剧下降1。

应用采用空气作分选介质的干法选煤工艺，没有湿法选煤中的脱水和煤泥水处理系统，其基建投资仅为湿法选煤的20%，生产成本仅为湿法选煤的50%。同时，精煤水分低可提高发热量。据测算，水分减少1%与降灰1%是等效的。此外，由于产品水分低，在仓储、运输过程中不易发生堵塞事故。然而，干法分选的作业环境差，分选效率明显比湿法分选的低，仅适用于处理易选的原煤。

随着环境保护条例的严格执行和对精煤质量(特别是含硫量)要求的提高，促使需要对原煤在低于1500kg/m密度的条件下进行深度分选，这一方面制约了常规风力选煤工艺的推广，同时也促进了新的干法选煤设备和工艺的研发工作。例如，美国在20世纪中期风力选煤所占的比例曾达14.6%，设备以风力跳汰为主，但自20世纪60年代中期以后，迅速锐减，目前已较少采用。

我国的原煤入选率还比较低，2013年全国煤炭行业的原煤人选率接近60%，其中以国有重点煤矿和地方煤矿为主，乡镇和民营煤矿人选率很低，需大力发展原煤分选和加工技术。在严寒、缺水地区(如我国西部)，干法选煤仍具有其独特的优越性，且投资少、生产成本低。

在城市生活垃圾的资源化综合处理工艺中，风力分选具有其独特的优越性，正处于蓬勃发展和应用中。

在粮食加工行业中，常利用风力分选去除粮食中的糠皮和沙石。尽管风力分选的效率总体不如湿式的高，且在生产中需要复杂的集尘系统，作业也易受污染，这些不利因素曾制了它的发展，然而，随着矿产资源广泛被开发利用，在干旱地区建立的选矿厂日益增多，某些须用干法处理的矿物原料也在不断扩大产量，特别是在煤炭和废纸、废塑料等二次资源的分选方面，风选有其独到之处，已显示出了较大的发展潜力2。

工程设计要点与参数1 风力分选工程设计要点

① 确定经破碎的垃圾颗粒特征，包括粒径、形状、含水率、成团倾向以及纤维含量等；

② 确定轻组分物料特征；

③ 确定破碎单元和分选单元的物料输送与进料方法；

④ 风选操作特性，包括能源的要求，维修、操作的简易性，性能的可靠性，噪音输出量，以及空气与水污染控制的要求；

⑤ 设备安装的空间、高度、通道等要求。

2 风选设备设计基本参数

(1) 气固比：有关研究表明，对城市垃圾中轻组分的分选，气固比取5：1～1.25：1(质量比)为宜。

(2) 气流速度：由于城市垃圾颗粒形状与性质比较复杂，同时又是在密集的、有限壳体内的气流中运动，颗粒与边界作用而形成阻力，加之物料的成团作用等，对气流速度均产生较大影响。因此，对于不同类型的城市垃圾，采用风选分离时，所需气流速度不尽相同，尚无统一的计算公式。

(3) 其他：单位时间供料负荷、空气输送量、气体压力降等1。

设备常用的风力分选设备有沉降箱、离心式分离器、风力跳汰机、风力摇床和风力尖缩溜槽等。一般情况下，风力分选的供风和集尘系统都采用循环的气流。经过风力分选机的气流，因带有大量的粉尘，故首先在集尘设备中进行除尘，然后再用鼓风机送回分选机中继续使用，形成循环的气流。

沉降箱

这种设备通常安装在风力运输管道的中途，借沉降箱内过流断面的扩大，气流速度降低，使粗颗粒在箱中沉降下来。与沉降箱的工作原理相似的另外两种风力分选设备是水平式风力分选机和锯齿形风力分选机。这两种设备常用于城市生活垃圾分选，其突出优点是构造简单，使用方便。当然，其分选精确度也相对较低。在垃圾可燃物分选中，当物料水分为40%时，可燃物的回收率可达90%。

离心式分离器

离心式分离器是借助气流的回转运动，将所携带的固体颗粒按粒度分离。造成气流回转的方法主要有两种：一是气流沿切线方向给人圆形分离器的内室；二是借室内叶片的转动使气流旋转。这类设备常用的有旋风集尘器、通过式离心分离器、离心式气流分级机等。

A 旋风集尘器

这种设备的结构颇似水力旋流器，只是尺寸要大一些。含尘气体进入集尘器后，固体颗粒在回转运动中被甩到周边，与器壁相撞击后沿螺旋线向下运动，最后由底部排尘口排出。

旋风集尘器的结构简单，制造容易，使用方便。在处理含有10 µm以上颗粒的气体时，集尘效率可达70%～80%(按固体粉尘回收百分数计)。但这种设备的阻力损失较大、能耗高、易磨损。

B 通过式离心分离器

通过式离心分离器常用来对物料进行干式分级，它本身没有运动部件。这种设备主要由外锥和内锥组成，两者用螺旋状叶片在上部连接起来。含固体物料的气流沿下部管道以18-20m/s的速度向上流动，气流进入两圆锥间的环形空间后，速度降到4～6m/s。由于速度降低，最粗的固体颗粒即沉降到外圆锥的内表面，并向下滑落经套筒排出。较细的固体颗粒随气流穿过叶片，沿切线方向进入内锥，在离心惯性力的作用下，稍粗一些的颗粒又被抛到内锥的锥壁，然后下滑，并经套筒排出。携带细颗粒的气流在回转运动中上升，由排风管道排出。

C 离心式气流分级机

离心式气流分级机自身带有转动叶片或转子，其结构形式有很多种，广泛应用于微细粒级物料的干式分级。原料由中空轴给到旋转盘上，借助盘的转动将固体颗粒抛向内壳所包围的空间。在中空轴上还装有上部和下部两层叶片，在转动中形成图示方向的循环气流。粗颗粒到达内壳的内壁后，克服上升气流的阻力落下，由底部内管排出，成为粗粒级产物。细小的颗粒被上升气流带走，进入内壳与外壳之间的环形空间内。由于气流的转向和空间断面的扩大，细颗粒也从气流中脱出落下，由底部孔口排出，成为细粒级产物。

叶片转子型离心式气流分级机易于调节分级产物的粒度，分级区的气固浓度波动对分级粒度的影响显著降低，同时还具有能耗低、生产能力高、不需要另外安装通风机和集尘器等优点。其缺点是通过环形断面的气流速度分布不均匀，致使分级的精确度不高，另外还容易导致物料在循环过程中粉碎。

风力跳汰机

机中有两段固定的多孔分选筛面。由鼓风机送来的空气通过旋转闸门间断地通过筛板，形成鼓动气流。待分选的物料由筛板的一端进入，在气流的推动下间断地松散悬浮，并随之按密度发生分层。在第1段筛板上分出密度最大的高密度产物，选出的密度低一些的产物进入第2段筛板，进一步分选出低密度产物和中等密度的产物。整个跳汰机由特制的罩子封闭，分层情况从侧面观察孔探视。

风力摇床

1905年塞顿等首次设计出了风力摇床，并于1916年在美国开始用于分选烟煤。前苏

联作为世界上应用干法选煤生产规模最大的国家之一，采用的主要分选设备也是风力摇床。

风力摇床的结构与湿法分选使用的摇床类似，只是在风力摇床上借助连续上升或间断上升的气流推动矿粒松散，从而发生分层。这种设备在风力分选中应用比较广泛，类型也比较多，主要用来处理粗粒级煤，也常用于分选某些金属矿石和稀有金属砂矿。

风力尖缩溜槽

风力尖缩溜槽是一种与湿式尖溜槽结构类似的风选设备，由英国瓦伦·斯普林(Warren Spring)试验室研制成功。

风力尖缩溜槽的槽面由微孔材料制成，槽面下面有一个空气室。低压空气由槽的一端引入，通过多孔表面向上流动。原料从槽的上端给入，在气流吹动下形成沸腾床，在沿槽面向下运动中发生分层。分层后的低密度和高密度矿物从槽末端排出时利用分隔板分开2。