选别分离技术进展

2011-09-23袁惠新

化工装备技术 2011年1期

关键词：风选选机磁选机

袁惠新王飞

过滤与分离

选别分离技术进展

袁惠新*王飞

（常州大学分离工程研究所)

选别分离技术包括色选、磁选、电选、浮选、沉选、筛选和风选，在工业过程和三废处理过程中被广泛应用。简要介绍了几种常用的选别分离方法及其应用。

分离色选磁选电选浮选沉选筛选风选

0 前言

人们生活在一个混合物的世界里。自然资源和人们生活的环境都是混合物，而人们都是从这些混合物中获取生活资源的。对自然资源的加工或处理过程，如采油、选矿、冶炼、食品加工以及生物制品生产等活动的主要过程，都是分离过程。 “垃圾只是有用的东西放错了地方”。只要能有效地分离利用，垃圾也能变成宝贝。

混合物的分离过程是依据混合物内相或组分的特性差异（如密度、粒度、电性、磁性、吸附性等），通过分离剂的作用将混合物内的相或组分分离的过程单元操作。分离剂包括能量分离剂（如机械能、热能、冷能等）和质量分离剂（如助滤剂）。选别分离过程都是物理分离过程，常用于非均相混合物的分离。有些是根据分离过程所用的分离剂来命名的，如筛选、风选、磁选和电选等；有些是根据分离的依据——混合物内相或组分的特性差异来命名的，如色选、浮选、沉选和磁选等。

1色选

色选是利用不同颜色物料反射光波的不同频率或波长来分离的。色选（color selector）技术是集光、机、电、气等高科技成果于一体的快速分离、分捡技术，主要用于大米、花生、瓜子、芝麻等粮食中变黄、霉变等异色粒和杂质的分选，是保证食品安全及品质的重要技术。该技术最早由国外发达国家实现商品化，但由于技术垄断，一直以来其生产商仅限于美国、英国、日本等少数发达国家。

作为一个需要为全世界1/5人口提供优质、安全食品的农业大国，粮食加工行业在我国的农业产业化进程中占据着至关重要的地位。需求与供给之间的巨大落差为我国色选技术的发展提供了契机，国内一些粮机企业瞄准这一市场，开始涉足这一领域。经过几十年的发展，我国的色选技术经历了由单面色选到双面色选，由CMOS传感器到CCD，由模拟到数字的发展历程，技术日臻成熟，但色选技术还没有停滞，反而发展越来越快。在未来的几年，数字化色选主要向两个方向发展。一是向大生产量色选技术发展，性价比进一步提高；二是向杂粮、脱水蔬菜、化工、矿石等领域发展，系统模块化配置。图1为色选机工作原理图。

色选技术虽然诞生在国外，但由于我国民族企业勇于探索、自主创新，打破了国外的垄断，加快了我国粮食加工行业的产业化进程。目前色选行业在我国已经成为一个渐趋成熟的产业。随着色选机的不断良性竞争，我国色选技术不断趋于完善，将与世界同行比翼齐飞。在我国的新疆、宁夏等地都在使用这种技术对枸杞、葡萄进行分离选择，并且取得了不错的效果。

图1 色选原理

2 浮选

浮选是从液体中分离固体或液态颗粒的分离单元操作，被分离的颗粒密度与介质的密度相近。在工艺上是利用高度分散的微气泡吸附悬浮颗粒，使其成为视密度小于液体介质的复合体而上浮到悬浮液表面，实现两相分离的目的。浮选是一种约定俗成的称呼，实际上更为科学的名称应该是鼓泡与泡沫分离（鼓泡吸附分离）。值得指出的是，实现浮选分离有两个基本前提：（1）必须向悬浮液中提供足够数量的微细气泡，气泡直径必须适当；（2）固体或液体颗粒必须具有疏水性质或使其具有疏水性质，从而可附着于气泡表面。

浮选技术最初应用于浓集矿物，以后逐渐应用于处理造纸废水、机械厂乳化液废水、钢铁厂废水、印染纺织废水、合成橡胶废水和污泥浓缩等。浮选技术也从常规走向高效，并在不断向更加高效的目标发展。

3 沉选

相对于浮选还有沉选，其沉选剂的密度大于介质密度，所形成聚集体的表观密度大于介质，颗粒聚集体运动方向与浮选相反，向下运动从而实现分离，我们把这种过程称为沉选。如活性炭吸附分离；工业选矿中利用各种不同密度的可溶性高密度无机盐或高密度有机液体（杜烈液、四溴乙烷、三溴甲烷等）从金刚石和石墨混合物中分离不同粒径的金刚石；利用不同的重液浓度分离出不同粒径的煤炭等。沉选与浮选的关键就是找出经济有效的介质，从而得到不同要求的产品。

4 筛选

筛选是利用筛面对一定大小颗粒的截留作用将颗粒按照粒度大小分离的单元操作。这种分离即为分级。不同尺寸的各种粒状、片状或团状的固体颗粒的混合物通过筛子分成若干粒级，每个粒级中所包含的颗粒均在规定颗粒的最大和最小尺寸范围内，即借助孔径不同的两种筛孔可限定一个粒级范围，其中较小孔径的筛子把这一粒级的所有颗粒全部截留住，而较大孔径的筛子则使所有颗粒全部通过。筛选广泛应用于粒状或粉状物料按规定的粒度范围的分离。如从干燥机中出来的砂糖，晶粒大小不一，带有团块和糖粉，必须经筛选分级处理。通过筛选可得到不同粒度大小的煤与矿石。

筛选的另一种应用是脱水。筛分脱水是物料以薄层通过筛面时发生的水分与颗粒脱离的过程。从原理上讲，筛分脱水是一种在重力场下进行的过滤过程。筛分脱水一般应用于0.5mm以上的较粗物料的脱水，也可以应用于粒度范围为0.1～1 mm的较细物料的脱水，在对锡、铜、铅、锌矿石、金刚石以及煤的加工中应用得很普通。在选煤厂中，洗选后的精煤和粗粒煤泥的脱水也常用脱水筛脱水，而且精煤脱水筛能同时把大量的煤泥洗去，从而保证产品质量。

5 风选

风选一般用于分离两种用筛选或浮选等其他选择方法不能分离或是使用上述方法经济不合理的固体颗粒分离，它是依据两种固体的密度不同而达到分离目的的。主要原理是在风场力的作用下，使物料产生一个初速度，由于沉降速度不同，其在相同的风力下得到的初速度也不同，从同一高度落下后，其水平方向通过的距离不同，从而达到分离的目的。图2即为风选微粒的工作原理。图3为风选机结构示意图。

图2 风选微粒沉降工作原理

图3 风选机结构

现在大部分农村还在利用风选机来分离粮食和其外壳，得到更纯净的粮食。在实际工业生产中，利用风选除杂系统来分离原料里夹杂的杂物。由于原材料与麻丝、纸片、塑料之间悬浮速度存在差异，在垂直气流的作用下，麻丝、纸片、塑料等轻质物料会随着气流上升，而原材料会在重力作用下下降，在风场与重力的双重作用下，实现轻质杂物与较重质原材料的分离。风选技术还被应用于烟草行业中分离烟叶、烟丝。

6 磁选

磁选这种分离方法是在磁选机里借助磁力对被处理的物料粒子的作用不同而实现的。磁选的方法可以获得两种或多种的产品。早在17世纪人们就尝试用磁铁选别磁矿石。在长期的生产实践中，磁选方法获得了巨大的发展，理论上亦日臻完善，在实践上已经深入到分离微细粒磁性矿物的各个方面。30年来高梯度磁分离的出现以及超导材料在磁选中的应用，大大拓展了磁分离的应用范围。它是分离极限颗粒-粗粒和微米级弱磁性矿物颗粒的一种有效方法。今天磁分离不仅广泛应用于矿物加工、钢铁厂和发电厂的水处理，而且也为煤炭工业、非金属工业、原子能工业、化学工业甚至生物化学工业中遇到的颗粒系统的选择性分离问题，提供有效的解决途径。

应用磁选分离的物料在磁场中同时受到磁力和机械力的作用。机械力包括重力、惯性力、离心力和流体阻力等。对于磁性较强的颗粒，磁力超过机械力；对于磁性较弱的颗粒，机械力超过磁力；最终合力决定了颗粒的运动轨迹。如图4所示，通过磁选可获得两种或多种产品。

图4 磁选机工作原理

由于所处理的矿石的磁性、粒度及其他物理性质的不同，目前采用的磁选机的类型很多。根据承载矿粒的介质分类分为：干式磁选机、湿式磁选机；根据磁感应强度的大小分类分为：弱磁场磁选机、强磁场磁选机；根据产生磁场的方法分类分为：永磁铁磁选机、螺线管磁选机、超导磁选机；根据磁场类型分类分为：恒定磁场磁选机、旋转磁场磁选机、交变磁场磁选机、脉动磁场磁选机等。

7 电选

电选又称静电分离，它利用物质的摩擦特性、导电特性、介电常数差异，使静电力、重力、离心力等力有效地作用在所有粒子上面而实现分选。静电工艺简便，易于维修操作，且设备本身有积尘作用；由于是干式作业，因此不存在废水污染及处理问题，有利于环境保护和劳动保护。电选在工业上的应用始于1908年，此后相当长一段时期内并无多大进展，但在20世纪50年代末期，特别是近年来许多国家对用电选法来选别分离弱磁性铁矿日益重视，进行了许多研究工作，在试验室和半工业连续试验中获得了较为满意的结果。用电选法分离弱磁性铁矿石的效果良好，具有选别效率高，适应粒度范围较大，矿石选别前不需要磁化焙烧，分离过程不消耗药剂，不需用水因而可以无需浓缩、过滤、脱水设备等优点。电选是有着巨大发展潜力和广阔市场前景的技术。目前，该技术已不仅仅应用于冶金选矿方面，电选已被应用于某些化工类矿物及其他物料的分选，例如钾盐、岩盐以及磷灰石等的分选，因为这些产品的需求量越来越大，故用电选处理的量也会随之而增加。此外在农业、粮食加工及矿种选择上也有应用并呈扩大的趋势。浙江台州等地的废旧物质回收业和废旧塑料回收业正在形成一种产业，在回收非铁金属及塑料方面，大量采用电选的可能性也日益提到议事日程上来。电选技术已经逐渐应用于贵金属渣、铸砂以及飞灰的分离等新领域中。