刘冯永政 段晨龙 伍玲玲 盛 成 周恩会

(1.上海第二工业大学上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心，上海 201209； 2.中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116；3.南华大学核资源工程学院，湖南 衡阳 421001)

顶流式变径液固流化床的流场分布与分选实验研究*

刘冯永政1，2段晨龙2#伍玲玲3盛 成2周恩会2

(1.上海第二工业大学上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心，上海 201209； 2.中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221116；3.南华大学核资源工程学院，湖南 衡阳 421001)

为解决变径水介质分选床中颗粒堆积及细粒级废弃电路板的有效物理分选，在现有的变径水介质分选床下壁面添加了多组顶流管，引入上升水流，加强了壁面堆积物料的松散与分选效果。详细分析了倾斜床体液固两相流的流型变化与特征，并采用ANSYSFLOTRANCFD软件进行数值模拟，得到了介质流场的压强分布变化规律：流场压强自床体底端至顶端递减，自顶流孔给入的水流可以在床体顶流孔附近形成局部强压区，使分布在床体下壁面的颗粒产生额外的运动加速度。选用≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500mm废弃电路板颗粒进行两因素三水平分选实验，结果表明，采用顶流式变径液固流化床分选系统可实现≤0.500mm废弃电路板中金属成分的有效富集，金属回收率最大达到了93.23%。

废弃电路板 顶流式 变径液固流化床 流场分布 分选

随着电子技术突飞猛进的发展，电子产品更新换代速度越来越快，从而导致电子废弃物的大量产生[1_2]。电子废弃物中含有大量可供回收利用的铜、铝、铁等常用金属与微量的金、银、铂等稀贵金属[3]，这使得电子废弃物资源化研究成为热点。其中，废弃电路板的资源化处理是研究的重点和难点，如果处理不当，会造成严重危害。废弃电路板主要处理方法包括化学、物理及生物方法[4]。随着对社会环境保护的重视及电子产品中贵金属使用的减少，物理方法逐渐在废弃电路板资源化研究中占据主导地位[5]。

变径液固流化床是物理分选设备之一，相比于水力旋流器、摇床、磁选等其他物理分选设备，变径液固流化床能处理较细粒级的电子废弃物颗粒，同时可较大程度地避免金属流失[6_7]。但传统的变径液固流化床由于床面倾斜放置，分选过程中物料会沿着床面堆积，造成设备堵塞、排料困难、操作复杂、分选效率低等问题。基于此，研究设计了一种新型的顶流式变径液固流化床，可实现宽粒级多组分物料的有效分选。

1 实验装置

变径液固流化床分选系统装置是一种重力选矿设备，由给料、分选、脱水、介质循环4个部分组成，如图1所示。床体呈圆台体，倾斜放置，角度可调。床体下部安装有水力分布板，孔径由中心向外逐渐增大，有助于产生均匀平稳的上升水流，同时防止小孔堵塞和磨损。系统工作时，水流在主水泵压强作用下自床体底部主流管给入，经水力分布板均匀分布后进入床体，形成具有一定速度与压强分布规律的流场。待选物料混合均匀后匀速进入床体内，在扰动水流作用下松散、分层，低密度小颗粒随溢流排出，成为轻产物；高密度大颗粒沉入床层底部，随底流排出，成为重产物；中间密度与粒度的物料根据操作参数与分选目的不同进入轻产物或重产物。分选产品经滤布脱水后收集，脱除的水进入循环水箱循环使用。

1—弯管；2—主流管和入水口；3—平法兰盘；4—加强筋板； 5—变径床体前端；6—水力分布板；7—入料口；8—变径床体后端； 9—承载环；10—出料口；11—输送带；12—循环水箱；13—主水泵； 14—变径床体后端中间支撑；15—变径床体后端两侧支撑； 16—水平空气直管支撑；17—水箱座；18—顶流水箱；19—顶流水泵； 20—变径床体前端中间支撑；21—变径床体前端两侧支撑； 22—水平水流直管支撑；23—循环水管阀门； 24—顶流管阀门和顶流孔；25—溢流口图1 顶流式变径液固流化床分选系统Fig.1 Top streaming and varied diameter liquid_solid fluidized bed separation system

由于废弃电路板颗粒中存在大量片状树脂与金属箔，容易黏附于床体下壁面并堆积，影响分选效果[8]。因此，在床体下壁面添加了多组顶流管，引入上升水流，使得堆积在壁面上的物料在上升流体的冲击作用下再次松散，重新进入分选区(即水力分布板和承载环之间)，完成二次分选，大幅度提高分选效果[9]，解决了变径水介质分选床中颗粒堆积问题，实现了细粒级废弃电路板的有效物理分选，具有能耗小、无二次污染、操作方便的特点。

1.2 液固两相流型分析

倾斜放置的床体中流体受重力影响，呈不对称分布，可分水连续相和颗粒连续相两大类[10]。当水流速度较小时，水流动量小，不足以抵消重力沿倾斜面的分力，靠近下倾斜面的水层产生局部逆流，形成局部逆流的颗粒分散流型(见图2(a))。随着水流速度的增大，连续的颗粒分散区域松散形成块状，但仍然存在水层局部逆流情况，为拟段塞流的颗粒分散流型(见图2(b))。以上两种流型的转换界限受倾角的影响很大。随着水流速度进一步增加，水流动量足以克服重力沿倾斜面向下的分力作用，局部逆流现象消失，形成水层同向流的颗粒分散流型(见图2(c))。再次增加水流速度，分散的固体颗粒在流场中均匀分布，形成颗粒均匀分散流型(见图2(d))。

在水连续相流型(见图2(a)至图2(d))阶段，水流速度的增加导致颗粒相速度随之增加，颗粒相趋于形成拟流体，此流型是处于颗粒连续相和水连续相之间的过渡流型(见图2(e))。在过渡流型阶段，如果水相速度不变，颗粒相速度与浓度进一步增加直至形成类似流体的连续相，则水流以水滴形式分散于床体下部，形成水滴均匀分散流型(见图2(f))和水滴分散流型(见图2(g))，此时为颗粒连续相阶段。

2 流场分布变化规律

采用ANSYS FLOTRAN CFD软件中的三维流体模型分析单元对实验条件下流场的分布变化规律进行数值模拟仿真，以预测和分析复杂流体流动。根据变径分选床实物模型，模拟参数设置为床高800 mm，顶部直径200 mm，底部直径120 mm；初始进口速度根据具体流量计算得到，并据此计算雷诺数确定层流和紊流流型，方向沿模型中轴线指向顶部出口；出口压强0 MPa；空气温度20 ℃；水密度998.2 kg/m3；水的黏度为0.001 kg/(m·s)。为方便研究，建立三维坐标轴：水平向右为X轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，垂直XOZ平面向外为Y轴正方向[11_12]。

由图3可以看出，入水口压强呈阶梯式分布，自床体底端至顶端递减。由于入水口底部压强较大，可以对自床体顶部给入的物料颗粒产生逆向作用力，使颗粒群产生回流，有助于入料的快速松散，强化分选效果。由图4表明，入水口水流速度分布均匀，只有边壁区域因为边壁效应的存在而使水流速度略低。

石警官脸上僵硬的线条柔和下来，嘴角终于现出气傲的笑意：“说到箫，不是石某自吹，在这座城里，举目望去，只有两个人配谈它。”

图2 倾斜管内两相流流型Fig.2 Two_phase flow type in the tube

图3 入水口压强分布(单位：MPa)Fig.3 Inlet pressure distribution

图4 入水口水流速度分布(单位：m/s)Fig.4 Inlet velocity distribution

轴截面上流体动态压强分布见图5。通过顶流孔垂直于床体给入的上升水流流速对床体顶流孔附近的主流场流体产生冲击作用，并形成局部强压区，以顶流孔为中心呈扇形扩散递减。由此产生的压强梯度力直接作用于分布在床体下壁面的物料颗粒，产生额外的运动加速度，促使颗粒再次松散并返回主流场区域二次分选，提高了分选效果，同时可有效避免物料堆积。

图5 轴截面上流体动态压强分布(单位：MPa)Fig.5 Dynamic pressure distribution on symmetry plane

3 分选实验

3.1 实验设计

废弃电路板经拆解、破碎和筛分作业后，取≤0.125 mm(金属品位(质量分数)3.01%)、>0.125～0.250 mm(金属品位4.21%)和>0.250～0.500(金属品位5.02%)3个粒级废弃电路板给入到顶流式液固流化床分选系统进行分选实验。保持给料量(150 g)和床体倾角(40°)不变，设计了两因素三水平正交实验，考察不同主流管流量和顶流管流量对≤0.500 mm粒级电子废弃物颗粒的分选效果。

图6 解离后各粒级废弃电路板形貌Fig.6 Appearance of discarded printed circuit board after dissociation

>0.250～0.500 mm粒级废弃电路板基本完全解离。解离后的金属主要是铜和铝，有明显的卷曲变形；解离后的树脂呈片状或块状，颗粒均一性和解离情况较好(见图6(a))。

>0.125～0.250 mm粒级废弃电路板完全解离，解离后的金属成分形状不规则，非金属成分多呈针状纤维，且缠绕结团，颗粒均一性和解离情况很好(见图6(b))。

≤0.125 mm粒级废弃电路板结团现象严重，金属成分与树脂均呈片状，玻璃纤维多为针状，解离情况非常好(见图6(c))。

3.2 实验结果与讨论

正交实验分选结果如表1所示。由表1可以看出，在合适的操作条件下，利用顶流式液固流化床分选系统可实现≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒级废弃电路板中金属成分的有效富集，不仅可实现金属和非金属以密度为主导的分层分选，还解决了原有设备的物料堆积问题。其中，>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒级废弃电路板金属富集体中金属品位最大分别达到12.05%和12.33%，较原矿品位至少提高了7百分点，金属回收率最大分别达到了92.63%和93.23%；≤0.125 mm粒级的废弃电路板金属回收率相对较低，最高为83.04%。这是由于废弃电路板中的主要成分塑料树脂与玻璃纤维破碎到≤0.125 mm粒级后主要呈片状与线状，遇水后黏性增加，结团现象严重，抑制了颗粒的沉降末速差异在分离过程中的主导作用，降低了分选效果。

分别比较表1中第(1)～(3)、(6)～(8)、(11)～(13)组实验可以发现，在顶流管流量、床体倾角、给料量一定时，金属富集体中金属品位随主流管流量增大而逐渐增大，金属产率和金属回收率则相应递减。这是因为随着流化床内主流管流量增加，水流曳力逐渐成为主导作用力，大量中间颗粒上浮成为非金属富集体，少部分高密度颗粒下沉进入金属富集体。

如表1中第(1)、(4)、(5)以及(6)、(9)、(10)组实验所示，当床体倾角、给料量与主流管流量一定时，随着顶流管流量增大，>0.250～0.500、>0.125～0.250 mm粒级金属富集体金属产率下降，而金属品位却上升，两者趋势相反；金属回收率先增大，达到最大值93.23%和92.63%后开始下降，顶流水流给床体下壁面附近返流颗粒施加了背向壁面的作用力，随着顶流管流量的增大，床壁附近颗粒逐渐改变运动方向，再次进入到主流场区域，二次分选有效提高了金属回收率；如果顶流管流量过大，会直接破坏主流场区域的流速与压强稳态分布，部分未充分分选的中间颗粒被上升水流带离分选区，自溢流口排出，造成部分金属成分损失。

如表1中第(11)、(14)、(15)组实验所示，对于≤0.125 mm粒级废弃电路板，随着顶流管流量的增大，金属回收率呈下降趋势。这是因为该粒级废弃电路板颗粒较小，沉降末速低，所要求的最佳液相速度较低。

4 结 论

(1) 通过在床体下壁面添加多组顶流管，引入上升水流后的顶流式变径液固流化床分选系统解决了变径水介质分选床中颗粒堆积问题，实现了细粒级废弃电路板的有效物理分选。具有能耗小、无二次污染、操作方便的特点。

(2) 通过ANSYS FLOTRAN CFD软件对变径液固流化床流场模拟发现，入水口水流速度分布均匀，水流压强自床体底端至顶端递减，产生的压强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粒级废弃电路板分选结果

(3) 自顶流孔给入的水流可以在床体顶流孔附近形成局部强压区，以顶流孔为中心呈扇形扩散递减，可以使分布在床体下壁面的颗粒产生额外的运动加速度，促使颗粒再次松散并返回主流场区域二次分选，提高了分选效果。

(4) 采用顶流式变径液固流化床分选系统可实现≤0.125、>0.125～0.250、>0.250～0.500 mm粒级废弃电路板中金属成分的有效富集，金属回收率最大达到了93.23%，不仅可实现金属和非金属以密度为主导的分层分选，还解决了原有设备的物料堆积问题。

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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)

刘冯永政，男，1992年生，硕士研究生，研究方向为煤炭干法分选与二次资源的回收利用。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.91434133)；江苏省自然科学基金资助项目(No.BK2012136)；上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心开放、开发基金资助项目(No.B50ZS120003)。