摘要:介绍了主动式脉动气流分选的原理,研究了主动脉动气流分选装置在稀相条件下实现宽粒级、多组分、非均质物料按密度有效分离的机制。应用自主研发的主动式脉动气流分选机对2-0.5mm粒级废弃印刷线路板进行分选实验,考查了气流速度、脉动频率对分选效果的影响,并借助Design-Expert软件得到了分选效率的最优化公式。结果表明,主动式脉动气流分选装置比传统气流分选机有更优越的分选效果,当气流速度为5.1m/s,脉动频率为2.0Hz时分选效率可达90.01%。
关键词:主动式脉动气流;废弃印刷线路板;气流分选
1.绪言
气流分选是一种重力选矿方法,是以空气作为分选介质,在气流作用下使颗粒按密度和粒度及动力学特性进行分离的一种方法。气流分选的基本原理是:气流将较轻的物料向上带走或从水平方向带到较远的地方,而重物料则由于上升气流不能带动而沉降,或由于重物料的惯性较大,其运动方向不能被改变而穿过气流沉降,被气流带走的轻物料一般使用旋流器进一步分离[1]。
气流分选作为电子废弃物处理方法的一种,具有操作简单,环境污染小,加工成本低,金属和非金属成分回收利用率高等优点。因此气流分选在电子废弃物资源化研究中越来越得到人们的重视。
先前的研究表明,颗粒在稳定上升气流中的分离依赖于颗粒以气流动力学特性(aerodynamic characteristics)为主导的自由沉降末速,而沉降末速又依赖于颗粒的粒度、形状和密度等因素。由于实际分选物料在粒度和形状上有很大差异,有价矿物和尾矿的沉降末速往往相互重叠,造成传统直管气流分选装置的分选效果较差,无法实现以密度为主导的分离[2],因此转折式(zigzag)气流分选装置和阻尼式脉动气流分选装置成为上世纪八十年代后期研究的主要对象[3]。
在阻尼式脉动气流分选装置中,由于分选区域截面积的扩张和收缩,使气流上升过程中产生局部的压缩,当气流通过阻尼区域时,产生气流的加速/减速现象,显示出流体流变的特性。当这种气流携带颗粒运动时,颗粒就会产生加速效应,这样的颗粒加速效应能改变难选颗粒下降或上升时的次序,有利于颗粒按密度为主导的分选,但实际分选效果并不理想[4]。
理论上如果采用连续的脉动气流,使颗粒在分选区域内不断得到加速/减速效应,在颗粒未能达到其沉降末速之前,使轻重颗粒分离。因此按颗粒密度为主导的分离而不是以气流动力学特性为主导的分离是可以实现的[5]。本论文研究的主题就是利用主动脉动气流对电子废弃物进行分选处理,研究其实验结果。
2.主动式脉动气流分选原理
对于传统的立式气流分选装置,被分选物料组份的沉降末速是决定分选效率的主要因素。颗粒的沉降末速主要与颗粒的密度、大小和形状有关,因而传统气流分选装置中影响有效分选的因素较多。
在颗粒达到某一沉降速度Vt之前,高密度的颗粒比低密度的颗粒下落得快。如果两个颗粒的沉降速度始终不同,且组份X的沉降速度始终小于组份Y的沉降速度,在一定的上升气流速度范围之内可以实现两种物料的分选。低沉降末速的组份作为轻产物将会从物料出口吹出,高沉降末速的组份将作为重产物留在分选装置中或重产物的集料器中,从而实现了轻重组份的分离。
以球型颗粒为例,A、B、C、D四种颗粒的特点如表1所示。
表1四种球形颗粒的性质
则球形颗粒A、B、C、D自由沉降的时间速度曲线如图1示,在t时刻之前,高密度颗粒A、C的沉降末速始终大于低密度颗粒B、D的沉降末速,在此时刻之前组份A、B与组份C、D间的分选,可认为是按密度分选。在t时刻之后,大粒度,低密度颗粒B的沉降末速超过C颗粒,此后沉降末速决定了B、C颗粒的分选。对于传统的气流分选装置,认为B、C组份是难选组份,B、C组份的有效分选不易实现。
图1球型颗粒自由沉降的时间速度曲线
如果在传统气流分选装置中加上阻尼块或通入脉动气流,使分选装置中交替出现气流的加速和减速区域控制颗粒的沉降末速,使B、C组份的沉降末速在某一气流流速作用下始终低于Vt,在理论上则可以实现B、C组份的有效分选,即可以认为密度是组份有效分选的主要因素,从而实现按颗粒密度为主导的分离,在分选时可以适当放宽入料的粒度,实现宽粒级的分选。
在传统气流分选机中等沉颗粒是难以分选的。当在传统气流分选机中加上脉动气流将改变等沉颗粒的沉降次序而实现分选,为本论文的试验研究提供了理论基础。