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1、第四章 固体废物分选,Separation of Solid Waste,本章重点,【概念】筛分效率 重介质 等降比 加重质 磁流体 磁流体动力分选【理论与方法】常见分选方法及其原理 各种分选的适用范围 影响筛分效率的因素 磁流体分选原理 常见分选设备,分选（separation）：废物处理的一种方法(单元操作)，其目的是将废物中可回收利用的或不利于后续处理、处置工艺要求的物料分离出来。,第一节 筛分(screening),一、筛分原理（一）筛分原理1、筛分定义：利用筛子将粒度范围较宽的颗粒群分成 窄级别的作业。分选依据：粒度差异2、筛分过程（原理）：物料分层:物料和筛面间存在相对运动使物料和
2、筛面之间具有适当的相对运动，使筛面上的物料层处于松散状态，即按颗料大小分层，形成粗粒位于上层，细粒位于下层的规则排列。细粒透筛:位于下层的细粒到达筛面并透过筛孔。,3、筛分类别1）独立筛分不和其它工艺发生组合，目的在于获得符合用户要求的最终产品的筛分2）准备筛分目的在于为下步作业做准备的筛分3）预先筛分在破碎之前进行筛分，称为预先筛分，目的在于预先筛出合格或无须破碎的产品，提高破碎作业的效率，防止过度粉碎和节省能源,（一）筛分原理,一、筛分原理,3、筛分类别4）检查筛分对破碎后的产品进行筛分，以检查是否达到粒度要求5）选择筛分利用物料中的有用成分在各粒级中的分布规律，或者性质上的显著差异所进行
3、的筛分6）脱水筛分脱出物料中水分的筛分，常用于废物脱水或脱泥,（二）筛分效率,筛分效率：是指实际得到的筛下产品重量与入筛废物中所含小于筛孔尺寸的细粒物料重量比。,式中：E 筛分效率，%；Q 入筛固体废物重量；Q1 筛下产品重量；入筛固体废物中小于筛孔的细粒含量，%,但是，在实际筛分过程中由于物料量大，要测定Q1和Q是比较困难的，若能通过测定采集样品的属性进行测定计算则比较方便。,如左图，根据物料平衡：Q=Q1+Q2 Q=Q1+Q2（4-3）、为小于筛孔的细粒所占的百分率,考虑实际生产中有部分大于筛孔尺寸的颗粒进入筛下产品，筛选产品为Q1，整理后得,（三）影响筛分效率的因素,振动程度维持在最适水
4、平,二、筛分设备类型及应用,第二节 重力分选,一、概述重选（gravity separation）：是在活动的或流动的介质中按颗粒的密度或粒度进行颗粒混合物的分选过程。分选依据：密度或粒度差异分选介质：空气、水、重液等。按作用原理分：风力分选、重介质分选、摇床分选、跳汰分选等。,一、重力分选原理,斯托克斯等速沉降公式：,式中：d颗粒粒径，s 颗粒密度 介质密度，介质粘滞系数因此，影响重力分选的因素主要是：颗粒的粒度、颗粒与介质的密度差及介质的粘度。,二、重介质分层,重介质分选,（一）基本原理：又称浮沉法，主要适用于几种固体的密度差别较小及难以用跳汰法等其他技术分选的场合。通常将密度大于水的介质
5、称为重介质，是由高密度的固体微粒和水构成的固液两相分散体系，包括重液和重悬浮液两种流体。重介质密度一般应该介于大密度和小密度颗粒之间：L(轻物料）W(重物料）,（二）重介质的性能要求,重介质可以是重液和悬浮液两大类。重液是一些可溶性高密度的盐溶液(CaCl2、ZnCl2等)或高密度的有机液体(如CCl4、CHCl3、四溴乙烷等)，价格昂贵，只在实验室中使用。重悬浮液是在水中添加高密度的固体颗粒而构成的固液两相分散体系，其密度可随固体颗粒的种类和含量而变。其中的高密度固体微粒起着加大介质密度的作用，故称为加重质。加重质的粒度约200目，占60-80，与水混合形成微细颗粒的重悬浮液。,（二）重介质
6、的性能要求,加重质的性质,（三）重介质分选的设备(自学),三、跳汰分选,跳汰分选是一个典型的从采矿工业借鉴而来的运行单元，它是在垂直脉冲介质中颗粒群反复交替地膨胀收缩，按密度分选固体废物的一种方法。供料在水介质中受到脉冲力作用，于是，整个筛面上的物料层不断地被冲起又落下，颗粒之间频繁接触，逐渐形成一按密度分层的床层。,三、跳汰分选,图4-6 隔膜跳汰机分选示意图,脉冲循环的分离原理,一个脉冲循环中包括这样两个过程：床面先是浮起，然后被压紧。在浮起状态，轻颗粒加速较快，运动到床面物上面；在压紧状态重颗粒比轻颗粒加速快，钻入床面物的下层中，从而使物料分层。脉冲作用使密度差异表现更明显。,四、风力分
7、选,（一）风选(Wind Separation)定义：风力分选简称风选，又称气流分选，是以空气为分选介质，将轻物料从较重物料中分离出来一种方法。风选实质上包含两个分离过程：分离出具有低密度、空气阻力大的轻质部分(提取物)和具有高密度、空气阻力小的重质部分(排出物)；进一步将轻颗粒从气流中分离出来。后一分离步骤常由旋流器完成、与除尘原理相似。,（二）风力分选原理,在风选过程中应用的风压不超过1MPa，所以，实际上可以忽略空气的压缩性，而将其现为具有液体性质的介质。颗粒在水中的沉降规律也同样适用于在空气中的沉降，但由于空气密度较小，与颗粒密度相比可忽略不计，故颗粒在空气中的沉降末速V0为：,1、颗
8、粒在空气中的沉降末速,从上式中可看出：当颗粒粒度一定时，密度大的颗粒沉降末速V0大；当颗粒密度s相同时，直径d大的颗粒沉降末速大。,2、等降比,由于颗粒的沉降末速与颗粒的密度、粒度及形状有关，因而在同一介质中，不同性质的颗粒可以具有相同的沉降末速，这样的相应颗粒称为等降颗粒。其中，密度小的颗粒粒度与密度大的颗粒粒度之比，称为等降比，用e0表示。,e0越大，越不利于按密度分级。所以，为了提高分选效率，在风选之前需要将废物进行窄分级，或经破碎使粒度均匀后，使其按密度差异进行分选。,2、等降比,自由沉降等降比通式：,d1：密度小的颗粒粒度,d2：密度大的颗粒粒度,3、上升气流干涉沉降,颗粒在空气中沉
9、降所受到的阻力远小于在水中，故常采用上升气流以缩短颗粒达到沉降末速的时间和距离，颗粒实为干涉沉降。在干涉条件下，上升气流速度远小于颗粒的自由沉降末速时，颗粒群就呈悬浮状态。,3、上升气流干涉沉降,颗粒群的干涉末速Vhs为：,最小上升气流速度umin为：umin0.125V0,4、水平气流干涉沉降,在风选中还常应用水平气流。在水平气流分选器中，物料是在空气动压力及本身重力作用下按粒度或密度进行分选的。,4、水平气流干涉沉降,当水平气流速度u一定，颗粒粒度d相同时，密度s大的颗粒沿与水平夹角较大方向运动;密度s较小的颗粒则沿夹角较小的方向运动，从而达到按密度差异分选的目的。,（二）风选设备（自学）
10、,风选方法工艺简单。作为一种传统的分选方式，风选在国外主要用于城市垃圾的分选，将城市垃圾中以可燃世物料为主的轻组分和以无机构为主的重组分分离，以便分别回收利用或处置。按气流吹入分选设备内的方向不同，风选设备可分为两种类型：水平气流（卧式）风选机和上升气流（立式）风选机。水平气流分选机构造简单，维修方便，但分选精度不高，一般很少单独使用，常与破碎、筛分、立式风力分选机组成联合处理工艺。立式风力分选机则分选精度较高。,水平气流（卧式）风选机,上升气流（立式）风选机,研究表明，要使物料在分选机内达到较好的分选效果，就要使气流在分选筒内产生湍流和剪切力，从而把物料团块进行分散。为达这一目的，对分选筒进
11、行了改造。,五、摇床分选（自学）,摇床分选是使固体废物颗粒群在倾斜床面的不对称住复运动和薄层斜面水流的综合作用下按密度差异在床面上呈扇形分布而进行分选的一种方法。摇床分选的运行原理与跳汰分选相似，目的也是使颗粒群按密度松散分层后，沿不同方向排出实现分离。该分选法按密度不同分选颗粒、但粒度和形状亦影响分选的精确性。,平面摇床的结构,水平分布扇形分布规律,密度大粒度小的颗粒的受动摩擦力、惯性力大，纵向迁移速度快；粒度大密度小的颗粒受到水流的冲击力大，横向迁移速度快。,垂直分布析离分层,在横向变速水流冲洗和其涡流搅拌作用下，小颗粒穿过密度相同而尺寸较大的颗粒之间的间隙并按密度分层，细而重的颗粒处于床
12、榴底部，粗而重的颗粒在细颗粒的上面，依次向上为：粗而轻的颗粒，粗而轻的颗粒。,床条作用和最终分离,床面上的床条不仅能形成沟槽，增强水流的脉动，增加床层松散，有利于颗粒分层和析离，而且所引起的涡流能清洗出混杂在大密度颗粒层内的小密度颗粒，改善分选效果。床条高度由传动端向重产物端逐渐降低，使分好层的颗粒，依次受到冲洗。总之，在床条间的颗粒的分层主要是由于沉降分层和析离分层的联合结果。因此，分层后位于最上端的轻而粗的颗粒由于最先脱离床条阻挡而最早流出床面，然后是细而轻与粗而重的颗粒，最后是细而重的颗粒从床尾排出。,第三节 磁力分选,一、磁力分选(Magnetic Separation)（一）磁选原理
13、 磁选是利用固体废物中各种物质的磁性差异在不均匀磁场中进行分选的一种处理方法。磁选包括传统的磁选（TMS）和磁流体分选（MHS）。,固体废物颗粒通过磁选机的磁场时受到磁力和机械力（重力、摩擦力、流动阻力、静电引力等）作用。由于作用在磁性颗粒（f磁 f机）与非磁性颗粒（f磁 f机）的合力不同，使它们的运动轨迹也不同，从而实现分选。磁选的实质,（二）磁化率与磁性分类,Xm 磁化率，只与介质种类有关顺磁性物质：0 Xm 1，磁化后介质磁场与外磁场方向相同，如铝、锰、铬等；逆磁性物质：-1 Xm 0，磁化后介质磁场与外磁场方向相反，如铜、铋Bi、锑Sb等；非磁性物质：Xm=0，不被磁化，如多数非金属物
14、质；铁磁性物质：Xm 很大且不为恒量，102-106，磁化后产生与外磁场方向相同的很强的附加磁场,固废还可据固废比磁化系数x0（物质磁化时,单位质量和单位磁场强度的磁矩,又称为质量磁化率）的大小，可将其分为：强磁性物质：x0=（7.5-38）10-6m3/kg 弱磁场磁选机可分离；弱磁性物质：x0=（0.19-7.5)10-6m3/kg 强磁场磁选机可回收；非磁性物质：x0 0.1910-6m3/kg。磁选过程可与磁性物质分离,在固体废物的处理系统中，磁选主要用作回收或富集黑色金属（强磁性组分），或在某些工艺中用来排除物料中的铁质物质。磁导率差别不大的物质，磁选装置对此无明显的选择性，传统的磁
15、选仅适用于铁磁性和非铁磁性物质的分选,（三）磁选设备及应用,1、滚筒式磁选机 组成磁滚筒+输送皮带 磁滚筒分为永磁磁滚筒（价低）和电磁磁滚筒（磁力可调）,将固体废物均匀地给在皮带运输机上，当废物经过磁力滚筒时，非磁性或磁性很弱的物质在离心力和重力作用下脱离皮带面；而磁性较强的物质受磁力作用被吸到皮带上，并由皮带带到磁力滚筒的下部，当皮带离开磁力滚筒伸直时，由于磁场强度减弱而落入磁性物质收集槽中。,（三）磁选设备及应用,2、悬挂带式磁力分选机 a、工作原理：在垃圾输送带的上方，离被分选的物料的一定高度（通常小于500mm）悬挂一大型固定磁铁（永磁铁或电磁铁）配有一传送带。当垃圾通过固定磁铁下方时
16、，磁性物质就被吸附在此传送带上，当运动到小磁区时，自动脱落。,（三）磁选设备及应用,b、使用范围：城市垃圾 c、存在问题：该安装方式使处于垃圾层下部，被压在输送皮带上的铁磁物质（瓶盖、小罐头盒）不能回收。,悬吊磁铁器有一般式除铁器和带式除铁器两种。当铁物数量少时采用一般式，当铁物数量多时采用带式。一般式除铁器是通过切断电磁铁的电流排除铁物，而带式除铁器则是通过胶带装置排除铁物。,二、磁流体分选（MHS）,(一)磁流体分选原理1、磁流体定义：指某种能够在磁场或电场和磁场联合作用作用下磁化，呈现似加重现象，对颗粒产生磁浮力作用的稳定分散液（强电解质溶液、顺磁性溶液和铁磁性胶体悬浮液）。,2、磁流体
17、分选原理：利用磁流体作为分选介质，在磁场或电场的联合作用下产生“加重”作用，按固废各种组分的磁性和密度的差异，或磁性、导电性和密度的差异，使不同组分分离。,3、磁流体分选类型 A、磁流体动力分选（MHDS）：在磁场与电场的联合作用下，以强电解质为分选介质，按固废中各组分间密度、比磁化率和电导率的差异使不同组分分离。多在固废各组分间电导率差异大时采用。优点：电解质溶液价廉、分选设备简单、处理能力大；缺点：分离精度低。B、磁流体静力分选（MHSS）：在非均匀磁场中，以顺磁性溶液和铁磁性胶体悬浮液为分选介质，按固废中各组分间密度和比磁化率的差异使不同组分分离。（没有特性涡流，故称为静力分选）多在要求
18、分离精度高时采用。优点：介质粘度小、分离精度高。缺点：分选设备较复杂、介质价格高，回收困难，处理能力较小。,4、分选介质 介质要求：磁化率高、密度大、粘度低、稳定性好、无毒、无刺激性、无色透明、价廉易得,第四节 电力分选,电力分选（Electric Field Separation）：电力分选简称电选，是利用物料各种组分在高压电场中电性的差异而实现分选的一种方法。一般物质大致可分为电的良导体、半导体和非导体，它们在电场中有着不同的运动轨迹，加上机械力的共同作用，即可将它们互相分开。电力分选对于塑料、橡胶、纤维、废纸、合成皮革、树脂等与某些物料的分离，各种导体、半导体和绝缘体的分离等都十分简便有
19、效。,电力分选基本原理,电晕电场区：废物由给料斗均匀地给入辊筒上，随着辊筒的旋转进入电晕电场区，电晕极放电导致颗粒极化带负电荷，颗粒向滚筒电极迁移并放电，导体放电速度快静电场区：进入静电场里不再继续获得负电荷，但仍继续放电。导体放完全部负电荷，并从辊筒上得到正电荷而被辊筒排斥落下；非导体颗粒由于有较多的剩余负电荷，被吸附在辊筒上，带到辊筒后方被毛刷强制刷下；半导体颗粒的运动轨迹则介于导体与非导体颗粒之间，成为半导体产品落下，从而完成电选分离过程。,二、电选设备及应用（了解）,1、静电分选机及应用2、YD-4型高压电选机及应用 特点：具较宽的电晕电场区，特殊的下料装置和防积灰漏电措施，整机封闭性
20、好，结构合理，处理能力大、效率高，可作粉煤灰专用设备。,第五节 浮选（Flotation）,一、浮选原理 1、定义 浮选是在固体废物与水调制的料浆中，加入浮选药剂，并通入空气形成无数细小气泡，使欲选物质颗粒粘附在气泡上，随气泡上浮于料浆表面成为泡沫层，然后刮出回收；不浮的颗粒仍留在料浆内，适当处理后废弃。,2、表面润湿性,在浮选过程中，物质表面的湿润性影响固废各组分对气泡粘附的选择性。亲水性(hydrophilicity)：如果颗粒易被水润湿，则称该颗粒为亲水性的。疏水性(hydrophobicity)：如颗粒不易被水润湿，则是疏水性的。,接触角(contact angle)：在静止状态下，当
21、气、液、固三相接触时，气液界面张力线和固液界面张力线之间的夹角(包含液相的)称为平衡接触角，用表示。固体的接触角越大，疏水性越强，越易于与气泡的粘附。,固体,固体疏水,固体亲水,固体,水滴,水滴,接触角,接触角,2、表面润湿性,固体废物中有些物质表面的疏水性较强，容易粘附在气泡上，而另一些物质表面亲水不易粘附在气泡上。亲、疏水性影响固废物质的可浮性。物质表面的亲水、疏水性能，可以通过浮选药剂的作用而加强。,二、浮选药剂,颗粒是否与气泡粘附及粘附的牢固程度，与污染物的疏水性强弱有关。有时污染物的疏水性较弱，用浮选法处理时效率很低。为了增加废水中悬浮颗粒的疏水性，以提高浮选效果，需向废水中投加化学
22、药剂，这些化学药剂称为浮选剂（flotation reagent)。浮选剂根据其作用的不同可分为捕收剂、起泡剂和调整剂。,（一）捕收剂(collector),捕收剂能够选择性地吸附在欲选的物质颗粒表面，使其疏水性增强，提高可浮性，并牢固地粘附在气泡上而上浮。良好的捕收剂应具备：捕收作用强，具有足够的活性；有较高的选择性，最好只对一种物质颗粒具有捕收作用；易溶于水、无毒、无臭、成分稳定、不易变质：价廉易得。,常用的捕收剂有异极性捕收剂(如黄药、油酸等)和非极性油类捕收剂（如煤油，从粉煤灰中回收炭，常用煤油作捕收剂）两类。,1、异极性捕收剂,异极性捕收剂的分子结构包合两个基团：极性基和非极性基。极
23、性基活泼能够与物质颗粒表面发生作用，使捕收剂吸附在物质颗粒表面；非极性基起疏水作用，使气泡吸附在表面。典型的异极性捕收剂有黄药、油酸等。黄药是工业上的名称，学名为黄原酸盐，按其化学组成称为烃基二硫代碳酸盐，其通式为ROCSSMe；其个R为烃基，Me为碱金属。油酸学名为十八碳脂肪酸，其中羧酸基团为极性基，碳十七链为非极性基。,非极性油类捕收剂,非极性油类捕收剂主要成分是脂肪烷烃和环烷烃，最常用的是煤油，它是分馏温度在150一300范围内的液态烃。烃类油的整个分子是非极性的，难溶于水，具有很强的疏水性。在料浆中由于强烈搅拌作用而被乳化成微细的油滴，与物质颗粒碰撞接触时，便粘附于疏水性颗粒表面上，并
24、且在其表面上扩展形成油膜从而大大增加颗粒表面的疏水性，使其可浮性提高。从粉煤灰中回收炭，常用煤油作捕收剂。,(二)起泡剂(frother),起泡剂是一种表面活性物质，主要作用在水气界面上，使其界面张力降低，促使空气在料浆中弥散，形成小气泡，防止气泡兼并，增大分选界面，提高气泡与颗粒的粘附和上浮过程中的稳定性，以保证气泡上浮形成泡沫层。常用的起泡剂有松油、松醇油、脂肪醇等。,（三）调整剂,按其作用不同可分为活化剂、抑制剂、介质的调整剂、分散与混凝剂四种类型。活化剂(activator)：能促进捕收剂与欲选物质的作用，从而提高欲选物质颗粒可浮性。常用的活化剂多为无机盐，如硫化钠、硫酸铜等。抑制剂(
25、depressor)：削弱非选物质颗粒与捕收剂之间的作用，增大其与欲选物质颗粒之间的可浮性差异，提高分选过程的选择性。常用的抑制剂有各种无机盐(如水玻璃)和有机物(如淀粉等)。介质调整剂(regulator)：调整浆料的性质，改变浮选的介质环境。例如用它调整料浆的离子组成，改变料浆的pH，调整可溶性盐的浓度等。常用的介质调整剂是酸类和碱类。,浮选法处理量大，效率较高，是固体废物资源化的一种重要技术。我国已应用于从粉煤灰中回收炭，从煤矸石中回收黄铁矿，从焚烧炉灰渣中回收金属等。浮选法的主要缺点是：固体废物浮选前需要破碎到一定的细度。浮选时要消耗一定数量的浮选药剂且易造成环境污染或增加相配套的净化设施。另外，还需要一些辅助工序如浓缩、过滤、脱水、干燥等。因此，在生产实践中应根据固体废物的性质，经综合比较后，确定分选方法。,三、浮选的应用,
