粉煤灰分选

粉煤灰分选

1、背景

燃煤电厂每年排出大量的损害环境的固体废弃物——粉煤灰。粉煤灰开发利用是固体废弃物处理的一个主要方面，开发利用好粉煤灰，不仅能够有效解决环境污染问题，而且能够变废为宝，为我国经济发展提供一个新的增长点。

我国粉煤灰年排放量超过1亿t，占地面积约2.6万公顷，而且随着火电建设的高速发展，粉煤灰排放量将逐年增加。目前我国粉煤灰仅有 30％左右得到综合利用，其余的都存入储灰场，不仅占用大量土地，而且对周边环境造成严重威胁[1]。

根据粉煤灰综合利用的利用量和技术水平，国内外的利用项目一般分为三类：(1)高容量／低技术利用，包括粉煤灰回填、筑堤、填方、灌桨、路面填层、改良土壤等；(2)中容量／中级技术利用，主要指在建筑材料方面的利用，包括水泥代用品。混凝土掺和料、砌块砖及墙板，此外还作塑料、橡胶填充剂，沥青混合料填充料等；(3)低容量／高级技术利用，具有较高的经济效益，包括金属和矿物的分选[2]，高附加值产品的分选，如玻璃微珠等。

对粉煤灰进行分离操作，以得到粒径、密度或形状等某一特征参数粒子较为富集的产品是获取高附加值产品的重要途径，例如通过分离得到的密度轻于水的漂珠可用于多种应用场合（如用于制备智能自修复材料系统等），其市场价值远高于分离前的原始粉煤灰。

现有电厂除灰系统有水力除灰和干除灰两类，前者耗水量高，易造成灰水污染，不利于粉煤灰综合利用，将逐渐为后者所取代，因此相应的粉煤灰分离也将主要依赖于干法分离。干法分离主要有筛分法、风选法、电选法、磁选法等。筛分法在大批量处理粉煤灰时常出现筛网堵塞等问题，工作可靠性不高。风选法采用运动气流作为工作介质进行粉煤灰分离，是使用较多的一种方法，有许多具体的装置结构型式。电选法和磁选法只适用于特定的条件，其能耗也较高。总的来看，现有的干法分离技术尚不能满足粉煤灰大批量分离操作的需要。

通过以上分析可知，粉煤灰具有广泛的应用前景，提高粉煤灰分离技术对于粉煤灰的综合利用具有重要意义。

2、粉煤灰分离研究现状

2.1 有关颗粒物偏析的研究

对粉煤灰的分离即是对细小固体颗粒物的偏析。固体颗粒的偏析是指因大小、密度以及形状等性质的不同而导致的散体物料在空间上不均匀分布的现象，其中，颗粒大小的差异是影响偏析的最重要的因素[8]。

采用重力驱动的斜面颗粒流偏析(即分离)具有设备结构简单、工作可靠性高、能耗低的优点，引起了研究者和工业界的重视，特别是在大颗粒混合物（如毫米级粒子混合物）方面研究较多。斜面颗粒流偏析的缺点是偏析程度较小,相关研究者采用了不同方法以强化偏析程度。文献[12]研究了烧结生产中的反射板偏析布料过程，颗粒为毫米级，结果表明反射板具有一定的强化偏析效果。反射板偏析法，如图3[13]，是一种比较常见的散体物料的偏析方法，颗粒物料在下落过程中，由于粒径大小的差异以及由此产生的动量的差异使得大颗粒在颗粒流的上层富集，而小颗粒在下层富集，从而达到大小颗粒偏析的效果，但是这种方法对颗粒物料的偏析程度仍然较小，不能完全满足生产的要求[12-13]。

图3 反射板偏析示意图：1料斗，2辊轮，3反射板，4落料槽采用重力驱动的斜面颗粒流偏析，对颗粒物料的偏析程度较小，不能完全满足生产的要求，因此往往需要添加附属设备。如在反射板的上部安装能振动的条形筛、网筛等等。文献[14-16]研究了外加磁场辅助对毫米级烧结料颗粒偏析特性

的影响，渗透作用被认为是由不同粒径颗粒组成的斜面流的主要偏析机制。在颗粒沿斜面下落的过程中，颗粒之间会产生缝隙，显然小的颗粒比较容易穿过大颗粒之间的缝隙而落到底部并占据底层位置，使得大颗粒逐渐被抬升至表面。因此，任何有利于增强这种渗透作用的因素都会有利于增强偏析效果。扩散是另一个影响偏析的因素，但其作用与渗透作用相反，它会促使颗粒混合。一般来说，在颗粒流的速度比较大时，扩散作用更明显。因为速度越大，颗粒之间的空隙越大，颗粒之间的相互作用以碰撞而不是有利渗透作用的摩擦挤压为主。磁场的吸引力会使颗粒的运动速度减慢，这会减弱扩散引起的混合作用，尤其是当反射板下部的切向磁力方向与流速方向相反时，这种作用更为显著，这无疑会大幅度减少颗粒的混合，促进偏析。实验和数值模拟表明，合适的磁场对偏析有较明显强化作用，磁场强度和分布是影响偏析效果的关键因素。磁场强化的缺点是系统复杂，成本高[13]。

振动辅助作为一种颗粒偏析强化方法，在由竖直振动引起的毫米级颗粒巴西果效应（Brazil nut effect）方面研究较多[17-22]。在竖直方向振动大小不同颗粒混合系统时，多数情况下，发现大的颗粒向上运动，小的颗粒向下运动，这种振动引起的大颗粒在上，小颗粒在下的颗粒分离行为一般称为“巴西果效应”。关于颗粒分离的效应，有几种解释，一是认为振动时小颗粒可以从大颗粒的间隙中掉下，小颗粒在下方的支撑作用使大的颗粒停留在上部。另一种看法是对流造成了颗粒的分离，在上升对流的作用下，大的颗粒运动到沙堆的表面；而向下运动的对流不能带动大颗粒一起向下运动，而使大颗粒停留在上面[23]。改变振动频率和振幅，可以形成不同的分离形态：大颗粒在上，小颗粒在下的巴西果分离；小颗粒在上，大颗粒在下的反巴西果分离；以及三明治式的层状分离[24-30]，如图4[24]所示：

（a）巴西果分离 (b)反巴西果分离 (c) 三明治分离

图4 几种典型分离分层构型

这几种典型的分层构型属于完全分离形态，即各层均由纯的大颗粒或纯的小颗粒所组成。除完全分离形态外，实验和理论均发现还存在有部分分离形态，即有些层由不同尺寸比的大颗粒和小颗粒混合组成或者由尺寸相同但密度不同的两类颗粒混合组成，部分分离形态主要存在于几种典型的分层构型的过渡区。颗粒分离中空气也有重要影响，实验发现，在颗粒尺度较小，约小于0.5mm，空气的影响很明显，反巴西果效应的产生，更与空气的存在密切相关。振动使大颗粒上浮的巴西果效应是普遍的，而反巴西果效应的产生受气压影响，床中颗粒尺寸和质量小时更为显著[25]。

旋转一个装有半满混合颗粒的水平长筒，也可使其中的颗粒发生分离，不仅可使大小不同的颗粒沿轴向分层，在径向也会发生分离。1939年，日本药剂师小山曾经试图通过旋转容器使尺寸不同的药粉混合均匀，然而他却发现，转动使大小不同的药粉颗粒分离开了[23]。利用扭结可以在水平方向上出现“巴西果效应”。速度非常高时，在容器内会存在着扭结，它将容器内的谷物分成两个区域（或者说两个相）。在扭结一边的谷物将向上运动，另一边的谷物将向下运动；而大颗粒的谷物从两个振荡区内流动出来向扭结处集中，这样就能利用移动扭结的位置来达到将容器一侧的大颗粒谷物进行集中收集。

2.2 现有粉煤灰干法分选技术

干法分离主要有筛分法、风选法、电选法、磁选法[31]等。筛分法在大批量处理粉煤灰时常出现筛网堵塞等问题，工作可靠性不高。风选法采用运动气流作为工作介质进行粉煤灰分离，是使用较多的一种方法，有许多具体的装置结构型式。电选法和磁选法只适用于特定的条件，其能耗也较高。

分选技术一般是指通过一定的工艺流程对原状粉煤灰进行粒度分级的工艺方法。根据粉煤灰的应用要求，一般将粉煤灰分为一级灰、二级灰和三级灰三种，这些级别的灰都是采用干法技术分选的。一般的干法分选技术主要有：惯性分选技术和离心式分选技术。惯性分选技术包括直线型惯性分级器（见图5）、射流型分级器（见图6）等。离心式分选技术包括：旋风分离器（见图7）、叶轮式离心分选器（见图8）等[32]。

图5 直线型惯性分级器图6 射流型惯性分级器惯性分级器分选颗粒主要取决于两个参数：一是带料射流或气流速度的大小；二是气流速度方向的切线到迴转中心点的距离，即该点的曲率半径。所以惯性分级器的调节不太容易，一旦分级器结构确定，只有一个参数可调，即速度的大小。由此可知，采用惯性分级器，其生成的成品粉粒度一般分布较宽[32]。

离心式叶轮分级器影响成品粉粒度及其分布的主要因素有4个方面：叶轮的转速，它是可以控制和调节的；叶轮半径的大小；进入叶轮的气流速度，它是可以控制和改变的；叶轮结构。但是，在实际分选粉体时，往往只通过调节叶轮转速来调节成品的颗粒大小及其分布[32]。

图7 旋风分离器图8 叶轮式离心分选器目前国内外各类粒度分选设备通常基于气流分级原理，即利用气流产生的涡

流离心场，使不同大小的颗粒沿不同轨迹运动，从而使它们分离。文献[33—41]研究了利用涡壳式离心分级机进行粉煤灰分选这一重要途径，其工作原理如图

9[33]所示：

图9 涡壳式分级机工作原理

涡壳式分级机的分级原理是：含灰气流从进口进入分级机后，在由主导叶和圆弧外壳形成的弯道内运动的不同质量的颗粒，因离心力不同而运动轨迹也不同。大颗粒具有较大的离心力而趋向壁面，当颗粒碰到壁面后便顺着圆弧壁面运动，直至碰到对侧壁面而从粗灰出口排入灰库。小质量颗粒因离心力无法克服涡壳区负压产生的吸引力而被涡流吸入涡壳孔板，并随气流从涡壳出口排出。相同质量的颗粒在进口处于不同位置时，其运动轨迹也不相同。在A—A剖面上，颗粒质量从圆心向外侧由小到大排列，颗粒分散性好，不易凝聚。设计外形尺寸、导叶曲率和次导叶的头部位置及孔板直径时，理论上要保证大于临界分离粒径（临界质量）的颗粒能克服涡流的曳力，顺着壁面和次导叶构成的通道运动到对侧壁面，而小于临界质量的颗粒则被涡流负压吸入涡壳。这样，就能有效地实现以某临界质量颗粒为界限的粉粒体的分离。实际上由于颗粒的凝聚和大粒子的夹带及颗粒的密度不同，必然有小颗粒混入粗灰中。为了减少粗灰中细灰含量，在粗灰出口设置了二次风。当打开二次风阀门时，由于机内处于负压，能将外界空气吸入，并在粗灰出口处形成一道气幕，大质量颗粒由于自身的重力能够穿越气幕进入灰库，而小质量颗粒则被吹回入口区或涡流区[32]。

综上所述，国内外学者对颗粒物及粉煤灰偏析的研究都取得了一定得成果，

但在分离效果及使用成本上还需进一步研究。

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