八、風力分選

86.什么是風力選礦和風力分級？

風力選礦是以空氣為分選介質，在氣流和機械振動的作用下，進行不同密度（或粒度）顆粒的分選，按密度不同進行分選時稱為風力選礦，按顆粒粒度進行分選時稱為風力分級。

利用空氣作為分選介質進行分選的基本方式是，將原料給到傾斜安裝的、固定的或可動的多孔表面上，借助間斷或連續給入的上升氣流推動粒群懸浮，并促使按密度差發生分層，或者是在垂直上升氣流或水平氣流中按密度（粒度）分選，如沉降箱。根據氣流的給入方式和設備運動方向，風力分選照樣有跳汰、搖床和溜槽等工藝之分，但選別過程則與在水介質中的分選有很大不同。

87.風力分選的工作原理是什么？

在風力分選過程中，推動粒群懸浮的總壓強包括靜壓強pst和動壓強pdy，靜壓強的大小應達到與床層的重力壓強相等，而構成動壓強的上升氣流速度則超過使粒群松散的最低流速。總壓強∑p可以用下式表示。

式中　h——松散物料層的厚度，m；

φ——松散物料層的固體體積分數；

ρ1——物料的密度，kg/m3；

ρ——空氣介質的密度，kg/m3；

uup——使粒群松散的空氣最低流速，m/s。

風力跳汰機和風力搖床所需的氣體壓強介于1.5～3kPa。氣流速度與粒群的干涉沉降速度相等。這時自由沉降速度小的顆粒即懸浮在上層，固體體積分數較小；沉降末速大的顆粒則懸浮在下層，具有較大的固體體積分數。入選礦石中，高密度礦物的平均沉降速度較大，因而富集到底層。在這里懸浮體密度增大對排除低密度礦物也有一定的作用。

氣流速度在分選表面分布均勻與否對分選精確性有很大影響。原料的水分對作業也有很大的影響，當水分超過4％～5％時，顆粒間發生黏結，分選效率和設備處理能力急劇下降。

88.風力選礦和風力分級各有哪些應用？

風力選礦目前主要用于部分非金屬礦石的選別，如石棉、云母等與脈石的分離。風力分級則主要用于干式閉路磨礦、干式選別前的細粒的分級、干式集塵等。風力選礦因空氣介質密度小，故分選效率不高。適宜的入選粒度一般在1.5～0.005mm，個別纖維狀、片狀的粒度可大些，如云母最大粒度可至3mm。物料中水分對分選效率有嚴重影響，物料越干燥對分選越有利，因此生產中粉塵大，對環境造成污染，必須有復雜的集塵系統。但風力選礦具有產品不必脫水的優點，可省去對微細粒狀或片狀產品脫水干燥這道非常麻煩且費用高的工序。另外，對于嚴重缺水地區，風力選礦就顯示出優越性。

89.常見的風力分選設備有哪些？

常見的風力分選設備見表4-13。

90.沉降箱的結構是怎樣的？

最簡單的沉降箱的結構如圖4-71所示，這種設備通常安裝在風力運輸管道的中途，借沉降箱內過流斷面的擴大，氣流速度降低，使粗顆粒在箱中沉降下來。

在沉降箱內，空氣流的上升速度取決于臨界顆粒的沉降速度。設在沉降箱內顆粒的沉降高度為h，臨界顆粒的沉降速度為vcr，則沉降h高度所需時間t為：

t=h/vcr　　（4-14）

在同一時間內，顆粒以等于氣流的水平速度u在沉降箱內運行了l距離，所以又有：

t=l/u　　（4-15）

由式（4-14）和式（4-15）得沉降箱的有效高度與長度之比為：

h/l=vcr/u　　（4-16）

考慮到湍流流動時受脈動速度的影響，顆粒的沉降速度降低，所以當氣流的速度超過0.3m/s時，顆粒的沉降速度應乘以0.5的修正系數。

與沉降箱的工作原理相似的另外兩種風力分選設備是水平式風力分選機（見圖4-72）和鋸齒形風力分選機（見圖4-73）。這兩種設備常用于城市生活垃圾分選，其突出優點是構造簡單，使用方便。當然，其分選精確度也相對較低。在垃圾可燃物分選中，當物料水分為40％時，可燃物的回收率可達90％。

91.離心式分離器有哪些？

離心式分離器是借助氣流的回轉運動，將所攜帶的固體顆粒按粒度分離。造成氣流回轉的方法主要有兩種：一是氣流沿切線方向給入圓形分離器的內室；二是借室內葉片的轉動使氣流旋轉。這類設備常用的有旋風集塵器、通過式離心分離器、離心式風力分級機等。

（1）旋風集塵器　圖4-74是除塵作業常用的旋風集塵器的結構示意圖。這種設備的結構頗似水力旋流器，只是尺寸要大一些。含塵氣體進入集塵器后，固體顆粒在回轉運動中被甩到周邊，與器壁相撞擊后沿螺旋線向下運動，最后由底部排塵口排出。

旋風集塵器的結構簡單，制造容易，使用方便。在處理含有10μm以上顆粒的氣體時，集塵效率可達70％～80％（按固體粉塵回收百分數計）。但這種設備的阻力損失較大、能耗高、易磨損。

（2）通過式離心分離器　通過式離心分離器常用來對物料進行干式分級，它本身沒有運動部件，其結構如圖4-75所示。

這種設備主要由外錐和內錐組成，兩者用螺旋狀葉片在上部連接起來。含固體物料的氣流沿下部管道以18～20m/s的速度向上流動，氣流進入兩圓錐間的環形空間后，速度降到4～6m/s。由于速度降低，最粗的固體顆粒即沉降到外圓錐的內表面，并向下滑落經套筒4排出。較細的固體顆粒隨氣流穿過葉片，沿切線方向進入內錐，在離心慣性的作用下，稍粗一些的顆粒又被拋到內錐的錐壁，然后下滑，并經套筒6排出。攜帶細顆粒的氣流在回轉運動中上升，由排風管道排出。

（3）離心式氣流分級機　離心式氣流分級機自身帶有轉動葉片或轉子，其結構形式有很多種，廣泛應用于微細粒級物料的干式分級。圖4-76是帶有雙葉輪的離心式風力分級機的結構簡圖。原料由中空軸給到旋轉盤上，借助盤的轉動將固體顆粒拋向內殼所包圍的空間。在中空軸上還裝有上部和下部兩層葉片，在轉動中形成圖示方向的循環氣流。粗顆粒到達內殼的內壁后，克服上升氣流的阻力落下，由底部內管排出，成為粗粒級產物。細小的顆粒被上升氣流帶走，進入內殼與外殼之間的環形空間內。由于氣流的轉向和空間斷面的擴大，細顆粒也從氣流中脫出落下，由底部孔口排出，成為細粒級產物。

葉片轉子型離心式氣流分級機易于調節分級產物的粒度，分級區的氣固濃度波動對分級粒度的影響顯著減小，同時還具有能耗低、生產能力高、不需要另外安裝通風機和集塵器等優點。其缺點是通過環形斷面的氣流速度分布不均勻，致使分級的精確度不高，另外還容易導致物料在循環過程中粉碎。

轉子為籠形的離心式氣流分級機習慣上稱為渦流空氣分級機或渦輪式氣流分級機，為第三代動態空氣分級機，其突出特點是采用二次風作為分散方式，這種類型分級機的型號繁多，其中之一的結構如圖4-77所示。

氣流從兩個平行對稱的進風口切向進入分級機的渦殼中，并沿螺旋形蝸殼經環形安置的導流葉片進入轉籠外邊緣和導流葉片內邊緣之間的環形空間。由于風機的抽吸作用，在轉籠中心部位形成負壓，使進入該環形空間的氣流除具有切向速度外，還具有指向軸心的徑向速度。這股氣流將絕大部分進入轉籠，并在轉籠中心處作90°轉彎沿軸向折向排出管流出。

待分級的物料經上部給料口撒落到撒料盤上經分散后，在重力的作用下進入到環形區，隨氣流被負壓抽吸帶到轉籠外邊緣附近，此時物料顆粒同時受到氣流切向分速度給予的離心慣性和氣流徑向分速度給予的向心阻力的作用，物料產生分級。細顆粒隨氣流排出，經集粉器收集，粗顆粒與蝸殼壁相碰后，一邊旋轉一邊下降落入底部的錐形排料斗排出。

影響渦流空氣分級機分級性能的主要結構因素有撒料盤結構、環形區寬度、轉籠葉片間距等。渦流空氣分級機的主要操作參數包括進料速度、轉籠轉速、風量；當分級機結構尺寸確定后，在分級過程中，通常調整這三個參數，以達到不同的分級目的。渦流空氣分級機的分級粒度一般為0.5～60μm，轉籠的轉速為500～7000r/min，處理能力為0.5～6000kg/h。

92.風力跳汰機的結構如何？

圖4-78是簡單的風力跳汰機，機中有兩段固定的多孔分選篩面。由鼓風機送來的空氣通過旋轉閘門間斷地通過篩板，形成鼓動氣流。待分選的物料由篩板的一端給入，在氣流的推動下間斷松散懸浮，并隨之按密度發生分層。在第一段篩板上分出密度最大的高密度產物，選出的密度低一些的產物進入第二段篩板，進一步分選出低密度產物和中等密度的產物。整個跳汰機由特制的罩子封閉，分層情況從側面觀察孔探視。

應用較為廣泛的風力選煤設備是美國R·S公司的斯坦普風力跳汰機（見圖4-79）。

斯坦普風力跳汰機的工作原理與鮑姆跳汰機相似，原煤從跳汰機一端給到搖動的傾斜篩板上，空氣從下部風室脈動地給至篩板下，穿過人工床層使氣流均勻分布，原煤在篩板上受脈動氣流和機械搖動的作用逐漸分層，高密度矸石在最下層，由三個排矸口排出，中煤和精煤分別從篩板末端排出，整個跳汰機密封除塵，在負壓下工作。

93.風力搖床的結構是怎樣的？

1905年塞頓等首次設計出了風力搖床，并于1916年在美國開始用于分選煙煤。俄羅斯作為世界上應用干法選煤生產規模最大的國家之一，采用的主要分選設備也是風力搖床。

風力搖床的結構與濕法分選使用的搖床類似，只是在風力搖床上借助連續上升或間斷上升的氣流推動礦粒松散，從而發生分層。這種設備在風力分選中應用比較廣泛，類型也比較多，主要用來處理粗粒級煤，也常用于分選某些金屬礦石和稀有金屬砂礦。

（1）歐斯玻-100型風力搖床　圖4-80是前蘇聯生產的歐斯玻-100型風力搖床的結構簡圖。整個床面沿縱向被分成四段，每段分別鋪設粗糙的多孔板，孔徑為1.5～3mm，在多孔板表面按圖示方向布置床條。床面由傳動機構帶動作往復運動。為了保持床層有一定的厚度，在床面的縱邊和橫邊均設有擋條。壓縮空氣由下部通過軟管給到床面，并用節流閥控制其流量。

待分選物料從床面低的一端給入，在床面不對稱的往復運動推動下，向高的一端運動。借助連續或間斷鼓入的氣流推動，床層呈松散懸浮狀態，并隨之發生分層。分層后位于上層的低密度顆粒沿著床面的橫向傾斜從側邊排出；而進入底層的高密度顆粒則被床條阻擋，運動到床條末端排出。

（2）УШ-3型風力搖床　俄羅斯的УШ-3型風力搖床是采用連續上升氣流的搖床，在選煤廠中用來處理粗粒級原煤，其構造如圖4-81所示。

這種風力搖床的床面支承在刀狀支架上，床面在縱向分成兩半，每一半又分成三段，所以床面由六部分組成。床面各部分上蓋有篩孔為3mm的篩板，篩板上安有和搖床縱軸成15°角的梯形床條。每個床條的高度由傳動端向精礦端逐漸降低。從最外側的床條起，各個床條的高度，也是逐漸降低。搖床床面的兩個半面都分別向外側往下傾斜，而整個床面由傳動端向尾端升高。

空氣由導管送至搖床各部分，用手柄通過杠桿拉動閘門，可以調節給入的空氣量。傳動機構由電動機帶動，并通過偏心連桿推動床面作往復運動。床面的搖動次數可以用變速輪來調節。

入選原煤從傳動端給到床面上，在床面的不對稱往復運動的作用下，在床條間運動。在氣流的作用下，精煤移至物料層的上層，并向床面的兩側移動。矸石不能被氣流吹起，在床條間向尾端移動，產物在床面上的分布情況如圖4-82所示。

94.FX型風力干選機的結構是怎樣的？

我國于1992年在引進俄羅斯生產技術的基礎上，改進生產了圖4-83所示的FX型風力干選機，其分選原理如圖4-84所示。入選原煤的粒度范圍為6～80mm，水分可達到9％，處理能力為10t/m2左右。

FX型風力干選機的床面為矩形，上有10條格板，構成11條平行凹槽。床面縱向由排料端至入料端向上傾斜，橫向是向排料側往下傾斜。原煤從干選機入料端給入凹槽，在搖動力和底部上升氣流作用下，細粒物料和空氣形成分選介質，產生一定的浮力效應，使低密度煤浮向表層。由于床面有較大的橫向坡度。床面上的煤在重力作用下，越過平行凹槽經受多次分選。逐漸移至排料側排出。沉入槽底的矸石從床面末端排出。

山東龍口礦業北皂煤礦于1998年8月建成投產了國內生產規模最大的第一座采用FX-12型干選機的干法選煤廠，年處理能力1.5×106t，采用的生產工藝見圖4-85。

該生產工藝較為簡單，比相同生產能力的濕法選煤廠投資低1/3左右，產品水分低，適應性強，占地面積小，運行成本低，采用兩段除塵工藝和負壓操作，排入大氣的氣體含塵量<150mg/m3。采用這一工藝可有效地剔除8～80mm粒級入選原煤中的矸石，精煤灰分較原煤降低了5％～8％。

95.FGX型復合式干選機的結構是怎樣的？

圖4-86是中國于1989年研制的FGX型復合式干選機，它利用空氣和入選煤中所含的0～6（3）mm細粒煤作為自生介質，組成氣固兩相混合介質進行分選。這種設備借助機械振動使分選物料作螺旋翻轉運動，形成多次分選，充分利用逐漸提高的床層密度所產生的顆粒相互作用的浮力效應而進行分選。設備的處理能力為7～10t/m2，入料水分要求<7％，入料粒度為6～60mm，依靠振動電動機振動，沖程<10mm，沖次為980次/min。FGX-12型干選機的電動機安裝功率為22kW。

這種設備的分選過程是，給料機把物料送入縱向和橫向坡度可調的分選床（由帶鼓風孔的床面、反復推送物料的背板、可產生螺旋運動的格條和控制產品質量的格板組成）；振動電動機帶動分選床振動；由于床面呈一定角度，加之床面格條的作用，導致物料向背板方向旋轉，作螺旋式運動；隨著床面寬度的減小，上層物料依密度由小到大逐次排出。

96.FXg型風力干式分選機的結構是怎樣的？

FXg型干選機的結構和激振器如圖4-87和圖4-88所示。與FX型風力干選機比較，這種干式分選機的激振器和床面結構進行了一些改進。

FXg型干選機采用同步帶傳動差動激振器，由一條同步帶帶四根軸，軸上裝有兩對偏心塊，產生差動運動，其工作原理與直線振動篩的激振器、懸掛式搖床的床頭相似。

FXg型干選機工作時，可根據煤質情況靈活調節沖程（調節范圍為12～24mm）和沖次（調節范圍為250～400次/min）。由于沖程大且采用了差動運動，FXg型干選機的處理能力可達10t/m2以上，比同類風力分選機的單位面積處理能力高2～5t，同時，采用同步帶傳動也明顯降低了噪聲。

另外，FXg型干選機的床面采用懸掛式支撐（見圖4-87），顯著降低了設備自身的質量，大幅度降低能耗。

97.風力尖縮溜槽的結構是怎樣的？

風力尖縮溜槽是一種與濕式尖縮溜槽結構類似的風選設備，由英國瓦倫·斯普林（Warren Spring）試驗室研制成功，其結構如圖4-89所示。

風力尖縮溜槽的槽面由微孔材料制成，槽面下面有一個空氣室。低壓空氣由槽的一端引入，通過多孔表面向上流動。原料從槽的上端給入，在氣流吹動下形成沸騰床，在沿槽面向下運動中發生分層。分層后的低密度和高密度礦物從槽末端排出時利用分隔板分開。

風力尖縮溜槽亦可像濕式尖縮溜槽那樣，由多個單溜槽拼成圓錐面工作。一臺直徑1.7m的組合溜槽處理能力可達15～30t/h。

98.空氣重介質流化床分選機的結構是怎樣的？

固體顆粒本身沒有流動性，若采取某種措施使顆粒像流體一樣呈流動狀態，這種操作過程就稱為固體顆粒流態化。呈穩定懸浮狀態的固體顆粒群及其中的氣流作為一個整體稱為流化床，其系統主要由氣體分布器、床體、流化床層、內部構件等組成，有的還輔以外來能量（如振動力、磁場等）。氣-固兩相流化床在一定氣流速度下的鼓泡床階段具有流體的特性，具體表現為：

（1）兩連通床層能自動調整至同一水平面；

（2）當容器傾斜時，床層上表面仍保持水平；

（3）床層中任意兩點壓強差大致等于此兩點間的床層靜壓頭；

（4）具有像流體一樣的流動性，如在容器壁上開孔，顆粒將從孔口流出；

（5）小于床層密度的物體將浮于床面，反之，則沉于床底，基本符合阿基米德定律。

適合于礦物，特別是煤炭分選的氣固兩相流化床，要求床層密度在三維空間均勻穩定，固相加重質宏觀返混小。這就要求流化床要在低流化數氣速下操作、在加重質粒度級配合理的微泡狀態下工作，以充分發揮其分選特性。因此，適用于礦物（煤炭）分選的流化床是濃相高密度流化床。

空氣重介質流化床分選的原理，與濕式重介質分選原理相類似，其床層分選密度由流化床層的孔隙率、固相加重質的密度決定。對選煤來說，其可在500～2300kg/m3內任意調節。

圖4-90是中國礦業大學研制的50t/h空氣重介質流化床干法分選機的示意圖。設備工作時，入選原煤（6～50mm）經振動給料機進入分選空間，在均勻穩定的流化床中，入選物料按床層密度分層，低密度物料（精煤）上浮，高密度物料（煤矸石）下沉。無級刮板輸送機分別將浮物和沉物排出機外，完成分選過程。