八、风力分选
86.什么是风力选矿和风力分级？
风力选矿是以空气为分选介质，在气流和机械振动的作用下，进行不同密度（或粒度）颗粒的分选，按密度不同进行分选时称为风力选矿，按颗粒粒度进行分选时称为风力分级。
利用空气作为分选介质进行分选的基本方式是，将原料给到倾斜安装的、固定的或可动的多孔表面上，借助间断或连续给入的上升气流推动粒群悬浮，并促使按密度差发生分层，或者是在垂直上升气流或水平气流中按密度（粒度）分选，如沉降箱。根据气流的给入方式和设备运动方向，风力分选照样有跳汰、摇床和溜槽等工艺之分，但选别过程则与在水介质中的分选有很大不同。
87.风力分选的工作原理是什么？
在风力分选过程中，推动粒群悬浮的总压强包括静压强pst和动压强pdy，静压强的大小应达到与床层的重力压强相等，而构成动压强的上升气流速度则超过使粒群松散的最低流速。总压强∑p可以用下式表示。
式中 h——松散物料层的厚度，m；
φ——松散物料层的固体体积分数；
ρ1——物料的密度，kg/m3；
ρ——空气介质的密度，kg/m3；
uup——使粒群松散的空气最低流速，m/s。
风力跳汰机和风力摇床所需的气体压强介于1.5～3kPa。气流速度与粒群的干涉沉降速度相等。这时自由沉降速度小的颗粒即悬浮在上层，固体体积分数较小；沉降末速大的颗粒则悬浮在下层，具有较大的固体体积分数。入选矿石中，高密度矿物的平均沉降速度较大，因而富集到底层。在这里悬浮体密度增大对排除低密度矿物也有一定的作用。
气流速度在分选表面分布均匀与否对分选精确性有很大影响。原料的水分对作业也有很大的影响，当水分超过4％～5％时，颗粒间发生黏结，分选效率和设备处理能力急剧下降。
88.风力选矿和风力分级各有哪些应用？
风力选矿目前主要用于部分非金属矿石的选别，如石棉、云母等与脉石的分离。风力分级则主要用于干式闭路磨矿、干式选别前的细粒的分级、干式集尘等。风力选矿因空气介质密度小，故分选效率不高。适宜的入选粒度一般在1.5～0.005mm，个别纤维状、片状的粒度可大些，如云母最大粒度可至3mm。物料中水分对分选效率有严重影响，物料越干燥对分选越有利，因此生产中粉尘大，对环境造成污染，必须有复杂的集尘系统。但风力选矿具有产品不必脱水的优点，可省去对微细粒状或片状产品脱水干燥这道非常麻烦且费用高的工序。另外，对于严重缺水地区，风力选矿就显示出优越性。
89.常见的风力分选设备有哪些？
常见的风力分选设备见表4-13。
表4-13 常见的风力分选设备及用途
90.沉降箱的结构是怎样的？
最简单的沉降箱的结构如图4-71所示，这种设备通常安装在风力运输管道的中途，借沉降箱内过流断面的扩大，气流速度降低，使粗颗粒在箱中沉降下来。
图4-71 最简单的沉降箱结构示意图
（a）带拦截板的沉降箱；（b）不带拦截板的沉降箱
在沉降箱内，空气流的上升速度取决于临界颗粒的沉降速度。设在沉降箱内颗粒的沉降高度为h，临界颗粒的沉降速度为vcr，则沉降h高度所需时间t为：
t=h/vcr （4-14）
在同一时间内，颗粒以等于气流的水平速度u在沉降箱内运行了l距离，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与长度之比为：
h/l=vcr/u （4-16）
考虑到湍流流动时受脉动速度的影响，颗粒的沉降速度降低，所以当气流的速度超过0.3m/s时，颗粒的沉降速度应乘以0.5的修正系数。
与沉降箱的工作原理相似的另外两种风力分选设备是水平式风力分选机（见图4-72）和锯齿形风力分选机（见图4-73）。这两种设备常用于城市生活垃圾分选，其突出优点是构造简单，使用方便。当然，其分选精确度也相对较低。在垃圾可燃物分选中，当物料水分为40％时，可燃物的回收率可达90％。
图4-72 水平式风力分选机的结构示意图
图4-73 锯齿形风力分选机的结构示意图
91.离心式分离器有哪些？
离心式分离器是借助气流的回转运动，将所携带的固体颗粒按粒度分离。造成气流回转的方法主要有两种：一是气流沿切线方向给入圆形分离器的内室；二是借室内叶片的转动使气流旋转。这类设备常用的有旋风集尘器、通过式离心分离器、离心式风力分级机等。
（1）旋风集尘器 图4-74是除尘作业常用的旋风集尘器的结构示意图。这种设备的结构颇似水力旋流器，只是尺寸要大一些。含尘气体进入集尘器后，固体颗粒在回转运动中被甩到周边，与器壁相撞击后沿螺旋线向下运动，最后由底部排尘口排出。
图4-74 旋风集尘器
1—圆筒部分；2—锥体；3—进气管；4—上盖；5—排气管；6—排尘口
旋风集尘器的结构简单，制造容易，使用方便。在处理含有10μm以上颗粒的气体时，集尘效率可达70％～80％（按固体粉尘回收百分数计）。但这种设备的阻力损失较大、能耗高、易磨损。
（2）通过式离心分离器 通过式离心分离器常用来对物料进行干式分级，它本身没有运动部件，其结构如图4-75所示。
图4-75 通过式离心分离器结构
1—外锥；2—内锥；3—进风管道；4，6—套筒；5—叶片；7—排风管道
这种设备主要由外锥和内锥组成，两者用螺旋状叶片在上部连接起来。含固体物料的气流沿下部管道以18～20m/s的速度向上流动，气流进入两圆锥间的环形空间后，速度降到4～6m/s。由于速度降低，最粗的固体颗粒即沉降到外圆锥的内表面，并向下滑落经套筒4排出。较细的固体颗粒随气流穿过叶片，沿切线方向进入内锥，在离心惯性的作用下，稍粗一些的颗粒又被抛到内锥的锥壁，然后下滑，并经套筒6排出。携带细颗粒的气流在回转运动中上升，由排风管道排出。
（3）离心式气流分级机 离心式气流分级机自身带有转动叶片或转子，其结构形式有很多种，广泛应用于微细粒级物料的干式分级。图4-76是带有双叶轮的离心式风力分级机的结构简图。原料由中空轴给到旋转盘上，借助盘的转动将固体颗粒抛向内壳所包围的空间。在中空轴上还装有上部和下部两层叶片，在转动中形成图示方向的循环气流。粗颗粒到达内壳的内壁后，克服上升气流的阻力落下，由底部内管排出，成为粗粒级产物。细小的颗粒被上升气流带走，进入内壳与外壳之间的环形空间内。由于气流的转向和空间断面的扩大，细颗粒也从气流中脱出落下，由底部孔口排出，成为细粒级产物。
图4-76 双叶轮离心式风力分级机
1—中空轴；2—旋转盘；3—下部叶片；4—上部叶片；5—内壳；6—外壳
叶片转子型离心式气流分级机易于调节分级产物的粒度，分级区的气固浓度波动对分级粒度的影响显著减小，同时还具有能耗低、生产能力高、不需要另外安装通风机和集尘器等优点。其缺点是通过环形断面的气流速度分布不均匀，致使分级的精确度不高，另外还容易导致物料在循环过程中粉碎。
转子为笼形的离心式气流分级机习惯上称为涡流空气分级机或涡轮式气流分级机，为第三代动态空气分级机，其突出特点是采用二次风作为分散方式，这种类型分级机的型号繁多，其中之一的结构如图4-77所示。
图4-77 涡流空气分级机结构示意图
1—立轴；2—撒料盘；3—转笼；4—导流叶片；5—蜗壳；6—锥形排料斗
气流从两个平行对称的进风口切向进入分级机的涡壳中，并沿螺旋形蜗壳经环形安置的导流叶片进入转笼外边缘和导流叶片内边缘之间的环形空间。由于风机的抽吸作用，在转笼中心部位形成负压，使进入该环形空间的气流除具有切向速度外，还具有指向轴心的径向速度。这股气流将绝大部分进入转笼，并在转笼中心处作90°转弯沿轴向折向排出管流出。
待分级的物料经上部给料口撒落到撒料盘上经分散后，在重力的作用下进入到环形区，随气流被负压抽吸带到转笼外边缘附近，此时物料颗粒同时受到气流切向分速度给予的离心惯性和气流径向分速度给予的向心阻力的作用，物料产生分级。细颗粒随气流排出，经集粉器收集，粗颗粒与蜗壳壁相碰后，一边旋转一边下降落入底部的锥形排料斗排出。
影响涡流空气分级机分级性能的主要结构因素有撒料盘结构、环形区宽度、转笼叶片间距等。涡流空气分级机的主要操作参数包括进料速度、转笼转速、风量；当分级机结构尺寸确定后，在分级过程中，通常调整这三个参数，以达到不同的分级目的。涡流空气分级机的分级粒度一般为0.5～60μm，转笼的转速为500～7000r/min，处理能力为0.5～6000kg/h。
92.风力跳汰机的结构如何？
图4-78是简单的风力跳汰机，机中有两段固定的多孔分选筛面。由鼓风机送来的空气通过旋转闸门间断地通过筛板，形成鼓动气流。待分选的物料由筛板的一端给入，在气流的推动下间断松散悬浮，并随之按密度发生分层。在第一段筛板上分出密度最大的高密度产物，选出的密度低一些的产物进入第二段筛板，进一步分选出低密度产物和中等密度的产物。整个跳汰机由特制的罩子封闭，分层情况从侧面观察孔探视。
图4-78 简单的风力跳汰机结构示意图
1—上罩；2—筛板；3—旋转闸门；4—排料滚轮
应用较为广泛的风力选煤设备是美国R·S公司的斯坦普风力跳汰机（见图4-79）。
图4-79 斯坦普风力跳汰机结构示意图
斯坦普风力跳汰机的工作原理与鲍姆跳汰机相似，原煤从跳汰机一端给到摇动的倾斜筛板上，空气从下部风室脉动地给至筛板下，穿过人工床层使气流均匀分布，原煤在筛板上受脉动气流和机械摇动的作用逐渐分层，高密度矸石在最下层，由三个排矸口排出，中煤和精煤分别从筛板末端排出，整个跳汰机密封除尘，在负压下工作。
93.风力摇床的结构是怎样的？
1905年塞顿等首次设计出了风力摇床，并于1916年在美国开始用于分选烟煤。俄罗斯作为世界上应用干法选煤生产规模最大的国家之一，采用的主要分选设备也是风力摇床。
风力摇床的结构与湿法分选使用的摇床类似，只是在风力摇床上借助连续上升或间断上升的气流推动矿粒松散，从而发生分层。这种设备在风力分选中应用比较广泛，类型也比较多，主要用来处理粗粒级煤，也常用于分选某些金属矿石和稀有金属砂矿。
（1）欧斯玻-100型风力摇床 图4-80是前苏联生产的欧斯玻-100型风力摇床的结构简图。整个床面沿纵向被分成四段，每段分别铺设粗糙的多孔板，孔径为1.5～3mm，在多孔板表面按图示方向布置床条。床面由传动机构带动作往复运动。为了保持床层有一定的厚度，在床面的纵边和横边均设有挡条。压缩空气由下部通过软管给到床面，并用节流阀控制其流量。
图4-80 欧斯玻-100型风力摇床
1—运动床面；2—支承杆；3—摇床工作面；4—床条；5—空气导管；6—传动机构
待分选物料从床面低的一端给入，在床面不对称的往复运动推动下，向高的一端运动。借助连续或间断鼓入的气流推动，床层呈松散悬浮状态，并随之发生分层。分层后位于上层的低密度颗粒沿着床面的横向倾斜从侧边排出；而进入底层的高密度颗粒则被床条阻挡，运动到床条末端排出。
（2）УШ-3型风力摇床 俄罗斯的УШ-3型风力摇床是采用连续上升气流的摇床，在选煤厂中用来处理粗粒级原煤，其构造如图4-81所示。
图4-81 УШ-3型风力摇床的结构
1—可动床面；2—支架；3—传动装置架；4—弹簧；5—床面各部分；6—筛板；7—床条；8—导管；9—闸门；10—手柄；11—传动装置；12—减速器；13—电动机；14—调节轴杆；15—槽子；16—半面可动床面
这种风力摇床的床面支承在刀状支架上，床面在纵向分成两半，每一半又分成三段，所以床面由六部分组成。床面各部分上盖有筛孔为3mm的筛板，筛板上安有和摇床纵轴成15°角的梯形床条。每个床条的高度由传动端向精矿端逐渐降低。从最外侧的床条起，各个床条的高度，也是逐渐降低。摇床床面的两个半面都分别向外侧往下倾斜，而整个床面由传动端向尾端升高。
空气由导管送至摇床各部分，用手柄通过杠杆拉动闸门，可以调节给入的空气量。传动机构由电动机带动，并通过偏心连杆推动床面作往复运动。床面的摇动次数可以用变速轮来调节。
入选原煤从传动端给到床面上，在床面的不对称往复运动的作用下，在床条间运动。在气流的作用下，精煤移至物料层的上层，并向床面的两侧移动。矸石不能被气流吹起，在床条间向尾端移动，产物在床面上的分布情况如图4-82所示。
图4-82 风力摇床产物在床面上的分布图
94.FX型风力干选机的结构是怎样的？
我国于1992年在引进俄罗斯生产技术的基础上，改进生产了图4-83所示的FX型风力干选机，其分选原理如图4-84所示。入选原煤的粒度范围为6～80mm，水分可达到9％，处理能力为10t/m2左右。
图4-83 FX型风力干选机的结构
图4-84 FX型风力干选机分选原理
FX型风力干选机的床面为矩形，上有10条格板，构成11条平行凹槽。床面纵向由排料端至入料端向上倾斜，横向是向排料侧往下倾斜。原煤从干选机入料端给入凹槽，在摇动力和底部上升气流作用下，细粒物料和空气形成分选介质，产生一定的浮力效应，使低密度煤浮向表层。由于床面有较大的横向坡度。床面上的煤在重力作用下，越过平行凹槽经受多次分选。逐渐移至排料侧排出。沉入槽底的矸石从床面末端排出。
山东龙口矿业北皂煤矿于1998年8月建成投产了国内生产规模最大的第一座采用FX-12型干选机的干法选煤厂，年处理能力1.5×106t，采用的生产工艺见图4-85。
图4-85 北皂煤矿FX-12型干选机系统设备联系图
该生产工艺较为简单，比相同生产能力的湿法选煤厂投资低1/3左右，产品水分低，适应性强，占地面积小，运行成本低，采用两段除尘工艺和负压操作，排入大气的气体含尘量<150mg/m3。采用这一工艺可有效地剔除8～80mm粒级入选原煤中的矸石，精煤灰分较原煤降低了5％～8％。
95.FGX型复合式干选机的结构是怎样的？
图4-86是中国于1989年研制的FGX型复合式干选机，它利用空气和入选煤中所含的0～6（3）mm细粒煤作为自生介质，组成气固两相混合介质进行分选。这种设备借助机械振动使分选物料作螺旋翻转运动，形成多次分选，充分利用逐渐提高的床层密度所产生的颗粒相互作用的浮力效应而进行分选。设备的处理能力为7～10t/m2，入料水分要求<7％，入料粒度为6～60mm，依靠振动电动机振动，冲程<10mm，冲次为980次/min。FGX-12型干选机的电动机安装功率为22kW。
图4-86 FGX系列复合式干选机的结构示意图
这种设备的分选过程是，给料机把物料送入纵向和横向坡度可调的分选床（由带鼓风孔的床面、反复推送物料的背板、可产生螺旋运动的格条和控制产品质量的格板组成）；振动电动机带动分选床振动；由于床面呈一定角度，加之床面格条的作用，导致物料向背板方向旋转，作螺旋式运动；随着床面宽度的减小，上层物料依密度由小到大逐次排出。
96.FXg型风力干式分选机的结构是怎样的？
FXg型干选机的结构和激振器如图4-87和图4-88所示。与FX型风力干选机比较，这种干式分选机的激振器和床面结构进行了一些改进。
图4-87 FXg型风力干式分选机的结构简图
图4-88 FXg型风力干选机的激振器结构图
FXg型干选机采用同步带传动差动激振器，由一条同步带带四根轴，轴上装有两对偏心块，产生差动运动，其工作原理与直线振动筛的激振器、悬挂式摇床的床头相似。
FXg型干选机工作时，可根据煤质情况灵活调节冲程（调节范围为12～24mm）和冲次（调节范围为250～400次/min）。由于冲程大且采用了差动运动，FXg型干选机的处理能力可达10t/m2以上，比同类风力分选机的单位面积处理能力高2～5t，同时，采用同步带传动也明显降低了噪声。
另外，FXg型干选机的床面采用悬挂式支撑（见图4-87），显著降低了设备自身的质量，大幅度降低能耗。
97.风力尖缩溜槽的结构是怎样的？
风力尖缩溜槽是一种与湿式尖缩溜槽结构类似的风选设备，由英国瓦伦·斯普林（Warren Spring）试验室研制成功，其结构如图4-89所示。
图4-89 风力尖缩溜槽
风力尖缩溜槽的槽面由微孔材料制成，槽面下面有一个空气室。低压空气由槽的一端引入，通过多孔表面向上流动。原料从槽的上端给入，在气流吹动下形成沸腾床，在沿槽面向下运动中发生分层。分层后的低密度和高密度矿物从槽末端排出时利用分隔板分开。
风力尖缩溜槽亦可像湿式尖缩溜槽那样，由多个单溜槽拼成圆锥面工作。一台直径1.7m的组合溜槽处理能力可达15～30t/h。
98.空气重介质流化床分选机的结构是怎样的？
固体颗粒本身没有流动性，若采取某种措施使颗粒像流体一样呈流动状态，这种操作过程就称为固体颗粒流态化。呈稳定悬浮状态的固体颗粒群及其中的气流作为一个整体称为流化床，其系统主要由气体分布器、床体、流化床层、内部构件等组成，有的还辅以外来能量（如振动力、磁场等）。气-固两相流化床在一定气流速度下的鼓泡床阶段具有流体的特性，具体表现为：
（1）两连通床层能自动调整至同一水平面；
（2）当容器倾斜时，床层上表面仍保持水平；
（3）床层中任意两点压强差大致等于此两点间的床层静压头；
（4）具有像流体一样的流动性，如在容器壁上开孔，颗粒将从孔口流出；
（5）小于床层密度的物体将浮于床面，反之，则沉于床底，基本符合阿基米德定律。
适合于矿物，特别是煤炭分选的气固两相流化床，要求床层密度在三维空间均匀稳定，固相加重质宏观返混小。这就要求流化床要在低流化数气速下操作、在加重质粒度级配合理的微泡状态下工作，以充分发挥其分选特性。因此，适用于矿物（煤炭）分选的流化床是浓相高密度流化床。
空气重介质流化床分选的原理，与湿式重介质分选原理相类似，其床层分选密度由流化床层的孔隙率、固相加重质的密度决定。对选煤来说，其可在500～2300kg/m3内任意调节。
图4-90是中国矿业大学研制的50t/h空气重介质流化床干法分选机的示意图。设备工作时，入选原煤（6～50mm）经振动给料机进入分选空间，在均匀稳定的流化床中，入选物料按床层密度分层，低密度物料（精煤）上浮，高密度物料（煤矸石）下沉。无级刮板输送机分别将浮物和沉物排出机外，完成分选过程。
图4-90 空气重介质流化床干法分选机示意图
1—尾煤；2—除尘口；3—50～6mm入选煤；4—加重质；5—输送链；6—精煤；7—气体分布器