第四节　固体废弃物的分选

固体废弃物的分选对于固体废弃物的资源化、无害化具有重要的意义。固体废弃物的分选就是将固体废弃物中各种有用资源或不符合后续处理、处置工艺要求的废弃物组分采用人工或机械的方法分门别类地分离出来的过程。它是根据废弃物组分中各种物质的粒度、密度、磁性、电性、光电性、摩擦性、弹性以及表面润湿性的不同而进行分选的，目的是将有用的成分分选出来加以利用，将不利于后续处理的成分分离出来，防止损坏处理处置设施或设备。常见固体废弃物分选技术及其应用范围见表3-1。

表3-1　常见固体废弃物分选技术及其应用范围

一、基本原理

为了从一种混合物中将各种纯净物质选别出来，分选过程可以按两级识别（两个排料口）或按多级识别（两个以上排料口）来确定。例如，一台能够选别铁磁性金属的磁选机是两级分选装置，而一台具有一系列不同大小筛孔、能够分选出若干种产品的筛分机是一种多级分选装置。

1.两级分选机

两级分选机和多级分选机流程如图3-28所示。在两级分选机中，给入的物料是由X和Y组成的混合物，X、Y为需要选别的物料。

图3-28　两级分选机和多级分选机流程

单位时间内进入分选机的X物料和Y物料的量分别为X₀和Y₀；单位时间内X物料和Y物料从第一排料口排出的量分别为X₁和Y₁；从第二排料口排出的量为X₂和Y₂。假定要求该分选机将X物料选入第一排料口，将Y物料选入第二排料口。如果该分选机的分选效率足够高，则全部X物料都通过第一排料口排出，全部Y物料都通过第二排料口排出。实际上这是不大可能达到的。从第一排料口排出的物料流中，会含有部分Y物料，而从第二排出口排出的物料流中，会含有部分X物料。因此，分选效率可以用回收率来表示。在第一排料口的物流中，X物料的回收率以（%）表示，其定义为

（%）=×100　　　（3-1）

同样在第二排料口的物流中，Y物料的回收率（%）可用式（3-2）表示。

（%）=×100　　　（3-2）

由于物料流保持质量平衡，X₀=X₁+X₂，因此

（%）=×100　　　（3-3）

仅用回收率不能说明分选效率，因为如果当一台两级分选机进行分选达到X₂=Y₂=0，则虽然此时X物料的回收率达到100%，但是它根本没有进行分选。因此需要引入第二个工作参数，通常用纯度来表示。

=×100　　　（3-4）

式中，为X物料从第一排料口排出的纯度， %。

一般来说，为了全面而精确地评价两级分选机的分选性能，需要用回收率和纯度这两个参数。不过在有些情况下例外，例如筛分机要测定不同粒度的物料的回收情况，则回收率就等于纯度，因为某一级粒度必然透过筛孔，而不可能含有尺寸更大的成分。

2.多级分选机

有两类多级分选机。第一类多级分选机，其给料中只有X和Y两种物料，分选机有两个以上的排料口，每一排料口中都有X和Y两种物料，但含量不同，这时第一排出口物流中X物料的回收率和纯度的表达式同上。在第m个出料口中，X物料的回收率（%）为

（%）=×100　　　（3-5）

第二类多级分选机是最常用的，进料中含有几种成分（X₁₀，X₂₀，X₃₀，…， X_n0），在第一排出物流中，X₁₁是物料X₁进入第一排出物流中的一部分；X₂₁是物料X₂进入第一排出物流中的一部分。以此类推，因此物料X₁在第一排出物流中的回收率（%）为

（%）=×100　　　（3-6）

在第一排出物流中X₁的纯度（%）是

（%）=×100　　　（3-7）

3.分选效率

由于用回收率和纯度来评价一台分选机的工作性能在实用中不方便，因此，不少人致力于寻求一种单一的综合指标。雷特曼（Riteman）提出综合分选效率这一参数。对于给料中含有X和Y两种物料的两级分选过程来说，其定义的综合分选效率E_（X，Y）（%）为

E_（X，Y）（%）=×100=×100　　　（3-8）

瓦德（Worrell）提出另一种方法，同样也能得出评价两级分选机性能的综合分选效率，即综合分选效率等于第一排出物流中X的回收率与第二排出物流中Y的回收率的乘积，其计算公式如下。

E_（X，Y）（%）=××100　　　（3-9）

二、手工拣选

从废弃物堆中将有用物品分拣出来，最简单、历史最悠久的方法就是手工拣选。美国第一座手工拣选厂是科拉内尔·瓦林（Colonel Waring）于1898年为纽约城建立的。该厂对收集到的116000人所产生的废弃物进行手工拣选，在两年半的时间内约回收了37%的物品。

手工拣选有两个主要功能：一是可以回收任何无需加工的有价值的物品，一般是硬纸板、成捆报纸、大块金属（混凝土钢筋等）；另一个功能是可以清除所有可能引起处理系统发生危险的物品，如垃圾中可能引起爆炸及不宜进破碎机破碎的物品。

对于手工拣选，确定选别程序和识别标志是很容易的。可以根据颜色、反射率和不透明度等性质来识别（制定选别程序）各种物料；可以凭感觉来检查物料的密度，最后用手拣出（分类）物料。手工拣选通常在第一级机械处理装置（一般是破碎机）的给料皮带输送机上进行。输送机的皮带将物料均匀地送入破碎机，拣选者就站在皮带的两侧，将要拣出的物料拣出。经验表明，一名拣选工人每小时约可拣出0.5t物料。供拣选的给料皮带，如果是单侧拣选，皮带宽应不超过60cm；如果是两侧拣选，宽度可定为90～120cm。皮带运动速度不大于9m/min，可根据拣选工人的数量来定。把垃圾进行固体燃料化，加工成热值更高、更稳定的燃料的处理法得到了一定的应用。

手工拣选最好在白天进行。人工照明尤其是荧光灯照明，由于光谱较窄，使拣选工人难以识别各种物料。如果不能在室外进行，应该利用大的天窗采光。

三、筛分

筛分操作可将生活垃圾按其组成的颗粒粒度进行分选，是垃圾预处理过程的重要方法。

筛分是利用混合固体的粒度差异，使固体颗粒在具有一定孔径的筛网上振动，把可以通过筛孔的和不能通过筛孔的粒子群分开的过程。该分离过程可看作是由物料分层和细粒透过筛子两个阶段组成的。物料分层是完成分离的条件，细粒透过筛子是分离的目的。一个有均匀筛孔的筛子，只允许较小的颗粒透过筛孔，而将较大的颗粒排除。一个颗粒，如果至少有两个尺寸小于筛孔尺寸，它就能够透过筛孔。

为了表示筛分物料颗粒的大小，习惯上用平均直径，即颗粒的长、宽、厚的平均直径表示。筛孔的大小可用筛目和孔眼的直径表示。国际标准筛目是25.4mm长度上的筛孔数，简称目。例如国际标准筛200目是指25.4mm长度上有200个筛孔，每个筛孔的直径是0.075mm。

在资源回收过程中，筛分一般安排在最后作业之前，而且主要用来分离玻璃，因为经过后续作业，玻璃会碎裂成细小颗粒。筛分也可用来从经过破碎的废弃物中回收很大一部分有机物（如食物垃圾），以及作为资源回收工厂处理前的粗清理作业。通过一道筛分，可以破碎和分离大部分玻璃，这样对于减少以后的破碎机的磨损很有好处。

1.筛分原理

（1）筛分过程

松散废弃物的筛分过程分两个阶段：第一阶段是易于穿过筛孔的颗粒，通过不能穿过筛孔的颗粒所组成的物料层到达筛面；第二阶段是易于穿过筛孔的颗粒透过筛孔。为了使粗细物料通过筛面分离，必须使物料和筛面之间具有适当的相对运动，一方面使筛面上的物料层处于松散状态，即按颗粒大小分层，形成粗粒位于上层、细粒位于下层的规则排列，细粒到达筛面并透过筛孔；另一方面物料和筛子的运动能使堵在筛孔上的颗粒脱离筛面，有利于细粒透过筛孔。

细粒透筛时，尽管粒度都小于筛孔，但它们透筛的难易程度却不同。实践表明，粒度小于筛孔3/4的颗粒，很容易通过粗粒形成的间隙到达筛面而透筛，称为“易筛粒”；粒度大于筛孔3/4的颗粒，很难通过粗粒形成的间隙到达筛面而透筛，而且粒度越接近筛孔尺寸就越难透筛，称为“难筛粒”。

筛分过程是许多复杂现象和因素的综合，可用颗粒通过筛孔的可能性即筛分概率说明。

假设某球形渣粒直径为d，筛孔（正方）边长为L，且L>d，渣粒投到筛面上的次数有n次，其中m次透过筛孔，则透过筛孔的频率是m/n，当n很大时频率可以稳定在一个常数P附近，这个稳定值就叫作筛分概率。

P=　　　（3-10）

可以设想，有利于球形渣粒透过筛孔的次数与面积（L-d）²成正比，而渣粒投到筛孔上的次数与筛孔的面积L²成正比，因此，渣粒透过筛孔的概率就决定于这两个面积的比值。

P==　　　（3-11）

渣粒被筛丝阻碍不能透过筛孔的概率值等于（1-P）。

事件出现的概率为P时，如其出现需要重复N次，则概率P与N成正比，即

P=　　　（3-12）

在这里，N值是指渣粒透过筛孔的概率为P时必须与渣粒相遇的筛孔数目。可见筛孔数越多，渣粒透过筛孔的概率越小。

考虑到筛丝直径对筛分概率的影响，式（3-11）可以写成

P==×　　　（3-13）

式中，a为筛丝直径。

此式表明，筛孔越大，筛丝和颗粒直径越小，渣粒透过筛孔的可能性越大。

（2）筛分效率

筛分效率是筛分时实际得到的筛下产物的质量与入筛废物中粒度小于筛孔尺寸的物料的质量比，用公式表示为

ε=×100=×10⁴　　　（3-14）

式中，ε为筛分效率， %；Q₁为筛下垃圾质量，kg；Q为入筛垃圾质量，kg；α为入筛废物中小于筛孔尺寸的颗粒的质量分数， %。

但是，在实际筛分过程中要测定Q₁和Q是比较困难的，因此必须变换成便于计算的形式。

设固体废弃物入筛质量（Q）等于筛上产品质量（Q₂）和筛下产品质量（Q₁）之和，即

Q=Q₁+Q₂　　　（3-15）

固体废弃物中小于筛孔尺寸的细粒质量等于筛上产品质量与筛下产品中小于筛孔尺寸的细粒质量之和，即

Qα=100Q₁+Q₂θ　　　（3-16）

式中，θ为筛孔上产品中小于筛孔尺寸的细粒质量分数， %。

将式（3-15）代入式（3-16）得

Q₁=　　　（3-17）

将式（3-16）代入式（3-14）得

ε=×10⁴　　　（3-18）

必须指出，式（3-18）是在筛下产品100%都是小于筛孔尺寸的前提下推导出来的。实际生产中由于筛网磨损而常有部分大于筛孔尺寸的粗粒进入筛下产品，此时，筛下产品不是100% Q₁，而是Q₁β，式（3-18）改写为

ε=×100　　　（3-19）

式中，β为筛下产品中小于筛孔尺寸的产品含量， %。

不同类型筛分设备的筛分效率比较见表3-2。

表3-2　不同类型筛分设备的筛分效率比较

（3）影响因素

影响筛分效率的因素很多，主要包括入选物料性质、筛子结构和筛子的运动情况。

① 入选物料性质对筛分效率的影响　废弃物的颗粒粒度会影响其筛分效率。废弃物中易筛颗粒越多，筛分效率越高；而粒径接近于筛孔尺寸的颗粒越多，筛分效率越低。

废弃物的含水量和含泥量也会影响其筛分效率。在筛分过程中，水分会以薄膜状布满渣粒表面，且水量大部分集中在细小粒级中。渣粒由于含水，彼此间产生凝聚力结成粒团，会使筛分效率降低。但在筛孔较大的情况下，水分对筛分效率的影响就会减小，使得城市垃圾采用半湿式筛分成为可能。有些废弃物的筛分，当水分达到一定量时其黏滞性反而消失，形成泥浆，在此情况下，水分会促进废物通过筛孔，不过此时的筛分已属于湿式筛分。

废弃物的颗粒形状对筛分效率的影响也很大。多面粒子和球形粒子最易筛分；对于片状或条状废物，它们容易在筛子振动时转到物料上层，故而难以透过方孔或圆孔，但较易透过长方孔。

② 筛子结构对筛效率的影响　筛子的筛面通常有钢条筛、钢板冲筛和钢丝筛3种。它们的有效面积越大，筛孔占的面积越大，筛分效率越高，但筛子的寿命比较短。

圆形筛孔的筛分效率低于同样尺寸的方形筛孔，方形筛孔筛面有效面积较大，筛分效率较高，在筛分含水率高的废弃物时不易堵塞，但筛下产物不均匀。

筛孔尺寸越大，单位筛网的生产效率越高，筛分效率也越高。不过筛孔的大小取决于筛分的目的和要求。当希望筛上产物含有尽量少的小于筛孔的细末时，应采用较大筛孔，当希望筛下产物中尽可能不含有大于规定粒度的颗粒时，筛孔不宜过大。

③ 筛子的运动情况对筛分效率的影响　同一种废物采用不同筛子筛分时可以得到不同效果。实践表明，固定筛的筛分效率低于振动筛。同一种筛体的运动，采用振动方式时，筛分效率高，采用摇动方式时，则筛分效率低。同一筛体采用同一种运动方式时，其筛分效率又随筛子运动强度不同而有差别。筛子运动强度大，有利于废弃物的分散和透过筛孔，但运动强度过大，又会使废弃物运动较快，减少透过筛孔机会，筛分效率降低。

（4）筛分操作的分类

根据操条件，筛选可分为湿筛和干筛2种操作，固体废弃物筛选常用干筛。根据使用目的，筛分又分为检查筛分、准备筛分、预先筛分、独立筛分、脱水或脱泥筛分、选择筛分，见表3-3。

表3-3　筛选分类

2.筛分设备

为了适应城市垃圾中各种有用成分的要求，一套分选装置是由各种分选机械组成的综合体。目前国内外采用较多的筛分设备如下。

（1）固定筛

筛面由许多平行排列的筛条组成，可以水平安装或倾斜安装。固定筛由于构造简单、不耗用动力、设备费用低和维修方便，在固体废弃物处理中得到了广泛应用。

固定筛又分为格筛和棒条筛。格筛一般安装在粗破碎机之前，以保证入料块度适宜。棒条筛主要用于粗碎和中碎之前，为保证废弃物沿筛面下滑，安装角应大于废弃物对筛面的摩擦角，一般为30°～35°。棒条筛筛孔尺寸为筛下粒度的1.1～1.2倍，一般筛孔尺寸不小于50mm。筛条宽度应大于废物中最大粒度的2.5倍，长度等于宽度的2倍。条形筛结构简单，不需动力，但容易堵塞，需要经常清扫。安装要求高差大，筛分效率不高（仅60%～70%）。

（2）筒形筛

筒形筛是一个倾斜的圆筒，置于若干滚子上，圆筒的侧壁上开有许多筛孔，如图3-29所示。圆筒以很慢的速度转动（10～15r/min），因此不需要很大动力，这种筛的优点是不会堵塞。筒形筛筛分时，废物在筛中不断滚翻，较小的物料颗粒最终进入筛孔筛出。为使废物在筒内沿轴线方向前进，筛筒的轴线应倾斜3°～5°安装。固体废弃物由筛筒一端给入，被旋转的筒体带起，当达到一定高度后因重力作用自行落下，如此不断地做起落运动，使小于筛孔尺寸的细粒透筛，而筛上产品则逐渐移到筛的另一端排出。

图3-29　筒形筛

物料在筛子中的运动有2种状态，如图3-30所示。沉落状态是物料颗粒由于筛子的圆周运动被带起，然后滚落到向上运动的颗粒上面。抛落状态是筛子运动速度足够时，颗粒飞入空中，然后沿抛物线轨迹落回筛底。

图3-30　筒形筛中物料的运动状态

当筛分物料以抛落状态运动时，物料达到最大的紊流状态，此时筛子的筛分效率达到最高。如果筒形筛的转速进一步提高，会达到某一临界速度，这时粒子呈离心状态运动，结果使物料颗粒附在筒壁上不会掉下，使筛分效率降低。

筛分效率与圆筒筛的转速和停留时间有关，一般认为物料在筒内滞留25～30s，转速以5～6r/min为最佳。例如，直径为1.2m、长1.8m、转速为18r/min的筒形筛，生产率为2t/h时，效率为95%～100%；生产率达到2.5t/h时，效率下降为90%。另外，筒的直径和长度也对筛分效率有很大影响。

旋转圆筒中的颗粒的运动将受到其他颗粒的影响。Rose和Sullivan对这种运动进行了分析。筒形筛转速与临界转速之比和固体废弃物占筛子容积比例之间的关系如图3-31所示。固体废弃物占筛子容积的比例用F表示（包括颗粒与颗粒间空隙）。注意，如果筛子完全充满（F=1.0），当筒形筛转度低于临界速度时，只能发生沉落状态（没有空间供颗粒落下）。如果F较小，在筒形筛转速低于临界速度时，有可能发生抛落状态。在极限情况下，即筛子中只有一粒颗粒时，由于无颗粒之间的相互影响，即使低转速时，也能发生抛落状态运动。

图3-31　筒形筛转速与临界转速之比和固体废弃物占筛子容积比例之间的关系

（3）振动筛

振动筛在筑路、建筑、化工、冶金和谷物加工等领域得到了广泛应用。振动筛的特点是振动方向与筛面垂直或近似垂直，振动次数为600～3600r/min，振幅为0.5～1.5mm。物料在筛面上发生离析现象，密度大而粒度小的颗粒钻过密度小而粒度大的颗粒的空隙，进入下层到达筛面，大大有利于筛分的进行。振动筛的倾角一般在8°～40°之间。振动筛由于筛面强烈振动，消除了堵塞筛孔的现象，有利于湿物料的筛分，可用于粗、中、细粒的筛分，还可用于振动和脱泥筛分。

振动筛主要有惯性振动筛和共振筛。

① 惯性振动筛　这种筛分机是通过由不平衡体的旋转所产生的离心惯性力，使筛箱产生振动的一种筛子，其构造及工作原理如图3-32所示。当电动机带动皮带轮做高速旋转时，配重轮上的重块即产生离心惯性力，其水平分力使弹簧发生横向变形，由于弹簧横向刚度大，所以水平分力被横向刚度吸收。而垂直分力则垂直于筛面，通过筛箱作用于弹簧，强迫弹簧做拉伸及压缩运动。因此，筛箱的运动轨迹为椭圆或近似于圆。由于该种筛子激振力是离心惯性力，故称为惯性振动筛。

图3-32　SZ型惯性振动筛构造及工作原理示意

1—筛箱；2—筛网；3—皮带轮；4—主轴；5—轴承；6—配重轮；7—重块；8—板簧

② 共振筛　共振筛是利用连杆上装有弹簧的曲柄连杆机构驱动，使筛子在共振状态下进行筛分。其构造及工作原理如图3-33所示。

图3-33　共振筛构造及工作原理示意

1—上机体；2—下机体；3—传动装置；4—共振筛；5—板簧；6—支撑弹簧

当电动机带动装置在下机体上的偏心轴转动时，轴上的偏心使连杆做往复运动。连杆通过其端的弹簧将作用力传给筛箱，与此同时下机体也受到相反的作用力，使筛箱和下机体沿着倾斜方向振动。筛箱、弹簧及下机体组成一个弹性系统，该弹性系统固有的自振频率与传动装置的强迫振动率接近或相同时，使筛子在共振状态下筛分，故称为共振筛。共振筛具有处理能力大、筛分效率高、耗电少及结构紧凑等优点，是一种有发展前途的筛分设备；但其制造工艺复杂，机体笨重，橡胶弹簧易老化。

共振筛的应用很广，适用于废弃物中的细粒的筛分，还可用于废弃物分选作业的脱水、脱泥重介质和脱泥筛分。

（4）卧式旋转滚筒筛网

这种卧式旋转滚筒筛网实际上是一种半湿式破碎兼分选的装置。如图3-34所示，它由2种孔径不同的旋转滚筒筛网和与此筛网对应的以不同速度旋转的2种挠板组成。运转时从中轴方向将垃圾投入滚筒，投入的垃圾进到第一段旋转滚筒后，那些不耐冲击的厨余物、砂土、玻璃等首先被转筒内旋转挠板破碎，并经过第一段筛网排出。剩下的垃圾则随着滚筒向前推进，使其加湿，并用挠板冲打，切断破碎。加湿变软的纸类等从第二段筛网有选择地排出。最后剩下延展性很大的金属、塑料等则从滚筒后端排出。

图3-34　卧式旋转滚筒筛网

在日本已建成的一些垃圾处理场中，这种分选机用得较多。这种装置有以下特点。

① 以小的动力进行运转，可同时进行破碎、分选。

② 通过第一段旋转筒，将垃圾中的厨余物有选择地分选出来，可作为堆肥或用于沼气发酵的原料。

③ 去掉厨余物后，能有选择地回收纸类，这对以后的回收利用工艺有利，可减轻水处理的负担，且提高了所回收的纸类的量。

④ 随着工业的发展，城市生活垃圾中塑料越来越多，而塑料在这种分选装置中最后全都排出旋转滚筒之外，有待进一步回收。

⑤ 当投入的垃圾组成上有所变化或以后的处理系统另有要求时，则需要改变分选条件（如向滚筒内投送垃圾的速度，挠板和滚筒间的相对转速）或改变滚筒长度、挠板段数、筛网孔径等设备构造部件的尺寸，以适应其变化情况。

⑥ 这种装置与以全破碎为目的的旧式破碎机不同，所分选出的金属、橡胶、皮、布、塑料等大都接近原来大小，从滚筒后端排出，故挠板磨损小。

⑦ 这种装置有防护设备，可避免长布条等缠住旋转轴，使破碎机发生故障，也不需要操作完毕后人工清除条带物，因而可减轻维修量。

⑧ 如发现装置有超负荷现象时，可减少挠板和滚筒的相对速度或使之同步，便可较容易地将超负荷因素（金属块等）排出机外。又挠板的弱点支柱定位点，易在过大状态时剪断，采用操作控制方式和弱点支柱双重安全装置。这种装置在实际运转中，每1～2周应对弱点支柱进行一次检查。

⑨ 这种装置属于低速型，比高速型破碎机振动和噪声都小，回收纸类所加水分被垃圾100%吸收，故此装置无排水。

四、重力分选

重力分选简称重选，是利用混合固体在介质中的密度差进行分选的一种方法。不同固体颗粒处于同一介质中，其有效密度差增大，从而为具有相同密度的粒子群的分离创造了条件。固体的颗粒只有在运动的介质中才能分选。重力分选介质可以是空气、水，也可以是重液（密度大于水的液体）、重悬浮液等。以空气为介质而进行分选的叫风力分选；以重液和重悬浮液为介质而进行分选的叫重介质分选。对于矿物废渣，大多数情况下是以水为介质进行分选。城市垃圾多是以空气为介质进行分选的。

1.重力分选原理

各种重力分选过程都是以固体渣粒在分选介质中的沉降规律为基础的。根据固体废弃物在分选介质中的沉降末速度的差异可以将其分离。

（1）垃圾颗粒在介质中的重力和介质阻力

垃圾颗粒（渣粒）在介质中的运动速度受自身重力和介质阻力二者的合力作用的影响。

① 重力　在重力分选过程中，固体渣粒处于介质中，其受到的重力是指渣粒在介质中的重量，其值可用式（3-20）表示。

G=V（δ-Δ）g　　　（3-20）

式中，G为渣粒在介质中的重力，10^-5N；V为渣粒的体积，cm³；δ为渣粒的密度，g/cm³；Δ为介质的密度，g/cm³；g为渣粒在真空中的重力加速度，cm/s²。

对于球形体，因其体积V=πd³/6，故在介质中受到的重力为

G=V（δ-Δ）g=（δ-Δ）g　　　（3-21）

式中，d为球体（渣粒）的直径，cm。做近似计算时，d代表矿物的粒度。

从上式可以看出，渣粒在介质中受到的重力随渣粒粒度和密度的增加而增加，随介质密度的增加而减小。

② 介质阻力　渣粒对介质做相对运动时，作用于渣粒上并与渣粒的相对运动方向相反的力，称为介质阻力，简称阻力。

Ⅰ.阻力通式。球形渣粒在介质中受到的阻力可用式（3-22）表示。

R=λd²v³Δ　　　（3-22）

式中，R为球形渣粒在介质中受到的阻力，N；λ为阻力系数；v为渣粒在介质中的运动速度，cm/s。

上式称为阻力通式，适用于各种不同的球体。

阻力系数λ的值在不同情况下是不相同的。它与表征介质流动状态的雷诺数（Re）有关（Re=dvΔ/μ），雷诺数是无因次量，可以用其数值大小来衡量液体流动状态。Re大时为紊流，Re小时为层流。如果需要求出介质阻力，需要知道阻力系数λ与Re之间的关系。前人通过试验已求出阻力系数和雷诺数之间的关系λ=f（Re）曲线。根据该曲线可以计算出不同粒度的渣粒在介质中受到的阻力。

Ⅱ.惯性阻力和黏性阻力。一般认为，介质作用于渣粒上的阻力有两种：惯性阻力和黏性阻力。当渣粒较大或以较大的速度运动时，会形成紊流产生阻力，称为惯性阻力；当渣粒较小或以较慢的速度运动时，会形成层流产生阻力，称为黏性阻力。

对于较大渣粒在介质中的运动，介质对渣粒所产生的惯性阻力可以用惯性阻力公式表示。

Re=d²v²Δ　　　（3-23）

式中，π/16为从λ=f（Re）曲线计算出的λ值。

由此可见介质的惯性阻力跟渣粒与介质的相对运动速度的平方、渣粒粒度的平方、介质的密度的平方成正比，而与介质的黏度无关。此式亦称牛顿阻力公式。它适用于粒度在1.5mm以上的渣粒，没有考虑介质的黏性阻力。对于粒度在0.2mm以下的渣粒，当其处于较小运动速度时，介质的阻力主要是黏性阻力，惯性阻力可以忽略不计。此时，球形渣粒在介质中运动所受的阻力可用黏性阻力公式表示。

R_N=3πdvμ　　　（3-24）

式中，R_N为介质的黏性阻力，N；μ为介质的黏度，10^-3Pa·s。

式（3-24）亦称斯托克阻力公式。它表明，介质的黏性阻力与渣粒粒度、渣粒与介质的相对运动速度、介质的黏度成正比，而与介质的密度无关。

渣粒在介质中做沉降运动时，形状和取向的影响可以通过形状系数加以考察。形状系数可以根据式（3-25）求出。

x=　　　（3-25）

式中，x为渣粒的形状系数；v_0矿为渣粒在介质中自由沉降末速度，cm/s；v_0球为与渣粒同体积、同密度的球体在介质中的自由沉降末速度，cm/s。

将式（3-25）代入式（3-22）、式（3-23）和式（3-24）中即可得出介质对渣粒沉降的阻力公式。

阻力通式　　R=λd²Δ　　　（3-26）

牛顿阻力公式　　R_N=d²Δ　　　（3-27）

斯托克阻力公式　　R_S=3πdμ　　　（3-28）

可见，形状系数小的渣粒介质阻力要大些，反之阻力就小些。表3-4为不同渣粒形状的形状系数。

表3-4　不同渣粒形状的形状系数

（2）渣粒在介质中的沉降速度

渣粒在介质中的沉降是重力分选的基本行为。密度和粒度不同的渣粒，将根据其在介质中沉降速度的不同而分离。当渣粒在介质中浓度比较小，沉降时受周围渣粒和器壁的干涉可以忽略不计时，称为自由沉降，反之称为干涉沉降。对于粒度大，沉降速度快的渣粒，在静止介质中沉降时，速度为零，介质对渣粒的阻力也为零。此时，渣粒在重力作用下做加速度沉降。随着时间的增加，渣粒的沉降速度和介质作用于渣粒的阻力都在增加，使沉降加速度迅速减少，最后减少到零。此时渣粒就以等速度沉降，这个速度叫做沉降末速度，通常以v₀表示。此时

G=R　　　（3-29）

亦即　　　　V（δ-Δ）g=λd²Δ　　　（3-30）

设渣粒为球体，则有　　　　（δ-Δ）g=d²Δ　　　（3-31）

解方程得　　　　v₀=51.1x　　　（3-32）

式中，v₀为沉降末速度，cm/s；其余参数意义同前。对于粒度小、沉降速度慢的渣粒，在静止介质中的沉降末速度可以按同样道理导出，即G=R时，

（δ-Δ）g=3πdμ　　　（3-33）

v₀=54.5x　　　

从式（3-32）和式（3-33）可知，在一种介质中渣粒的粒度和密度越大，沉降末速度越大；颗粒的形状系数大，沉降末速度也越大；对于粒度小、沉降速度慢的渣粒来说，其沉降速度还随介质黏度的增大而减小。

上述自由沉降末速度公式是在静止介质中的自由沉降条件下导出的，在实际重力分选过程中，渣粒是在运动的介质中按粒子群发生干涉沉降，其沉降末速度一般小于自由沉降末速度。

2.重力分选方法

固体废弃物的重力分选方法较多，按作用原理，可以分为风力分选、惯性分选、重介质分选、跳汰分选和摇床分选等。

（1）风力分选

风力分选简称风选，又称气流分选，是以空气为分选介质，在气流作用下使固体废弃物颗粒按密度或粒度进行分选的一种方法。气流分选实质包含了两种分离过程：a.将轻颗粒与重颗粒分离；b.进一步将颗粒从气流中分离出来。

目前，利用风力分选原理处理城市垃圾在国外已经得到广泛应用。不过决定固体颗粒沉降末速度的因素很多，除密度外，颗粒的大小、形状的差异也很重要，而城市垃圾大多具有这些差异，以致在风选时往往不能达到理想的分选目的。因此，城市垃圾风选不能作为垃圾处理的独立方法，必须与其他处理方法组合，作为处理系统中的一个单元。目前国外对于垃圾风选大多采用破碎+筛选+风选的联合流程。即便如此，也很难将各类物质按比重充分分开。鉴于这种状况，目前各国都是把风选作为城市垃圾有机成分和无机成分粗分的一种手段。

风力分选设备按气流吹入设备的方向可分为水平气流风选机（又称为卧式风力分选机）和上升气流风选机（又称为立式风力分选机），还有其他改进型分选机。

1）卧式风力分选机　如图3-35所示，该机从侧面送风，固体废弃物经破碎机破碎和滚筒筛筛分使其粒度均匀后，定量给入机内。当废弃物在机内下落时，被鼓风机鼓入的水平气流吹散，各种组分沿着不同运动轨迹分别落入重质组分、中重组分和轻质组分收集槽中。

图3-35　卧式风力分选机

分选城市生活垃圾时，当水平气流速度为5m/s时，在回收的轻质组分中废纸约占90%，重质组分中黑色金属占100%，中重组分主要是木块、硬塑料等。实践表明，卧式风力分选机最佳风速为20m/s。

卧式风力分选机构造简单，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工艺。

2）立式风力分选机　如图3-36所示，经破碎后的城市生活垃圾从中部给入风力分选机，物料在上升气流作用下，垃圾中各组分按密度进行分离，重质组分从底部排出，轻质组分从顶部排出，分选气流经旋风分离器进行气固分离。

图3-36　立式风力分选机

3）其他改进型气流分选机　为了使气流在分选筒中产生湍流和剪切力，提高分选效率，可对分选筒进行改进，采用锯齿型、振动式或回转型分选筒的气流通道。

① 锯齿型气流分选机分选精度较高。如图3-37（a）所示，沿曲折管路管壁下落的废弃物受到来自下方的高速上升气流的顶吹，可以避免直管路中管壁附近与管中心流速不同而降低分选精度的缺点，同时还可以使结块垃圾被曲折处高速气流吹散，因此提高了分选精度。曲折风路形状为Z字形，其倾斜度为60°，每段长度为280mm。

② 振动式气流分选机兼有振动和气流分选的作用，让给料沿着一个斜面振动，较轻的物料逐渐集中于表面层，由气流带走，如图3-37（b）所示。

③ 回转型气流分选机兼有滚筒筛的筛分作用和气流分选作用，当圆筒旋转时较轻颗粒悬浮在气流中被带往集料斗，较重的小颗粒则透过圆筒壁上的筛孔落下，较重的大颗粒则在圆筒的下端排出，如图3-37（c）所示。

图3-37　锯齿型、振动式和回转型气流分选机

（2）惯性分选

惯性分选是基于固体废弃物中各组分的密度和硬度差异而进行分选的一种方式。目前这种方式的实际应用主要是从垃圾中分选回收金属、玻璃、陶瓷等密度和硬度大的组分，剩下密度和硬度较小的物质多属于纸类、纤维、木质等材料，可用于堆肥或焚烧等能源化处理。

目前，根据惯性分选原理而设计并获得广泛应用的分选机械主要有反弹道滚筒分选机、斜板输送分选机等。

① 反弹道滚筒分选机　图3-38是反弹道滚筒分选机工作原理示意。废弃物受高速旋转滚筒的离心力作用，被抛射到一块回弹板上，回弹的颗粒由于其密度和硬度的差别而下落在不同的位置上，下落的颗粒落到第二个高速转动的滚筒上，其中具有弹性和非弹性的颗粒分别落入专设的集料斗中。

图3-38　反弹道滚筒分选机工作原理示意

② 斜板输送分选机　图3-39是斜板输送分选机工作原理示意。废弃物通过传送带从一定高度投到斜板输送带上，在重力作用下，密度较大、具有弹性的颗粒弹跳向下移动落入重料斗，轻的非弹性颗粒受向上移动的斜板的提升作用，被送到斜板的高端，然后自由下落到轻料斗。

图3-39　斜板输送分选机工作原理示意

（3）重介质分选

通常将密度大于水的介质称为重介质。在重介质中，使固体废弃物中的颗粒群按密度分开的方法称为重介质分选。为使分选过程有效地进行，需要选择重介质密度（ρ_C）介于固体废弃物中轻物料密度（ρ_L）和重物料密度（ρ_W）之间，即

ρ_L<ρ_C<ρ_W

凡颗粒密度大于重介质密度的重物料都下沉，集中于分选设备的底部成为重产物，颗粒密度小于重介质密度的轻物料都上浮，集中于分选设备的上部成为轻产物，它们分别排出，从而达到分选的目的。

重介质是由高密度的固体颗粒和水构成的固液两相分散体系，是密度大于水的非均匀介质。高密度固体颗粒起着加大介质密度作用，称为加重质。重介质应具有密度高、黏度低、化学稳定性好（不与处理的废物发生化学反应）、无毒、无腐蚀性、易回收再生等特性。

最常用的加重质有硅铁、磁铁矿等。作为重介质分选的硅铁含硅量为13%～18%，其密度为6.8g/cm³，可配置成密度为3.2～3.5g/cm³的重介质。硅铁具有耐氧化、硬度大、带强磁化性等特点。使用后经筛分和磁选可以回收再生。电炉刚玉废料也属于含硅铁的加重质。纯磁铁矿密度为5.0g/cm³，用含铁60%以上的铁精矿粉可配置使重介质密度达2.5g/cm³。磁铁矿在水中不易氧化，可用弱磁选法回收再生利用。

选择的加重质应具有足够大的密度，且在使用过程中不易泥化和氧化，来源丰富，价廉易得，便于制备与再生。一般要求加重质的粒度小于200目，占60%～90%，能够均匀分散于水中，容积浓度一般为10%～15%。

目前常用的重介质分选机，其构造和原理如图3-40所示。该设备外形是一圆筒转鼓，由4个辊轮支撑，通过圆筒腰间的大齿轮由传动装置带动旋转（转速2r/min）。在圆筒的内壁沿纵向设有扬板，用以提升重产物到溜槽内。圆筒水平安装。固体废弃物和重介质一起由圆筒一端给入，在向另一端流动过程中，密度大于重介质的颗粒沉于槽底，由扬板提升落入溜槽内，被排出槽外，称为重产物；密度小于重介质的颗粒随重介质流入圆筒溢流口排出，称为轻产物。

图3-40　重介质分选机构造和原理示意

1—圆筒形转鼓；2—大齿轮；3—辊轮；4—扬板；5—溜槽

（4）跳汰分选

跳汰分选是在垂直变速介质流中按密度分选固体废弃物的一种方法。它使磨细的混合废弃物中不同密度的颗粒群在垂直脉动介质中按密度分层，密度小的颗粒群位于上层，密度大的颗粒群（重质组分）位于下层，从而实现物料分离。在生产过程中，原料不断地进入跳汰装置，轻重物质不断分离并被淘汰掉，这样可形成连续不断的跳汰过程。跳汰介质可以是水或空气。目前用于固体废弃物分选的介质都是水。

图3-41为跳汰分选机工作原理示意，机体的主要部分是固定水箱，它被隔板分为二室：右为活塞室，左为跳汰室。活塞室中的活塞由偏心轮带动做上下往复运动，使筛网附近的水产生上下交变水流。在运行过程中，当活塞向下时，跳汰室内的物料受上升水流作用，由下往上升，在介质中呈松散的悬状态；随着上升水流的逐渐减弱，粗重颗粒就开始下沉，而轻质颗粒还可能继续上升，此时物料达到最大松散状态，形成颗粒按密度分层的良好条件。当上升水流停止并开始下降时，固体颗粒按密度和粒度的不同做沉降运动，物料逐渐转为紧密状态。下降水流结束后，一次跳汰完成。每次跳汰，颗粒都受到一定的分选作用，达到一定程度的分层。经过多次反复后，分层就趋于完全，上层为小密度的颗粒，下层为大密度的颗粒。

图3-41　跳汰分选机工作原理示意

跳汰分选的优点是能够根据密度的不同进行分选，而不必考虑颗粒的尺寸（在极限尺寸范围内）。

（5）摇床分选

摇床分选是细粒固体颗粒分选应用最为广泛的方法之一。所有现代结构摇床，如威尔夫列（wilfrey）摇床，床面均有来复条，各来复条之间有缝隙，来复条也与水流方向垂直。图3-42是摇床结构示意。

图3-42　摇床结构示意

摇床的床头机构由一个偏心轮与一根柔性连杆组成。床面的运动由于受到挡块的阻挡而突然停止。给料从倾斜床面的上端给入，在水流和摇动的作用下不同密度的颗粒在床面上呈扇形分布，从而达到分选的目的。

细小颗粒直接横向流过床面并排出，而每一冲程开始时的冲撞作用，通过床面使粗重颗粒产生斜向运动速度，从而向精料端运动。当摇床被挡块阻挡而突然停止时，粗重颗粒由于冲力而进一步做斜向运动。驱动轴与床面之间的柔性连杆可缓冲偏心轮的运动，然后慢慢将床面拉离挡块，从而完成一个循环。

固体颗粒在摇床床面上有两个方向的运动：在洗水水流作用下沿穿面倾斜方向运动；在往复不对称运动作用下由传动端向精料端运动。颗粒的最终运动为上述两个方向的运动速度的向量和。

床面上的沟槽对摇床和方向起着重要作用。颗粒在沟槽内呈多层分布，不仅使摇床的生产率物料的分层情况

加大，同时使呈多层分布的颗粒在摇动下产生析离，即密度大而粒度小的颗粒钻过密度小而粒度大的颗粒间的空隙，沉入最底层，这种作用称为析离。析离分层是摇床分选的重要特点。摇床来复槽中物料的分布情况如图3-43所示。小而重的颗粒（精料）处于来复槽的底部，大而重的颗粒在小而重的颗粒的上面，再上面是小而轻的颗粒，最后是大而轻的颗粒。之所以能形成这种分布，首先是由于颗粒在床面往复运动过程中，因密度不同而重新排列（由轻到重）；其次是小颗粒穿过密度相同而尺寸较大的颗粒之间的间隙的运动；来复条面上水流的流动在来复槽中形成许多小涡流，则是第三种作用。

图3-43　摇床来复槽中

来复条的高度从床头至床尾逐渐减小。因此，大而轻的颗粒由于最先失去来复条的支持而最早流出床面。然后是小而轻的颗粒，最后是小而重的颗粒在床面尾端排出。摇床分选出的产品见图3-44。

图3-44　摇床分选出的产品

综上所述，摇床分选具有以下特点：a.床面的强烈摇动使松散分层和迁移分离得到加强，分选过程中析离分层占主导，使其按密度分选更加完善；b.摇床分选是斜面薄层水流分选的一种，因此，等降颗粒可因移动速度的不同而达到按密度分选；c.不同性质颗粒的分离，不单纯取决于纵向和横向的移动速度，而主要取决于它们的合速度偏离摇动方向的角度。

五、磁选

磁力分选简称磁选。磁选有两种类型：一种是传统的磁选法；另一种是磁流体分选法，后者是近20年发展起来的一种新的分选方法。

1.传统磁选法

（1）磁选原理

磁选是利用固体废弃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。磁选过程见图3-45。将固体废弃物输入磁选机后，磁性颗粒在不均匀磁场作用下被磁化，从而受磁场吸引力的作用，磁性颗粒由于所受的磁场作用力很小，仍留在废物中被排出。固体废弃物颗粒通过磁选机的磁场时，同时受到磁力和机械力（包括重力、离心力、介质阻力、摩擦力等）的作用。磁性强的颗粒所受的磁力大于其所受的机械力，而非磁性颗粒所受的磁力很小，则以机械力占优势。由于作用在各种颗粒上的磁力和机械力的合力不同，它们的运动轨迹也不同，从而实现分离。

图3-45　磁选过程

磁性颗粒分离的必要条件是磁性颗粒所受的磁力必须大于与其方向相反的机械力的合力，即

f_磁>∑f_机

而非磁性颗粒所受的磁力必须小于与其方向相反的机械力的合力。

该式不仅说明了不同磁性颗粒的分离条件，同时也说明了磁选的实质，即磁选是利用磁力与机械力对不同磁性颗粒的不同作用而实现的。

（2）磁选机的磁场

磁体周围的空间存在着磁场。磁场的基本性质就是对给入其中的物质产生磁力作用。因此，在磁选机中能产生磁作用的空间，称为磁选机的磁场。磁场可分为均匀磁场和非均匀磁场两种：均匀磁场中各点的磁场强度（H）大小相等，方向一致；非均匀磁场中各点磁场强度大小和方向都是变化的。磁场的非均匀性可用磁场梯度来表示。磁场强度随空间位移的变化率称为磁场梯度，用dH/dx表示。磁场梯度为矢量，其方向为磁场强度变化最大的方向，并且指向H增大的一方。均匀磁场中dH/dx=0，非均匀磁场中dH/dx≠0。

磁性颗粒在均匀磁场中只受转矩的作用，使它的长轴平行于磁场方向。在非均匀磁场中，颗粒不仅受转矩的作用，还受磁力的作用，结果使它既发生转动，又向磁场梯度增大的方向移动，最后被吸在磁极外表面上。这样，磁性不同的颗粒才能得以分离。因此，磁选只能在非均匀磁场中实现。

（3）固体废弃物中各种物质磁性的分类

根据固体废弃物磁化系数（X₀）的大小，可将其中各种物质大致分为以下三类。

① 强磁性物质　X₀=（7.5～38）×10^-6m³/kg，在弱磁场磁选机中可分离出这类物质。

② 弱磁性物质　X₀=（0.19～7.5）×10^-6m³/kg，可在强磁场磁选机中回收。

③ 非磁性物质　X₀<0.19×10^-6m³/kg，在磁选机中可以与磁性物质分离。

（4）磁选设备及应用

常用磁选机种类很多，固体废弃物磁选时常用的磁选机主要有吸持型、悬吸型、磁力滚筒等类型。

① 吸持型磁选机　吸持型磁选机有滚筒式和带式2种类型，如图3-46所示，废弃物颗粒通过输送带直接送到收集面上。

图3-46　吸持型磁选机

图3-46（a）为滚筒式吸持型磁选机，它的水平滚筒外壳由黄铜或不锈钢制造，内包有半环形磁铁。废弃物颗粒由传送带落至滚筒表面时，铁磁产品被吸引，至下部刮板处，被刮脱至收集斗，非铁金属与其他非磁性产品由滚筒面直接落入另一料斗。图3-46（b）为带式吸持型磁选机，它的磁性滚筒与废弃物传送带合为一体，当物料经过滚筒时，非磁性或弱磁性物质在离心力和重力作用下脱离皮带面，而磁性物质则被吸在皮带上，并被带到滚筒下部刮板处，被刮脱至收集料斗中。

② 悬吸型磁选机　悬吸型磁选机有一般式和带式两种类型，其结构如图3-47所示，主要用于除去城市垃圾中的铁器，保护破碎设备及其他设备免受损坏。

图3-47　悬吸型磁选机

当铁物数量少时采用一般式悬吸型磁选机，当铁物数量多时采用带式悬吸型磁选机。这类磁选机的给料是通过传送带将废弃物颗粒输送穿过有较大梯度的磁场，其中铁器等黑色金属被磁选器悬吸引，而弱磁性物质不被吸引。一般式悬吸型磁选机为间断式工作，通过切断电磁铁的电流排除磁性物质。而带式悬吸型磁选机为连续工作式，磁性物质被悬吸至弱磁场处收集，非磁性物质则直接由传送带端部落入集料斗。

③ 磁力滚筒　又称磁滑轮，这类磁选机主要由磁滚筒和输送皮带组成。磁滚筒有永磁滚筒和电磁滚筒2种。应用较多的是永磁滚筒，如图3-48所示。

图3-48　永磁滚筒磁选机的结构与工作原理

电磁滚筒主要由线圈、铁芯、铁盘、轴、滚筒等组成，它的磁力可通过调节激磁线圈电流的大小来加以控制，这是电磁滚筒的主要优点，但电磁滚筒的价格高出永磁滚筒许多。两种滚筒的工作过程相似，都是用磁滚筒作为皮带运输机的驱动滚筒。将固体废弃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重力及离心力的作用下，被抛落到滚筒的前方，而磁性较强的物质则在磁力作用下被吸附到皮带上，并随皮带一起继续向前运动。当磁性物质转到滚筒下方逐渐远离滚筒时，磁力也逐渐减小，这时若磁性物质较大，在重力和离心力的作用下就可能脱离皮带而落下；但若磁性物质颗粒较小，且皮带上无阻滞条或隔板，则磁性物质颗粒就可能又被磁滚筒吸回。这样，颗粒就可能在滚筒下面相对于皮带做来回的往复运动，以致在滚筒的下部积存大量的磁性物质而不落下。此时可切断激磁线圈电流，去磁后而使磁性物质下落，或者在皮带上加上阻滞条或隔离板，使磁性物质能顺利地落入预定的收集区。

这类设备主要用于工业固体废弃物或城市垃圾的破碎设备或焚烧炉前，除去废物中的铁器，防止损坏破碎设备或焚烧炉。

④ 湿式CNT型永磁圆筒式磁选机　湿式CNT型永磁圆筒式磁选机的结构形式分顺流型和逆流型两种，常用的为逆流型，如图3-49所示。

图3-49　逆流型永磁圆筒式磁选机的构造

1—机架；2—溢流堰；3—槽体；4—磁力滚筒

给料方向和圆筒旋转方向或磁性物质的移动方向相反。物料液由给料箱直接进入圆筒的磁系下方，非磁性物质由磁系左边下方的底板上排料口排出。磁性物质随圆筒逆着给料方向移到磁性物质排料端，排入磁性物质收集槽中。这种磁选机主要适用于粒度不大于0.6mm的强磁性颗粒的回收，从钢铁冶炼排出的含铁尘泥和氧化铁皮中回收铁，及回收重介质分选产品中的加重质。

2.磁流体分选法（MHS）

（1）分选原理

所谓磁流体是指某种能够在磁场和电场联合作用下磁化，呈现似加重现象，对颗粒产生磁浮力作用的稳定分散液。磁流体通常采用强电解质溶液、顺磁性溶液和铁磁性胶体悬浮液。

磁流体分选是利用磁流体作为分选介质，在磁场或磁场和电场的联合作用下产生“加重”作用，按固体废弃物各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。当固体废弃物中各组分间的磁性差异小，而密度或导电性差异较大时，采用磁流体可以有效地进行分离。

似加重后的磁流体仍然具有液体原来的物理性质，如密度、流动性、黏滞性等。似加重后的密度称为视在密度，它可以通过改变外磁场强度、磁场梯度或电场强度来调节。视在密度高于流体密度（真密度）数倍，流体真密度一般为1400～1600kg/m³，而似加重后的流体视在密度可高达19000kg/m³，因此，磁流体分选可以分离密度范围宽的固体废弃物。

磁流体分选根据分离原理与介质的不同，可分为磁流体动力分选和磁流体静力分选两种。

① 磁流体动力分选（MHDS）　MHDS是在磁场（均匀磁场和非均匀磁场）与电场的联合作用下，以强电解质溶液为分选介质，按固体废弃物中各组分间密度、比磁化率和电导率的差异使不同组分分离。磁流体动力分选的研究历史较长，技术也较成熟，其优点是分选介质为导电的电解质溶液，来源广、价格便宜、黏度较低、分选设备简单、处理能力较大，处理粒度为0.5～6mm的固体废弃物时，处理量可达50t/h，最大可达100～600t/h。缺点是分选介质的视在密度较小，分离精度较低。

② 磁流体静力分选（MHSS）　MHSS是在非均匀磁场中，以顺磁性流体和铁磁体胶体悬浮液为分选介质，按固体废弃物中各组分间密度和比磁化率的差异进行分离。由于不加电场，不存在电场和磁场联合作用产生的特性涡流，故称为静力分选。其优点是视在密度高，如磁铁矿微粒制成的铁磁性胶体悬浮液视在密度高达19000kg/m³，介质黏度较小，分离精度高。缺点是分选设备复杂，介质价格较高，回收困难，处理能力较小。

要求分离精度高时，通常采用静力分选；固体废弃物中各组分间电导率差异大时，通常采用动力分选。

磁流体分选是一种重力分选和磁力分选联合作用的分选过程。各种物质在似加重介质中按密度差异分离，这与重力分选相似；在磁场中按各种物质间磁性（或电性）差异分离，这与磁选相似。这种方法不仅可以将磁性和非磁性物质分离，而且也可以将非磁性物质按密度差异分离。因此，磁流体分选法在固体废弃物处理和利用中占有特殊的地位。它不仅可以分离各种工业固体废弃物，而且还可以从城市垃圾中回收铝、铜、锌、铅等金属。

（2）分选介质

理想的分选介质应具有磁化率高、密度大、黏度低、稳定性好、无毒、无刺激味、无色透明、价廉易得等特殊条件。

① 顺磁性盐溶液　顺磁性盐溶液有30余种，Mn、Fe、Ni、Co盐的水溶液均可作为分选介质。其中有实际意义的有MnCl₂·4H₂O、MnBr₂、MnSO₄、Mn（NO₃）₂、FeCl₂、FeSO₄、Fe（NO₃）₂·2H₂O、NiCl₂、NiBr₂、NiSO₄、CoCl₂、CoBr₂和CoSO₄等。这些溶液的体积磁化率为8×10^-8～8×10^-7，真密度为1400～1600kg/m³，且黏度低、无毒。其中MnCl₂溶液的视在密度可达11000～12000kg/m³，是重悬浮液所不能比拟的。MnCl₂和Mn（NO₃）₂溶液基本具有上述分选介质所要求的特性条件，是较理想的分选介质。分离固体废弃物（轻产物密度<30000kg/m³）时，可选用更便宜的FeSO₄、MnSO₄和CaSO₄水溶液。

② 铁磁性胶粒悬浮液　一般采用超细粒（100Å，1Å=10^-10m）磁铁矿胶粒作分散质，用油酸、煤油等非极性液体介质并添加表面活性剂作为分散剂调制成铁磁性胶粒悬浮液。一般每升该悬浮液中含10⁷～10¹⁸个磁铁粒子。其真密度为1050～2000kg/m³，在外磁场及电场作用下，可使介质加重到2000kg/m³。这种磁流体介质黏度高，稳定性差，介质回收再生困难。

（3）磁流体分选设备及应用

图3-50为J.Shimoiizaka分选槽构造及工作原理示意。该磁流体分选槽的分离区呈倒梯形，上宽130mm，下宽50mm，高150mm，纵向深150mm。磁系属于永磁。分离密度较高的物料时，磁系用钐-钴合金磁铁，其视在密度可达10000kg/m³。每个磁体大小为40mm×123mm×136mm，2个磁体相对排列，夹角为30°。分离密度较低的物料时，磁系用锶铁铁氧体磁体，视在密度可达3500kg/m³，图中阴影部分相当于磁体的空气隙，物料在这个区域中被分离。

图3-50　J.Shimoiizaka分选槽构造及工作原理示意

这种分选槽使用的分选介质是油基或水基磁流体。它可用于汽车的废金属碎块回收、低温破碎物料的分离和从垃圾中回收金属碎块等。

六、电选

1.电选的基本原理

电力分选过程是在电选设备中进行的。废弃物颗粒的电选分离原理如图3-51所示。废料由给料斗均匀给入滚筒上，随着滚筒的旋转，废弃物颗粒进入电晕电场区，由于空间带有电荷，使导体和非导体颗粒都获得负电荷（与电晕电极相反）。导体颗粒一面带电，一面又把电荷传给滚筒，其放电速度快，因此，当废弃物颗粒随着滚筒的旋转离开电晕电场区而进入静电场区时，导体颗粒的剩余电荷少，而非导体颗粒则因放电速度慢，致使剩余电荷多。导体颗粒进入静电场后不再继续获得负电荷，但仍继续放电，直至放完全部负电荷，并从滚筒上得到正电荷而被滚筒排斥，在电力、离心力和重力分力的综合作用下，其运动轨迹偏离滚筒，而在滚筒前方落下。偏向电极的静电引力作用更增大了导体颗粒的偏离程度。非导体颗粒由于有较多的剩余负电荷，将与滚筒相吸，被吸附在滚筒上，带到滚筒后方，被毛刷强制刷下，半导体颗粒的运动轨迹则介于导体颗粒与非导体颗粒之间，成为半导体产品落下，从而完成电选分离过程。

图3-51　电选分离原理

2.电选设备及应用

（1）静电分选机

这是一种利用各种物质的导电率、热电效应及带电作用的差异而进行物料分选的方法，可用于各种塑料、橡胶和纤维纸、合成皮革、胶卷、玻璃与金属的分离。图3-52为分离玻璃和铝粒的静电分离机示意，此装置是美国的一种专利设备，分选颗粒的粒度在20mm以下。

图3-52　分离玻璃和铝粒的静电分离机示意

设备的工作过程如下。将含有铝和玻璃的废弃物通过电振给料器均匀地送到以10r/min速度旋转的带电滚筒上，电极与滚筒水平轴线成锐角安装。电极形成的集中的狭弧状强烈放电和高压静电场，电极电压高达20～30kV。混合颗粒一旦进入高电场区，即受静电放电作用。铝为良导体，从滚筒电极获得相同符号的大量电荷，因而被滚筒电极排斥落入铝收集槽内；玻璃为非导体，与带电滚筒接触被极化，在靠近滚筒一端产生相反的束缚电荷，被滚筒吸住，随滚筒带至后面被毛刷刷落进玻璃收集槽，从而实现铝与玻璃的分离。利用这种装置可清除玻璃中所含金属杂质的70%。

（2）高压电选机

高压电选机构造及分选原理如图3-53所示。原料均匀给到旋转接地滚筒上，带入电晕电场后，原料中导电性能高的成分由于导电性良好，很快失去电荷，进入静电场后从滚筒电极获得相同符号的电荷而被排斥，在离心力、重力及静电斥力综合作用下落入收集槽口。原料中其他导电性较差的成分能保持电荷，与带相反符号的滚筒相吸，并牢固地吸附在滚筒上，最后被毛刷强制刷落入另外的槽口，从而实现把原料按导电性分离的操作。

图3-53　高压电选机构造及分选原理

该机特点是具有较宽的电晕电场区、特殊的下料装置和防积灰漏电措施，整机密封性能好，采用双筒并列式，结构合理、紧凑，处理能力大，效率高。

七、浮选

1.浮选原理

浮选是在固体废弃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，使欲选物质颗粒黏附在气泡上，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，通过适当处理后废弃。

在浮选过程中，固体废弃物各组分对气泡黏附的选择性是由固体颗粒、水、气泡组成的三相界面的物理化学特性所决定的。其中比较重要的是物质表面的湿润性。

固体废弃物中有些物质表面的疏水性较强，容易黏附在气泡上，而另一些物质表面亲水，不易黏附在气泡上。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。因此，在浮选工艺中正确选择、使用浮选药剂是调整物质可浮性的主要外因条件。

2.浮选药剂

根据药剂在浮选过程中的作用不同，可分为捕收剂、起泡剂和调整剂三大类。

（1）捕收剂

捕收剂能够选择性地吸附在欲选的物质颗粒表面上，使其疏水性增强，提高可浮性，并牢固地黏附在气泡上而上浮。良好的捕收剂应：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和非异极性油类捕收剂两类。

① 异极性捕收剂　异极性捕收剂的分子结构包含两个基团，即极性基和非极性基。极性基活泼，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。

② 非异极性油类捕收剂　非异极性油类捕收剂主要成分是脂肪烷烃（C_nH_2n+2）和环烷烃（C_nH_2n）。最常用的是煤油，它是分馏温度在150～300℃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黏附于疏水性颗粒表面上，并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。

（2）起泡剂

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，提高气泡与颗粒的黏附和上浮过程中的稳定性，以保证气泡上浮形成泡沫层。浮选用的起泡剂应具备：a.用量少，能形成量多、分布均匀、大小适宜、韧性相当和黏度不大的气泡；b.具有良好的流动性，适当的水溶性，无毒、无腐蚀性，便于使用；c.无捕收作用，对料浆的pH值变化和料浆中的各种物质颗粒有较好的适应性。常用的起泡剂有松油、松醇油、脂肪醇等。

（3）调整剂

调整剂的作用主要是调整其他药剂（主要是捕收剂）与物质颗粒表面之间的作用，还可调整料浆的性质，提高浮选过程的选择性。调整剂的种类较多，按其作用可分为以下4种。

① 活化剂　其作用称为活化作用，它能促进捕收剂与欲选颗粒之间的作用，从而提高余下物质颗粒的可浮性。常用的活化剂多为无机盐，如硫化钠、硫酸铜等。

② 抑制剂　其作用是削弱非选物质颗粒和捕收剂之间的作用，抑制其可浮性，使其与欲选物质颗粒之间的可浮性差异最大，它的作用正好与活化剂相反。常用的抑制剂有各种无机盐（如水玻璃）和有机物（如单宁、淀粉等）。

③ 介质调整剂　主要作用是调整料浆的性质，使料浆对某些物质颗粒浮选有利，而对另一些物质颗粒的浮选不利。常用的介质调整剂是酸和碱。

④ 分散与混凝剂　调整物料中细泥的分散、团聚与絮凝，以减小细泥对浮选的不利影响，改善和提高浮选效果。常用的分散剂有无机盐类（如苏打、水玻璃等）和高分子化合物（如各类聚磷酸盐）。常用的混凝剂有石灰、明矾、聚丙烯酰胺等。

3.浮选设备

国内外浮选设备类型很多，我国使用最多的是机械搅拌式浮选机，其构造见图3-54。大型浮选机每2个槽为一组，第一个槽称为吸入槽，第二个槽为直流槽。小型浮选机多为4～6个槽为一组，每排可以配制2～20个槽。每组有一个中间室和料浆面调节装置。

图3-54　机械搅拌式浮选机构造

1—槽子；2—叶轮；3—盖板；4—轴；5—套管；6—进浆管；7—循环孔；8—稳流板；9，13—闸门；10—受浆箱；11—进气管；12—调节进气量的闸门；14—皮带轮；15—槽间隔板

浮选机工作时，料浆由进料浆管进入，送到盖板与叶轮中心处，叶轮的高速旋转在盖板与叶轮中心处造成一定的负压，空气由进气管和套管吸入，与料浆混合后一起被叶轮甩出。在强烈的搅拌下气流被分割成无数微细气泡。欲选物质颗粒与气泡碰撞，黏附在气泡上而浮升至料浆表面形成泡沫层，经刮泡机刮出成为泡沫产品，再经消泡脱水后即可回收。

4.浮选工艺过程

（1）浮选前料浆的调制

主要是固体废弃物的破碎、磨碎等，目的是得到粒度适宜，基本上单体解离的颗粒，进入浮选的料浆浓度必须适合浮选工艺的要求。

（2）加药调整

添加药剂的种类和数量应根据欲选物质颗粒的性质通过试验确定。

（3）充气浮选

将调整好的料浆引入浮选机内，由于浮选机的空气搅拌作用，形成大量的弥散气泡，提供颗粒与气泡碰撞接触的机会，可浮性好的颗粒黏附于气泡上而上浮形成泡沫层，经刮出、收集、过滤脱水即为浮选产品；不能黏附在气泡上的颗粒仍留在料浆内，经适当处理后废弃或做他用。

一般的浮选法大多是将有用物质浮入泡沫产品中，而无用或回收经济价值不大的物质仍留在料浆内，这种浮选法称为正浮选。但也有将无用物质浮入泡沫产品中，将有用的物质留在料浆中的方法，这种浮选法称为反浮选。

固体废弃物中含有两种以上的有用物质，其浮选方法有以下两种。

① 优先浮选　将固体废弃物中有用物质依次选出，成为单一物质产品。

② 混合浮选　将固体废弃物中有用的物质共同选出为混合物，然后再把混合物中有用物质分别分离。

5.浮选的应用

浮选是固体废弃物资源化的一种重要技术，可用于从焚烧炉灰渣中回收金属以及城市固体废弃物的塑料分选等。

浮选法的主要缺点是有些固体废弃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；另外，还需要一些辅助工序如浓缩、过滤、脱水、干燥等。因此，在生产实践中究竟采用哪一种分选，应根据固体废弃物的性质，经技术经济综合比较后确定。

泡沫分选是在泡沫浮选基础上发展起来的，也是近年来使用较多的一种浮选技术。泡沫分选过程为：将调制好的固体悬浮液加到发育的泡沫层上，疏水性物质粒子吸附在气泡上，富集于泡沫层中，刮出而成泡沫产品；亲水性物质粒子在重力作用下分选机下部排出而成为非泡沫产品。因而本法实质上就是一种泡沫层过滤法。粒子能否通过泡沫层不在于粒度大小，而在于其浮选性能，疏水性颗粒被泡沫截留，亲水性颗粒则穿过泡沫层而被除去，此过程连续进行而实现分选。

垃圾中的塑料由于成分不同而不适于同时回收，20世纪70年代塑料浮选主要在日本得以发展，但由于当时的石油危机，塑料浮选的应用没有得到推广。然而，随着公众对垃圾问题认识的加强，近年来塑料浮选的研究又获得了推动力。目前欧洲、美国以及日本所进行的各种研究工作主要集中于成分不同而密度近似的PVC（聚氯乙烯）和PET（聚乙二醇对苯二甲酸酯，简称聚酯）塑料的分离上。首先将塑料破碎，使PVC和PET具有相同的粒度分布。为了使PVC和PET浮选分离，必须使两者中的一个表面亲水，法国的C.L.古埃恩等用木质磺酸盐作抑制剂对塑料进行处理，在4L大浮选机中试验发现在粒度为厘米级时PVC和PET产生最佳分离效果。

八、其他分选方法

1.光学分离技术

这是一种利用物质表面光反射特性的不同而分离物料的方法，现已用于按颜色分选玻璃的工艺中，图3-55为其工作原理。

图3-55　光学分离技术工作原理

固体废弃物经预先分级后进入料斗。由振动溜槽均匀地逐个落入高速沟槽进料皮带上，在皮带上拉开一定距离并排队前进，从皮带首端抛入光检箱受检。当颗粒通过光检测区时，受光源照射，背景板显示颗粒的颜色或色调，当欲选颗粒的颜色与背景颜色不同时，反射光经光电倍增管转换为电信号（此信号随反射光的强度变化），电子电路分析该信号后，产生控制信号驱动高频气阀，喷射出压缩空气，将电子电路分析出的异色颗粒（即欲选颗粒）吹离原来的下落轨道，加以收集。而颜色符合要求的颗粒仍按原来的轨道自由下落加以收集，从而实现分离。

2.涡电流分离技术

这是一种在固体废弃物中回收有色金属的有效方法，具有广阔的应用前景。

当含有非磁导体金属（如铅、铜、锌等物质）的垃圾流以一定的速度通过一个交变磁场时，这些非磁导体金属中会产生感应涡流。由于垃圾流与磁场有一个相对运动的速度，从而对产生涡流的金属片块有一个推力。利用此原理可使一些有色金属从混合垃圾流中分离出来。作用于金属上的推力取决于金属片块的尺寸、形状和不规整的程度。分离推力的方向与磁场方向及垃圾流的方向均呈90°。图3-56为按此原理设计的涡流分离器。直线感应器中由三相交流电在其绕组中产生一交变的直线移动的磁场，此磁场的方向与输送机皮带的运动方向垂直。当皮带上的物料从感应器下通过时，物料中的有色金属将产生涡电流，从而产生向带侧运动的排斥力。此分离装置由上、下2个直线感应器组成，能保证产生足够大的电磁力将物料中的有色金属推入带侧的集料斗中。当然，此种分选过程带速不宜过高。

图3-56　涡电流分离技术工作原理

1—直线感应器；2—集料斗；3—皮带；4—感应器

另外，也有利用旋转变化磁场与有色金属的相互作用原理而设计的涡电流分离器。各种类型的涡电流分离器都具有操作简便、耗电量低的特点。在工业发达国家的试验生产中取得了良好的分选效果。

3.摩擦与弹跳分选

摩擦与弹跳分选是根据固体废弃物中各组分摩擦系数和碰撞系数的差异，在斜面上运动或与斜面碰撞弹跳时产生不同的运动速度和弹跳轨迹而实现彼此分离的一种处理方法。

固体废弃物从斜面顶端给入并沿着斜面向下运动时，其运动方式随颗粒的形状或密度不同而不同，其中纤维状废物或片状废物几乎全靠滑动，球形颗粒有滑动、滚动和弹跳3种运动方式。

当颗粒（不受干扰）在斜面上向下运动时，纤维体或片状体的滑动加速度较小，运动速度较小，所以它脱离斜面抛出的初速度较小，而球形颗粒由于做滑动、滚动和弹跳相结合的运动，其加速度较大，运动速度较快，因此它脱离斜面抛出的初速度较大。

当废弃物离开斜面抛出时，受空气阻力的影响，抛射轨迹并不严格沿着抛物线前进，其中纤维废弃物由于形状特殊，受空气阻力较大，在空气中减速很快，抛射轨迹表现严重的不对称（抛射开始接近抛物线，其后接近垂直落下），故抛射较远。因此在固体废弃物中，纤维状废弃物与颗粒废弃物、片状废弃物与颗粒废弃物因形状不同，在斜面上运动或弹跳时，产生不同的运动速度和运动轨迹，因而可以彼此分离。

摩擦与弹跳分选设备有带式筛、斜板运输分选机及反弹道滚筒分选机等，现就带式筛做一简要介绍。

带式筛是一种倾斜安装带有振打装置的运输带，如图3-57所示，其带面由筛网或刻沟的胶带制成。带面安装倾角（α）大于颗粒废弃物的摩擦角，小于纤维废弃物的摩擦角。

图3-57　带式筛示意

废弃物从带面的下半部由上方给入，由于带面的振动，颗粒废弃物在带面上做弹性碰撞，向带的下部弹跳；又因带面的倾角大于废弃物的摩擦角，所以颗粒废弃物还有下滑的运动，最后从带的下端排出。纤维废弃物与带面为塑性碰撞，不产生弹跳，并且带面安装倾角小于纤维废弃物的摩擦角，所以纤维废弃物不沿带面下滑，而随带面一起向上运动，从带的上端排出。在向上运动过程中，由于带面的振动使一些细粒灰土透过筛孔从筛下排出，从而使颗粒状废弃物与纤维状废物分离。