細粒固液混合物分離辦法概述

李雯心

1中信重工工程技術有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

工業(yè)生產中常有細粒固液混合物需要進行分離，以便進行后續(xù)工業(yè)應用，如煤炭行業(yè)的煤泥、浮選精煤及尾煤，金屬和非金屬礦山濕法分選的精礦和尾礦，冶金行業(yè)的氧化鋁種子液和多種金屬粉末，油田鉆井排出的廢泥漿，化工行業(yè)的橡膠、塑料和聚合物，食品行業(yè)的粗砂糖和淀粉，城市雨水和污水形成的污泥等，根據細粒固液混合物的性質和固體物料的細度、比重、沉降速度的不同，采用的分離方法也各不相同。

1 常用分離方法

1.1 自然沉淀法

自然沉淀法是利用細粒固液混合物中固體顆粒的可沉降性能，在重力作用下產生下沉，實現固液分離的方法。如一些小型煤礦的煤泥、浮選精煤和尾煤，一些小型金屬和非金屬礦的分選精礦，都可以通過建設多個沉淀池循環(huán)應用實現混合物的固液分離。一般分離出的液體可以循環(huán)利用，固體作為相應的工業(yè)原料。另外大部分金屬和非金屬礦的尾礦也采用自然沉淀法實現混合物的固液分離，分離的液體用泵送回選礦廠循環(huán)利用，固體作為廢料留存在尾礦庫中，尾礦庫裝滿后表層覆蓋黏土，可以植樹或種植農作物。

1.2 濃縮過濾法

濃縮過濾法[1]是將需要固液分離的混合物給入濃縮機，固體顆粒在濃縮機內沉降 (必要時可以在混合物給入濃縮機時添加絮凝劑溶液，以便使細小固體顆粒形成絮團加速沉降) 到殼體下部形成濃漿，殼體上部的澄清液從濃縮機上部殼體周邊溢出收集利用。殼體下部沉降形成的濃漿由濃縮機的爬架收集到其下部的中心排料口，然后用泵送給過濾機。過濾機的常用形式有圓盤濾袋式、圓盤陶瓷式、水平濾布帶式等，過濾介質一般是各種濾布或陶瓷板。使用時濾布的絲線間或陶瓷板的毛細孔中會進入微小固體顆粒，影響過濾效率，所以一般使用一個班次 (可以根據具體使用情況延長或縮短時間) 應進行一次清洗。采用各種濾布的過濾機使用清水進行沖洗，將濾布的絲線間進入的微小固體顆粒沖出，恢復濾布的過濾效率；采用陶瓷板的過濾機使用稀鹽酸或稀硫酸液體浸泡，將陶瓷板毛細孔中進入的微小固體顆粒溶解，恢復陶瓷板的過濾效率 (陶瓷板式過濾機一般僅用于可以被稀酸溶解的金屬礦)。過濾機的過濾原理是通過真空泵抽真空，使濾材內外形成壓力差，液體通過濾材、固體截留在濾材表面而進行的固液分離，所以固液分離的效果受濾材內外壓力差的限制，影響壓力差的因素主要有真空泵的性能、過濾機的密封效果、濾材構造、大氣壓力等，應用時一般過濾機濾材內外壓力差為0.04～ 0.09 MPa。由于此壓力差較小，對于固體顆粒較小 (25 μm 以下) 和比重較輕的物料，難以形成濾餅或者濾餅很薄，不適合工業(yè)應用。

1.3 濃縮攪拌壓濾法

濃縮攪拌壓濾法是將需要固液分離的混合物給入濃縮機，分離出的澄清液收集利用，分離出的濃漿用泵送入攪拌桶，然后再泵送至壓濾機進行固液分離。壓濾機由濾板、濾框、液壓系統(tǒng)、濾板傳輸系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等部分組成。濾板的表面有凹陷和溝槽，其溝槽的凸出部位用以支撐濾布，板框兩側各有把手支撐在橫梁上，由液壓系統(tǒng)壓緊板框，板框之間的濾布起密封和過濾介質的作用。工作時用泵將濃漿壓入濾板表面凹陷形成的濾室，液體穿過濾布并沿濾板溝槽流至板框邊角通道，集中排出。固體在濾布間形成濾餅，直至充滿濾室并達到需要的過濾壓力或規(guī)定的質量后停止供料，必要時還可以在停止供料后通入壓縮空氣，讓氣體再帶走固體中的一些液體，進一步降低固體的含液量，滿足后續(xù)工業(yè)應用需要。隨后打開壓濾機的板框卸除濾餅，清洗濾布，重新壓緊板框，開始下一工作循環(huán)。所以使用壓濾機時需要間斷供料，為了避免壓濾機非供料時間段管道中固體沉淀堵塞管道或閥門，供料管道中的濃漿循環(huán)回攪拌桶。壓濾機的濾材為各種加厚濾布，其兩面的壓力差一般為 0.4～ 0.7 MPa。特種壓濾機濾材兩面的壓力差可達 1.2～1.5 MPa，采用加厚致密濾布和較大的壓力差，可以處理比重輕和細度小的固液混合物。

1.4 旋流篩分濃縮過濾法

旋流篩分濃縮過濾法是將需要固液分離的固液混合物給入旋流器，其底流自流至振動篩，振動篩的篩上為分離出的粗顆粒固體，旋流器的溢流和振動篩的篩下再給入濃縮機，濃縮機的溢流液循環(huán)利用，濃縮機的底流泵入過濾機，過濾機的濾液流入濃縮機或者和濃縮機的溢流混合利用，過濾機的濾餅和振動篩的篩上混合或者單獨應用。該種方法的適用范圍和濃縮過濾法相似，在需要處理的固液混合物的量大且固體顆粒粒度范圍較大時，增加旋流器和振動篩可以預先分離出料漿中 30%～ 60% 的粗固體顆粒，降低濃縮機和過濾機的規(guī)格或使用臺數。

1.5 旋流篩分濃縮攪拌壓濾法

旋流篩分濃縮攪拌壓濾法的旋流篩分濃縮過程與旋流篩分濃縮過濾法類似，濃縮機的底流給入攪拌桶，然后給入壓濾機，壓濾機的濾液給入濃縮機或者和濃縮機的溢流混合利用，壓濾機的濾餅和振動篩的篩上混合或者單獨應用。該種方法的適用范圍是料漿中的固體顆粒尺寸范圍大、需要處理的料漿量大，且細粒無法有效采用過濾方法進行固液分離。該方法采用旋流器和振動篩可以預先分離出料漿中的固體粗顆粒，降低后續(xù)濃縮機、攪拌桶和壓濾機的處理量，從而減小其使用規(guī)格或臺數，降低整體設備和工程投資。

1.6 離心沉降法

對于料漿濃度高、固液分離后液體的含固量要求較低時，可以采用離心沉降法，如油田鉆井排出的廢泥漿的固液分離。廢泥漿中含有油類、膨潤土、堿和化合物，直接排放或填埋會對周圍環(huán)境和地下水造成污染，另外廢泥漿的液體及其含有的有害物質可以在鉆井時應用，減少新水、油類、膨潤土、堿和化合物的加入量，節(jié)省原料的使用費用。離心沉降法采用的設備通常為沉降離心機，結構如圖1 所示。

圖1 沉降離心機結構

該類設備的工作原理是電動機通過帶輪、差速器帶動轉鼓和螺旋高速旋轉，并產生一定的轉差率，固液混合物經進料管、螺旋出料口進入轉鼓，在高速旋轉產生的離心力作用下，比重大的固相顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉鼓作相對運動的螺旋葉片不斷地將沉積在轉鼓內壁上的固相顆粒推到轉鼓的小端沿徑向甩出，液相和固液混合相在轉鼓大端溢流排出，高速旋轉可以給固液混合物提供較大的分離因素，最大可以超過 3 000g，相當于超過重力沉降的 3 000 倍，所以固體料層較密實，含液量較低，應用于鉆井排出的廢泥漿，可以使其排出的固體達到國家固體廢棄物排放標準。

1.7 離心沉降攪拌壓濾法

對于粒度細、比重接近液體而形成的懸浮液，固體的沉降速度特別慢，甚至長時間處于懸浮狀態(tài)，難以采用自然或濃縮沉降法進行處理，如部分生物制藥、淀粉分離、大豆蛋白脫水、工業(yè)污水、城市生活污水等行業(yè)，這些都需要先采用高分離因素的沉降離心機進行濃縮，將難以自然沉降的小比重細粒固體通過強大的離心力甩到沉降離心機轉鼓的外層，形成固體層或固液濃漿層，通過與轉鼓作相對運動的螺旋葉片不斷地將其沿轉鼓內壁推到轉鼓的小端沿徑向甩出，沉降離心機轉鼓的內層的清液在轉鼓大端溢流排出收集利用。沉降離心機轉鼓小端沿徑向甩出固液濃漿給入攪拌桶進行緩沖，然后再給入壓濾機進行固液分離，壓濾機的濾液給入沉降離心機或者和其溢流混合利用，壓濾機的濾餅作為工業(yè)原料。

2 不同過濾方式的優(yōu)缺點對比

自然沉淀法的優(yōu)點是機械設備用量很少、能耗低、投資低；缺點是占地面積大、固液分離時間長、受地形位置和占地面積的限制較多。濃縮過濾法的優(yōu)點是流程短、工藝簡單、占地面積小、設備少、投資低；缺點是使用范圍窄，不適用于固體顆粒較小 (25μm 以下) 和比重較輕的物料。濃縮攪拌壓濾法的優(yōu)點是流程和工藝短、設備和占地面積適中，可以實現比重輕和細度小的固液混合物的固液分離；缺點是壓濾機間斷供料、處理量小、設備投資偏高。旋流篩分濃縮過濾法的優(yōu)點是分級分選效果好，可以實現黏稠度低的顆粒物與水的分離；缺點是流程偏長、設備種類多、工藝流程復雜。旋流篩分濃縮攪拌壓濾法的優(yōu)點是分級分選效果好，可以實現黏稠度高的礦物與水的分離；缺點是流程偏長、設備種類多、維修成本高。離心沉降法的優(yōu)點是占地面積小、固體含液量低；缺點是溢流含固量高、設備費用高、運行能耗高。離心沉降攪拌壓濾法的優(yōu)點是首先采用離心沉降法分離出大部分的液體，大大降低攪拌桶和壓濾機的使用量，提高生產效率，節(jié)省占地面積，降低設備和工程投資；缺點是工藝能耗最高。

3 發(fā)展趨勢

隨著社會的發(fā)展，細粒固液混合物的種類不斷增多，細粒固液混合物的分離方法也在不斷變化，總的發(fā)展趨勢可分為 2 個方面。一是細粒固液混合物分離系統(tǒng)集成化，將處理某一種類的細粒固液混合物的工藝和設備進行整合，讓系統(tǒng)高度自動化和適度智能化，方便根據物料情況進行調整，整合后整體體積小、便于安裝和搬遷，應用方便。如將旋流器、離心機、振動篩等集成為一體應用于鉆井污泥的處理；將旋流器、振動篩和帶式輸送機等集成為一體應用于煤泥處理等。二是固液分離向微細粒方向發(fā)展，如應用于凈水處理的膜過濾技術、納濾技術、微濾技術、超濾技術、反滲透技術等在工業(yè)和生活中廣泛應用；應用浮選技術脫除工業(yè)廢水中的色素和金屬離子；應用硅藻土的過濾和吸附特性，清潔工業(yè)和生活用水；應用磁分離技術[2]脫除生活污水、食品廢水、含油廢水和印染廢水的有害雜質，也可以去除各種污水中的磁性微細顆粒；應用微砂沉淀技術[3]處理海水，降低海水濁度，滿足電廠用水需要等。

4 結語

隨著我國對環(huán)境要求的不斷提高，細粒固液混合物的分離方法隨著工業(yè)技術的發(fā)展不斷變化和增多，系統(tǒng)的自動化和智能化不斷提高，應用領域越來越廣，其分離方法針對不同的應用行業(yè)和領域應具體情況具體分析，必要時采用不同方法進行對比試驗，同時進行綜合分析，既要考慮節(jié)省建設投資，又要考慮節(jié)能、節(jié)省運行費用和節(jié)省人力物力，還需要考慮系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，通過多方面對比尋找最佳的細粒固液混合物的分離方法。