细粒固液混合物分离办法概述

李雯心

1中信重工工程技术有限责任公司 河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

工业生产中常有细粒固液混合物需要进行分离，以便进行后续工业应用，如煤炭行业的煤泥、浮选精煤及尾煤，金属和非金属矿山湿法分选的精矿和尾矿，冶金行业的氧化铝种子液和多种金属粉末，油田钻井排出的废泥浆，化工行业的橡胶、塑料和聚合物，食品行业的粗砂糖和淀粉，城市雨水和污水形成的污泥等，根据细粒固液混合物的性质和固体物料的细度、比重、沉降速度的不同，采用的分离方法也各不相同。

1 常用分离方法

1.1 自然沉淀法

自然沉淀法是利用细粒固液混合物中固体颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉，实现固液分离的方法。如一些小型煤矿的煤泥、浮选精煤和尾煤，一些小型金属和非金属矿的分选精矿，都可以通过建设多个沉淀池循环应用实现混合物的固液分离。一般分离出的液体可以循环利用，固体作为相应的工业原料。另外大部分金属和非金属矿的尾矿也采用自然沉淀法实现混合物的固液分离，分离的液体用泵送回选矿厂循环利用，固体作为废料留存在尾矿库中，尾矿库装满后表层覆盖黏土，可以植树或种植农作物。

1.2 浓缩过滤法

浓缩过滤法[1]是将需要固液分离的混合物给入浓缩机，固体颗粒在浓缩机内沉降 (必要时可以在混合物给入浓缩机时添加絮凝剂溶液，以便使细小固体颗粒形成絮团加速沉降) 到壳体下部形成浓浆，壳体上部的澄清液从浓缩机上部壳体周边溢出收集利用。壳体下部沉降形成的浓浆由浓缩机的爬架收集到其下部的中心排料口，然后用泵送给过滤机。过滤机的常用形式有圆盘滤袋式、圆盘陶瓷式、水平滤布带式等，过滤介质一般是各种滤布或陶瓷板。使用时滤布的丝线间或陶瓷板的毛细孔中会进入微小固体颗粒，影响过滤效率，所以一般使用一个班次 (可以根据具体使用情况延长或缩短时间) 应进行一次清洗。采用各种滤布的过滤机使用清水进行冲洗，将滤布的丝线间进入的微小固体颗粒冲出，恢复滤布的过滤效率；采用陶瓷板的过滤机使用稀盐酸或稀硫酸液体浸泡，将陶瓷板毛细孔中进入的微小固体颗粒溶解，恢复陶瓷板的过滤效率 (陶瓷板式过滤机一般仅用于可以被稀酸溶解的金属矿)。过滤机的过滤原理是通过真空泵抽真空，使滤材内外形成压力差，液体通过滤材、固体截留在滤材表面而进行的固液分离，所以固液分离的效果受滤材内外压力差的限制，影响压力差的因素主要有真空泵的性能、过滤机的密封效果、滤材构造、大气压力等，应用时一般过滤机滤材内外压力差为0.04～ 0.09 MPa。由于此压力差较小，对于固体颗粒较小 (25 µm 以下) 和比重较轻的物料，难以形成滤饼或者滤饼很薄，不适合工业应用。

1.3 浓缩搅拌压滤法

浓缩搅拌压滤法是将需要固液分离的混合物给入浓缩机，分离出的澄清液收集利用，分离出的浓浆用泵送入搅拌桶，然后再泵送至压滤机进行固液分离。压滤机由滤板、滤框、液压系统、滤板传输系统和电气系统等部分组成。滤板的表面有凹陷和沟槽，其沟槽的凸出部位用以支撑滤布，板框两侧各有把手支撑在横梁上，由液压系统压紧板框，板框之间的滤布起密封和过滤介质的作用。工作时用泵将浓浆压入滤板表面凹陷形成的滤室，液体穿过滤布并沿滤板沟槽流至板框边角通道，集中排出。固体在滤布间形成滤饼，直至充满滤室并达到需要的过滤压力或规定的质量后停止供料，必要时还可以在停止供料后通入压缩空气，让气体再带走固体中的一些液体，进一步降低固体的含液量，满足后续工业应用需要。随后打开压滤机的板框卸除滤饼，清洗滤布，重新压紧板框，开始下一工作循环。所以使用压滤机时需要间断供料，为了避免压滤机非供料时间段管道中固体沉淀堵塞管道或阀门，供料管道中的浓浆循环回搅拌桶。压滤机的滤材为各种加厚滤布，其两面的压力差一般为 0.4～ 0.7 MPa。特种压滤机滤材两面的压力差可达 1.2～1.5 MPa，采用加厚致密滤布和较大的压力差，可以处理比重轻和细度小的固液混合物。

1.4 旋流筛分浓缩过滤法

旋流筛分浓缩过滤法是将需要固液分离的固液混合物给入旋流器，其底流自流至振动筛，振动筛的筛上为分离出的粗颗粒固体，旋流器的溢流和振动筛的筛下再给入浓缩机，浓缩机的溢流液循环利用，浓缩机的底流泵入过滤机，过滤机的滤液流入浓缩机或者和浓缩机的溢流混合利用，过滤机的滤饼和振动筛的筛上混合或者单独应用。该种方法的适用范围和浓缩过滤法相似，在需要处理的固液混合物的量大且固体颗粒粒度范围较大时，增加旋流器和振动筛可以预先分离出料浆中 30%～ 60% 的粗固体颗粒，降低浓缩机和过滤机的规格或使用台数。

1.5 旋流筛分浓缩搅拌压滤法

旋流筛分浓缩搅拌压滤法的旋流筛分浓缩过程与旋流筛分浓缩过滤法类似，浓缩机的底流给入搅拌桶，然后给入压滤机，压滤机的滤液给入浓缩机或者和浓缩机的溢流混合利用，压滤机的滤饼和振动筛的筛上混合或者单独应用。该种方法的适用范围是料浆中的固体颗粒尺寸范围大、需要处理的料浆量大，且细粒无法有效采用过滤方法进行固液分离。该方法采用旋流器和振动筛可以预先分离出料浆中的固体粗颗粒，降低后续浓缩机、搅拌桶和压滤机的处理量，从而减小其使用规格或台数，降低整体设备和工程投资。

1.6 离心沉降法

对于料浆浓度高、固液分离后液体的含固量要求较低时，可以采用离心沉降法，如油田钻井排出的废泥浆的固液分离。废泥浆中含有油类、膨润土、碱和化合物，直接排放或填埋会对周围环境和地下水造成污染，另外废泥浆的液体及其含有的有害物质可以在钻井时应用，减少新水、油类、膨润土、碱和化合物的加入量，节省原料的使用费用。离心沉降法采用的设备通常为沉降离心机，结构如图1 所示。

图1 沉降离心机结构

该类设备的工作原理是电动机通过带轮、差速器带动转鼓和螺旋高速旋转，并产生一定的转差率，固液混合物经进料管、螺旋出料口进入转鼓，在高速旋转产生的离心力作用下，比重大的固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将沉积在转鼓内壁上的固相颗粒推到转鼓的小端沿径向甩出，液相和固液混合相在转鼓大端溢流排出，高速旋转可以给固液混合物提供较大的分离因素，最大可以超过 3 000g，相当于超过重力沉降的 3 000 倍，所以固体料层较密实，含液量较低，应用于钻井排出的废泥浆，可以使其排出的固体达到国家固体废弃物排放标准。

1.7 离心沉降搅拌压滤法

对于粒度细、比重接近液体而形成的悬浮液，固体的沉降速度特别慢，甚至长时间处于悬浮状态，难以采用自然或浓缩沉降法进行处理，如部分生物制药、淀粉分离、大豆蛋白脱水、工业污水、城市生活污水等行业，这些都需要先采用高分离因素的沉降离心机进行浓缩，将难以自然沉降的小比重细粒固体通过强大的离心力甩到沉降离心机转鼓的外层，形成固体层或固液浓浆层，通过与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将其沿转鼓内壁推到转鼓的小端沿径向甩出，沉降离心机转鼓的内层的清液在转鼓大端溢流排出收集利用。沉降离心机转鼓小端沿径向甩出固液浓浆给入搅拌桶进行缓冲，然后再给入压滤机进行固液分离，压滤机的滤液给入沉降离心机或者和其溢流混合利用，压滤机的滤饼作为工业原料。

2 不同过滤方式的优缺点对比

自然沉淀法的优点是机械设备用量很少、能耗低、投资低；缺点是占地面积大、固液分离时间长、受地形位置和占地面积的限制较多。浓缩过滤法的优点是流程短、工艺简单、占地面积小、设备少、投资低；缺点是使用范围窄，不适用于固体颗粒较小 (25µm 以下) 和比重较轻的物料。浓缩搅拌压滤法的优点是流程和工艺短、设备和占地面积适中，可以实现比重轻和细度小的固液混合物的固液分离；缺点是压滤机间断供料、处理量小、设备投资偏高。旋流筛分浓缩过滤法的优点是分级分选效果好，可以实现黏稠度低的颗粒物与水的分离；缺点是流程偏长、设备种类多、工艺流程复杂。旋流筛分浓缩搅拌压滤法的优点是分级分选效果好，可以实现黏稠度高的矿物与水的分离；缺点是流程偏长、设备种类多、维修成本高。离心沉降法的优点是占地面积小、固体含液量低；缺点是溢流含固量高、设备费用高、运行能耗高。离心沉降搅拌压滤法的优点是首先采用离心沉降法分离出大部分的液体，大大降低搅拌桶和压滤机的使用量，提高生产效率，节省占地面积，降低设备和工程投资；缺点是工艺能耗最高。

3 发展趋势

随着社会的发展，细粒固液混合物的种类不断增多，细粒固液混合物的分离方法也在不断变化，总的发展趋势可分为 2 个方面。一是细粒固液混合物分离系统集成化，将处理某一种类的细粒固液混合物的工艺和设备进行整合，让系统高度自动化和适度智能化，方便根据物料情况进行调整，整合后整体体积小、便于安装和搬迁，应用方便。如将旋流器、离心机、振动筛等集成为一体应用于钻井污泥的处理；将旋流器、振动筛和带式输送机等集成为一体应用于煤泥处理等。二是固液分离向微细粒方向发展，如应用于净水处理的膜过滤技术、纳滤技术、微滤技术、超滤技术、反渗透技术等在工业和生活中广泛应用；应用浮选技术脱除工业废水中的色素和金属离子；应用硅藻土的过滤和吸附特性，清洁工业和生活用水；应用磁分离技术[2]脱除生活污水、食品废水、含油废水和印染废水的有害杂质，也可以去除各种污水中的磁性微细颗粒；应用微砂沉淀技术[3]处理海水，降低海水浊度，满足电厂用水需要等。

4 结语

随着我国对环境要求的不断提高，细粒固液混合物的分离方法随着工业技术的发展不断变化和增多，系统的自动化和智能化不断提高，应用领域越来越广，其分离方法针对不同的应用行业和领域应具体情况具体分析，必要时采用不同方法进行对比试验，同时进行综合分析，既要考虑节省建设投资，又要考虑节能、节省运行费用和节省人力物力，还需要考虑系统运行稳定可靠，通过多方面对比寻找最佳的细粒固液混合物的分离方法。