CN108686956A - 一种粉体颗粒分选装置及分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉体颗粒分选装置和分选方法，粉体颗粒分选装置包括1个储料仓和N组分选单元(N≥1)；每组分选单元包括1个斜板和2个并列连接的接料仓；储料仓用于存储待分选的粉体颗粒；每组分选单元中：斜板用于使先从储料仓流出的粉体颗粒在斜板的表面形成堆积层，当堆积角度达到休止角时，使继续流出的粉体颗粒在堆积层的上方形成流动层；两个接料仓分别用于接收斜板的流动层流下的不同流速范围的粉体颗粒；储料仓的出料口与斜板的垂直间距不低于堆积层的最大厚度和流动层的厚度之和。分选方法用上述分选装置进行。本发明的装置及方法可以有效地对粉体颗粒进行分选收集，具有结构简单、分离效果好、功能多、轻便、高效、持续等优点。

Description

一种粉体颗粒分选装置及分选方法

技术领域

本发明属于粉体技术领域，涉及粉体颗粒检测分级设备技术领域，具体涉及一种粉体颗粒分选装置及分选方法。

背景技术

粉体是由无数相对较小的颗粒状物质构成的一个集合体。自然界中不同的物质，很多都是以粉体状态存在的，如自然界中的土壤、建材行业中的水泥、砂石、工业中的大量原料(如煤粉)、涂料、磨料、颜料、添加剂和催化剂以及大量的工业制品(如塑料、纤维)等。针对粉体的研究是当今国际上的一个研究热点，具有重要的基础科学意义和工程应用价值。

粉体在工业中的应用往往要求其精度和纯度达到一定的数值，在某些情况下就需要对现有的粉体进行筛离或者分选。不同形状、大小、密度的颗粒在一定的颗粒体系中的相互掺混和分选在很多制药过程、工业过程、以及在地球物理领域中都是很棘手的问题，尤其是粉体颗粒分选对颗粒物质的流变特性和运动距离的影响巨大。

最简单而古老的分选方法是人工拣选，即人们凭借直接观察、感觉和判断，对多种组成的固体混合物料进行按组分分选。人工分选尽管具有识别能力强、操作灵活等优点，但也存在主观性强、工作劳动强度大、卫生条件差等问题。机械分选被广泛应用在各行各业中，一般而言，需要根据物料中不同组分之间的物理及化学性质的差异，选用合适的设备，进行物料分选。其中，摩擦弹跳分选机是根据固体废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达到分离的目的。最早应用摩擦与弹跳原理选矿，是用倾斜板分选石棉，因效率低，已很少采用。

亟需一种粉体颗粒分选装置及分选方法来克服现有技术存在的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有的人工粉体颗粒分选存在主观性强、工作劳动强度大、卫生条件差以及机械粉体颗粒分选存在效率低的缺陷，提供了一种粉体颗粒分选装置及分选方法，本发明的粉体颗粒分选装置投资小、处理量大、分离效率高，且本发明的粉体颗粒分选方法操作简单。

本发明是通过如下技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种粉体颗粒分选装置，所述粉体颗粒分选装置包括1个储料仓和N组分选单元(N≥1)；每组所述分选单元包括1个斜板和2个并列连接的接料仓；

所述储料仓用于存储待分选的粉体颗粒；

每组所述分选单元中：

所述斜板用于使先从所述储料仓流出的粉体颗粒在所述斜板的表面形成堆积层，当堆积角度达到休止角α时，使继续流出的粉体颗粒在所述堆积层的上方形成流动层；

两个所述接料仓分别用于接收所述斜板的流动层流下的不同流速范围的粉体颗粒；

所述储料仓的出料口与所述斜板的垂直间距不低于所述堆积层的最大厚度和所述流动层的厚度之和。

本发明中，所述的粉体颗粒为本领域常规的待分离的粉体颗粒混合物，所述粉体颗粒一般对精度和纯度存在一定要求，所述粉体颗粒的内摩擦角为γ；

其中，所述粉体颗粒可选自煤炭、矿物、食品谷物、化工制品或固体废物等，较佳地为煤粉、玻璃球、胶囊、大米、黄沙、石子、活性炭等。

其中，所述粉体颗粒的内摩擦角γ反映了粉体颗粒间的摩擦特性和抗剪强度。粉体颗粒的内摩擦角可通过剪切测试获得：将粉体放置在剪切盒内在一定的正应力σ下进行剪切，得到粉体层崩塌时对应的最大切应力τ，借助库伦定律τ＝σtanγ+c对上述的一系列正应力和最大切应力进行拟合，即可获得粉体内摩擦角γ，其中c为粉体颗粒的内聚力。

其中，所述粉体颗粒的粒径范围为本领域常规，较佳地为≥100μm，更佳地为150～500μm。

本发明中，所述的休止角α具有本领域常规含义，具体是指在重力场中粉体颗粒在堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子之间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得的最大角。现有的测定休止角的方法主要为注入法，注入法的步骤为：将粉体颗粒从漏斗上方慢慢加入，从漏斗底部漏出的物料在水平面上形成圆锥状堆积体的倾斜角；本发明所述的休止角的测定方法与现有的休止角的测定方法相比，区别在于本发明在测定休止角的过程中，粉体颗粒从漏斗中流出时具有一定的流率，而非慢慢流出。

本发明中，所述储料仓位于所述斜板的上方，用于存储待分选的粉体颗粒，所述储料仓的结构为本领域常规，较佳地，所述储料仓的结构为锥形或楔形；当所述储料仓为锥形结构时，往往设置1个出料口；当储料仓为楔形结构时，往往设置多个尺寸相同的出料口；

更佳地，为了最大限度地利用所述储料仓的存储空间，所述储料仓的结构设计遵循整体流料仓Jenike理论，即所述储料仓的半顶角θ的最大值满足：

其中，φ_w是所述粉体颗粒与所述储料仓的壁面摩擦角，φ_e是所述粉体颗粒的有效内摩擦角。

较佳地，为了保障所述粉体颗粒能够顺畅流出所述储料仓，所述储料仓的出料口的最小口径D₀满足：

其中，f_c是所述粉体颗粒的无限屈服强度，ρ_b是所述粉体颗粒的堆积密度，g是重力加速度。H(θ)是与所述储料仓半顶角相关的函数，且满足(锥形储料仓i＝1，楔形储料仓i＝0，θ是储料仓的半顶角)。

本发明中，所述斜板与水平面形成斜板倾角所述斜板倾角小于粉体颗粒的内摩擦角γ，分选初期，由于粉体颗粒所受的摩擦阻力较重力分量大，粉体颗粒会首先在斜板上形成堆积层；当堆积角度达到临界值α时(对应堆积层厚度夹角)，粉体颗粒才会在重力推动力下向下流动，并在所述堆积层的上方形成流动层。粉体颗粒的堆积层的临界堆积角度取决于粉体颗粒自身性质，和初始设置的斜板倾角无关，因此，在分选不同的粉体颗粒时，极大地降低了对斜板倾角设置的依赖性。其中，所述斜板倾角与所述内摩擦角γ的关系较佳地为更佳地为

本发明中，所述粉体颗粒的内摩擦角γ与前述所述的粉体颗粒的有效内摩擦角φ_e的概念具有差别，计算方法也略有差异，均通过本领域常规的计算方法获得。

其中，所述堆积层的厚度为h，是指所述堆积层最上层的粉体颗粒到所述斜板之间的垂直间距，所述堆积层在所述斜板的首端到所述斜板的末端的厚度逐渐减小；所述流动层的厚度为δ，是指所述流动层最上层的粉体颗粒到所述堆积层最上层之间的垂直间距，在实际的工业应用中，所述堆积层以及所述流动层的最上层一般不为规则的平面，但可将其近似为一规则的平面以便进行相应的计算，所述流动层各位置的厚度可近似相同。

现有技术中，传统的固定式斜面分选机的斜面倾角φ往往要求大于粉体颗粒的内摩擦角γ，以保障粉体颗粒能够沿斜面向下滑动或滚动。一方面，该分选机对斜面倾角要求较高，由于不同粉体颗粒的内摩擦角迥异，实际应用中需要先测定粉体颗粒的内摩擦角再进行相应调整，操作较为复杂；另一方面，对于传统固定式斜面分选机，粉体颗粒以薄层形式沿斜板运动，粉体颗粒在空间方向的速度分布不明显，即粉体颗粒形成的流动层的表面和底面的速度差异性不大，从而使得传统斜面分选机的分选效率较低，而且，大量快速流动的粉体颗粒还对斜板会产生较大的磨损，降低了分选机的使用寿命。

本发明中，所述粉体颗粒的堆积层在整个分选过程中基本是静止不动的，后续的粉体颗粒在堆积层上方流动，形成粉体流动层，本发明形成的堆积层-流动层模式优点在于：(1)高效分离，粉体颗粒的流动层在空间方向形成逐渐降低的速度分布，由于粉体颗粒的流动层的底面和静止的堆积层相邻，此处速度基本为零，因此粉体颗粒的流动层内的速度梯度较大，有利于不同速度范围的粉体颗粒的分选；(2)装置保护，静止的粉体颗粒的堆积层的存在极大地降低了传统固定式斜面分选机中斜面所承受的来自大量粉体颗粒的摩擦作用，可起到设备保护作用。

本发明中，所述斜板的宽度记为B，所述斜板的宽度B≥30d_L，较佳地为50～80d_L，其中，d_L为粉体颗粒粒径的最大值。本发明采用较窄的斜板来分选不同的粉体颗粒，与传统的固定式斜面分选机和皮带分选机所常用的较宽斜面不同相比，本发明的斜板宽度设置可减少粉体颗粒在流动径向方向的返混，较窄的斜板构建了一种近似二维的粉体颗粒流动，强化了粉体颗粒在空间方向的速度差异性，有利于不同组分颗粒的分选。

本发明中，所述斜板的长度记为L，所述斜板的长度L≥10B，较佳地为20～40B。粉体颗粒经过斜板的加速后，能够达到足够的速度来实现不同组分的分选。

本发明中，所述接料仓位于所述斜板的下方，用于接收经所述斜板流下的粉体颗粒，其中，每块斜板对应两个接料仓，用于接受不同的粉体颗粒。由于流动层在空间方向形成了逐渐降低的速度分布，且由于粉体颗粒流动过程中发生了反粒序结构演变，流动层的上层主要为流动速度较快的大粒径粉体颗粒，而流动层的下层主要为流动速度较小的小粒径粉体颗粒，因此，流动速度较快的粉体颗粒收集于较远处的接料仓内，而流动速度较慢的粉体颗粒收集于较近处的接料仓内；也可在两个接料仓之间设置一挡板，来分隔不同速度范围的粉体颗粒，实现粉体颗粒分选。

其中，每块斜板对应的两个接料仓的形状为本领域常规，较佳地，每块斜板对应的两个接料仓相同。

本发明中，所述储料仓与所述斜板的首端的间距越小越好，以降低从储料仓流出的粉体颗粒对斜板的冲击力，从而减少扬尘污染，但所述储料仓的出料口与所述斜板的垂直间距不低于所述堆积层的最大厚度h_m和所述流动层的厚度δ之和，以保证粉体颗粒从储料仓中顺利流出，较佳地，所述储料仓的出料口与所述斜板的垂直间距为(1～5)Δ，更佳地为(1.5～3)Δ，其中，Δ表示所述堆积层的最大厚度h_m与所述流动层的厚度δ之和。

本发明中，所述接料仓的最顶端与所述斜板的末端的垂直间距应越小越好，以避免扬尘和粉体颗粒的外流；

其中，当所述接料仓与所述斜板之间不设置挡板时，任一所述斜板的末端与其对应的接料仓的最顶端的垂直间距可根据粉体颗粒的流出速度自行设置，较佳地，任一所述斜板的末端与其对应的接料仓的最顶端的垂直间距不低于所述堆积层的最大厚度h_m和所述流动层的厚度δ之和，以保障当斜板上粉体颗粒受外力作用整体滑落时能够顺利进入接料仓，更佳地，所述接料仓的最顶端与所述斜板的末端的垂直间距为(1～5)Δ，进一步更佳地为(1.5～3)Δ。

其中，当所述接料仓与所述斜板之间设置挡板时，较佳地，所述挡板的顶端位于所述粉体颗粒的流动层的厚度的1/4～3/4处，所述挡板的顶端在所述流动层中的位置自所述流动层的底部向所述流动层的顶部计。

本发明还提供了一种粉体颗粒的分选方法，采用上述粉体颗粒分选装置进行，包括如下步骤：

将粉体颗粒放入储料仓中，打开储料仓出料口，粉体颗粒经斜板落入到不同的接料仓内，即可。

本发明中，当上述粉体颗粒分选方法的分选效果不显著或需要再次细分时，可将经上述粉体颗粒分选装置分选得到的不同粒径粉体颗粒分别进行重复分选，来强化分选效果。

本发明的连续高效粉体颗粒分选装置及方法，可应用于煤炭分选、矿物分选、食品谷物分选、化工制品分选、固体废物分选等相关领域。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果是：本发明的粉体颗粒分选装置在运行过程中构建二维粉体颗粒流动分离模式，在分选过程中自发形成粉体颗粒的堆积层和流动层。流动层内粉体颗粒基于动能原理，不同组分的粉体颗粒上获得不同的动能，形成速度边界层；堆积层内粉体静止不动，增大了流动层内的粉体颗粒速度梯度，且窄斜板设置阻止粉体颗粒返混，最终不同速度的粉体颗粒分别落入不同位置的储料仓内。采用本装置及方法可以有效地对粉体颗粒进行分选收集，具有结构简单、分离效果好、功能多、轻便、高效、持续等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1、实施例2的粉体颗粒分选装置的结构示意图。

图2为本发明实施例3粉体颗粒分选装置的二次分选方法示意图。

图3为本发明实施例1的粉体颗粒粒径分布示意图。

图4为本发明实施例2的粉体颗粒粒径分布示意图。

图5为对比例1的粉体颗粒粒径分布示意图。

附图标记说明：

储料仓1；

斜板2；

接料仓3；

流动层4；

堆积层5；

挡板6；

斜板倾角

休止角α；

粉体颗粒9；

一次分选用斜板21；

一次分选用接料仓31；

二次分选用斜板22；

二次分选用接料仓311。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

本实施例涉及玻璃微珠颗粒分选：

本实施例中，将两种不同颗粒度(>148μm和<148μm)的玻璃微珠混合，然后采用图1所示装置进行颗粒分选。所采用的分选装置结构如下：储料仓1为圆锥形结构，高120mm、半顶角30°、出口直径10mm。斜板2长478mm、宽15mm，与水平面的夹角(斜板倾角)为15°，玻璃微珠的内摩擦角为23.2°。混合颗粒(粉体颗粒9)从储料仓1流出，首先在斜板2上形成堆积层5，后续流出的粉体颗粒在堆积层5上流动，并形成厚度7.0mm的流动层4。该流动层4的表面速度1.296m/s，逐渐递减到底面速度0m/s，且上层以大颗粒为主、下层以小颗粒为主。

设置不同的挡板高度对出口流动层不同深度处进行取样(y＝0.25δ，0.50δ，0.75δ)。由于粉体颗粒流动过程中发生了反粒序结构演变，上层主要为流动速度较快的大颗粒，而下层主要为流动速度较小的小颗粒。因此，挡板上方粉体颗粒落入接料仓A，挡板下方粉体颗粒落入接料仓B，从图示来看，接料仓A位于左边，接料仓B位于右边。分别测量储料仓内混合颗粒和接料仓A内粉体颗粒的粒径分布，测试结果如图3所示。由图可见，混合颗粒及经不同挡板高度(y＝0.25δ，0.50δ，0.75δ)分离后的颗粒中<148μm的细颗粒含量分别为28.5％、0％、0％和0％。表明，对于上述玻璃珠微珠粉体颗粒，设置挡板顶端位于所述粉体颗粒流动层厚度的1/4处以上，即可实现不同粒径粉体颗粒分选。

实施例2

本实施例涉及煤粉颗粒分选：

本实施例中，将两种不同颗粒度(>258μm和<258μm)的煤粉混合，然后采用图1所示装置进行颗粒分选。所采用的分选装置结构如下：储料仓1为圆锥形结构，高120mm、半顶角30°、出口直径10mm。斜板2长478mm、宽15mm，与水平面夹角(斜板倾角)为25°，煤粉颗粒的内摩擦角为33°。混合颗粒(粉体颗粒9)从储料仓1流出，首先在斜板2上形成堆积层5，后续流出的粉体颗粒在堆积层5上流动，形成上层以大颗粒为主、下层以小颗粒为主的厚度约6.0mm的流动层4。

设置不同的挡板高度对出口流动层不同深度处进行取样(y＝0.25δ，0.50δ，0.75δ)。分别测量储料仓内粉体颗粒和接料仓A内粉体颗粒的粒径分布，从图示来看，接料仓A位于左边，测试结果如图4所示。由图可见，混合颗粒及经不同挡板高度(y＝0.25δ，0.50δ，0.75δ)分离后的颗粒中<258μm的细颗粒含量分别为32.9％、21.1％、20.3％和9.4％。可见，若设置挡板顶端位于所述粉体颗粒流动层厚度的3/4处，可显著提升煤粉混合颗粒的分选效果。

实施例3

本实施例涉及煤粉颗粒的二次分选：

将实施例2中接料仓A、B中得到的粉体颗粒采用如图2所示的流程示意图进行二次分选，得到分选效果更佳的产品。

对比例1

本对比例涉及玻璃微珠颗粒分选

本对比例中，将两种不同颗粒度(>148μm和<148μm)的玻璃微珠混合，然后采用与图1所示装置相似的装置进行颗粒分选。所采用的分选装置结构如下：储料仓为圆锥形结构，高120mm、半顶角30°、出口直径10mm。斜板长478mm、宽15mm，与水平面夹角(斜板倾角)为45°，玻璃微珠的内摩擦角为23.2°。粉体颗粒从储料仓流出，整体沿着斜板向下流动，流动层厚度为3mm，表面处速度约为1.7m/s，底层处速度约为0.7m/s。

设置不同的挡板高度对出口流动层不同深度处进行取样(y＝0.25δ，0.50δ，0.75δ)。分别测量储料仓内粉体颗粒和接料仓A(位于两个接料仓的左边)内粉体颗粒的粒径分布，测试结果如图5所示。由图可见，混合颗粒及经不同挡板高度(y＝0.25δ，0.50δ，0.75δ)分离后的颗粒中<148μm的细颗粒含量分别为19.6％、19.21％、18.1％和0％。可见，若斜板倾角超出本发明保护范围，同样条件下需要提升挡板顶端到所述粉体颗粒流动层厚度的3/4处，才可实现不同粗细玻璃微珠混合颗粒的全部分离。此种情况的分选效率低于实施例1。

对比实施例1和实施例2，说明对于不同粉体颗粒，应灵活调整挡板位置。对于易分选的粉体颗粒，挡板位置可相对较低(如玻璃微珠，挡板高度y＝0.25δ即实现100％的粗细颗粒分选)；对于难分选的粉体颗粒，挡板位置相对较高(如煤粉，挡板高度y＝0.75δ仍然有少部分细颗粒无法分选)，此时可采用如图2所示的采用二次分选方法。

对比实施例1和对比例1可以看出，实施例1的玻璃微珠可以在斜板上上首先形成堆积层，而后形成流动层，从而实现了高效的分离；而对比例1的玻璃微珠在斜板上则是直接通过流动层的形式流下，最终的分离效果较差，这也说明了设置斜板倾角小于物料内摩擦角的优越性。即，处于本发明保护范围内时，可实现对大量粉体颗粒的分选，分选效率高。

Claims (10)

1.一种粉体颗粒分选装置，其特征在于，所述粉体颗粒分选装置包括1个储料仓和N组分选单元(N≥1)；每组所述分选单元包括1个斜板和2个并列连接的接料仓；

所述储料仓用于存储待分选的粉体颗粒；

每组所述分选单元中：

所述斜板用于使先从所述储料仓流出的粉体颗粒在所述斜板的表面形成堆积层，当堆积角度达到休止角α时，使继续流出的粉体颗粒在所述堆积层的上方形成流动层；

两个所述接料仓分别用于接收所述斜板的流动层流下的不同流速范围的粉体颗粒；

所述储料仓的出料口与所述斜板的垂直间距不低于所述堆积层的最大厚度和所述流动层的厚度之和。

2.如权利要求1所述的粉体颗粒分选装置，其特征在于，所述储料仓的结构为锥形或楔形；当所述储料仓为锥形结构时，设置1个出料口；当储料仓为楔形结构时，设置多个尺寸相同的出料口。

3.如权利要求2所述的粉体颗粒分选装置，其特征在于，所述储料仓的半顶角θ的最大值满足：

其中，φ_w是所述粉体颗粒与所述储料仓的壁面摩擦角，φ_e是所述粉体颗粒的有效内摩擦角；

和/或，所述储料仓的出料口的最小口径D₀满足：

其中，f_c是所述粉体颗粒的无限屈服强度，ρb是所述粉体颗粒的堆积密度，g是重力加速度，H(θ)是与所述储料仓半顶角相关的函数，且满足其中，θ是储料仓的半顶角，锥形储料仓i＝1，楔形储料仓i＝0。

4.如权利要求1所述的粉体颗粒分选装置，其特征在于，所述斜板与水平面形成斜板倾角所述粉体颗粒的内摩擦角为γ，所述斜板倾角小于所述粉体颗粒的内摩擦角γ；较佳地，所述斜板倾角与所述内摩擦角γ的关系为更佳地为

5.如权利要求1所述的粉体颗粒分选装置，其特征在于，所述斜板的宽度记为B，所述斜板的宽度B≥30d_L，较佳地为50～80d_L，其中，d_L为粉体颗粒粒径的最大值；

和/或，所述斜板的长度记为L，所述斜板的宽度记为B，所述斜板的长度L≥10B，较佳地为20～40B。

6.如权利要求1所述的粉体颗粒分选装置，其特征在于，所述储料仓的出料口与所述斜板的垂直间距为(1～5)Δ，较佳地，所述储料仓的出料口与所述斜板的垂直间距为(1.5～3)Δ，其中，Δ表示所述堆积层的最大厚度h_m与所述流动层的厚度δ之和。

7.如权利要求1所述的粉体颗粒分选装置，其特征在于，当所述接料仓与所述斜板之间设置挡板时，所述挡板的顶端位于所述粉体颗粒的流动层的厚度的1/4～3/4处，所述挡板的顶端在所述流动层中的位置自所述流动层的底部向所述流动层的顶部计；

和/或，当所述接料仓与所述斜板之间不设置挡板时，任一所述斜板的末端与其对应的接料仓的最顶端的垂直间距不低于所述堆积层的最大厚度h_m和所述流动层的厚度δ之和，较佳地，所述接料仓的最顶端与所述斜板的末端的垂直间距为(1～5)Δ，更佳地为(1.5～3)Δ，其中，Δ表示所述堆积层的最大厚度h_m与所述流动层的厚度δ之和。

8.一种粉体颗粒的分选方法，采用如权利要求1～7任一项所述的粉体颗粒分选装置进行，包括如下步骤：

将粉体颗粒放入储料仓中，打开储料仓的出料口，粉体颗粒经斜板落入到不同的接料仓内，即可。

9.如权利要求8所述的粉体颗粒的分选方法，其特征在于，所述粉体颗粒为煤炭、矿物、食品谷物、化工制品和固体废物中的一种或多种，较佳地为煤粉、玻璃球、胶囊、大米、黄沙、石子和活性炭中的一种或多种。

10.如权利要求8所述的粉体颗粒的分选方法，其特征在于，所述粉体颗粒的粒径为≥100μm，较佳地为150～500μm。