磁分离技术

磁分离技术（精选四篇）

磁分离技术 篇1

1. 1磁分离原理

当对一个被磁化颗粒施加梯度磁场时, 作用在它两级的磁场力不等, 颗粒受到净力作用发生运动被分离出来, 这就是磁分离的原理。

磁化颗粒在磁场中受到的净力与颗粒产生的磁化强度、颗粒体积、外磁场强度及其梯度有关。计算公式为式中FM为磁场力, χ 为磁化强度, V为颗粒体积, H为磁场强度, d H/dx为磁场梯度。由此可见, 磁场强度越高磁场梯度越大, 颗粒受到净力作用就越大, 磁分离效果也就越好。

1. 2主要磁分离类型

按取得较高磁场梯度的方法, 磁分离技术分为两类: 一类是高梯度磁分离, 形成相对均匀的高磁场区, 在此区域中填充一定量的磁性介质, 使得磁性介质周围的磁场发生畸变, 形成磁分离需要的高梯度磁场; 另一类就是开梯度磁分离, 其可直接形成场强较高、磁场梯度也较高的区域, 在此区域实现对磁性物质的分离, 而不需使用磁性材料做介质。

在高梯度磁分离系统中, 分选过程一般是湿式的, 流体通过分选区时, 其中的磁性物质被吸附到磁性介质 ( 一般为金属丝状物) 上, 从而达到分离的目的。它的优点是磁场梯度大, 磁力密度可达1012N m2［1］, 易于分选细颗粒、弱磁性的物质。缺点是处理量受空间限制, 分选过程是湿式的, 需设计专门的自动装置实现连续工作、避免堵塞; 作用力程短, 只有0. 1mm左右。如果希望有尽可能的大磁选应用范围, 即便是弱磁性物质也易被分选, 可选择高梯度磁分离技术。开梯度磁分离系统的分选过程可以是湿式的, 也可以是干式的。其分选原理是待分选物质通过分选区时, 其中的磁性物质在磁力作用下发生偏转, 而非磁性物质继续原来的运动轨迹, 实现磁性与非磁性物质的分离。优点是单机处理量大; 不易发生阻塞, 可连续工作; 作用力程较长, 可达10mm左右。缺点是磁力密度较小, 只有大约为105N / m2。主要适用于处理量大、大颗粒物质的分离。

1. 3超导磁分离技术

常规磁分离技术按照磁场来源分为永磁技术和电磁技术两种。永磁体产生的最大磁场较小, 加铁芯的常规电磁体产生的最大磁场受到饱和磁化强度限制, 很难超过2T; 而不用铁芯的常规电磁体要获得大磁场需要非常大的电能励磁, 同时使用大量的冷却水来防止绕组熔化, 运行成本极高。而超导磁分离技术是使用超导磁体作为磁分离磁场来源, 无论超导磁体是使用超导块材还是超导线作, 本身几乎不消耗电能, 只需很小的维持低温条件的电能就能获得强磁场, 不需铁芯, 也没有水冷问题, 有很大的发展前途。

超导磁分离技术按照使用超导材料不同, 分为低温超导磁分离和高温超导磁分离。低温超导技术已经较为成熟, 现有超导磁分离系统多使用低温超导磁分离技术。但是低温超导技术需要极低的环境温度, 实现这个工作温度需要使用液氦冷却 ( 4. 2K) , 成本很高。

而高温超导材料临界温度高, 使用液氮 ( 77K) 制冷即可。空气的主要成分是氮气, 将空气冷却至77K便液化, 因而液氮成本很低。高温超导磁体的临界磁场和临界电流密度与温度有关, 只要使用制冷机降温至20K左右, 就能大幅提高其产生的磁场, 使得性能大幅提高。高温超导磁分离技术国内外研究基本处于实验室阶段, 但因其具有低温超导磁分离技术无法比拟的优势, 必将取代低温超导磁分离技术。

2国内外研究现状

2. 1低温超导磁分离技术研究现状

多年前美国伊利磁学公司就研制了用于提纯高岭土的超导高梯度磁分离机, 处理量为20t/h, 此高梯度磁分离机磁体为Nb Ti线绕制的超导螺管, 工作电流840A时中心磁场可达2T, 磁体绕组内径为2. 36m, 外径2. 61m, 高0. 508m［1－3］。

英国CCL公司也曾为南非Foskor磷灰矿研制了一台开梯度超导磁分离机, 用于弱磁性中等粒度磷灰石的分选, 分选磁场强度为3. 5T, 处理量达60t / h［1－3］。

德国KDH公司为土耳其伊斯坦布尔菱镁矿制作了一台鼓筒形开梯度低温超导磁分离机, 可进行干式磁选, 对弱磁性粗粒蛇纹石有很好的分选效果, 分选区磁场大于3T, 处理能力最高可达100t/h［1－3］。

80年代捷克也曾研制出一台磁场强度达5T的往复式高梯度超导磁分离机, 用于提纯高岭土, 仅在矿山做试运行［1－3］。我国多个研究单位先后开展了超导磁分离技术的研究工作, 为了实现对赤铁矿石的分选, 北京有色金属研究院和北京大学联合研制磁场强度达6T的超导高梯度磁分离装置并进行试验。北京大学和北京自动化研究所也联合研制了一台分选区直径10cm, 中心磁场约为5T的超导高梯度磁分离装置, 对金刚石尾矿进行分选试验。北京有色金属研究院还利用一台超导开梯度磁分离机分别进行了一系列干式、湿式分选试验［1，3］。

中国科学院电工研究所1990年建成了我国第一台工业化的超导高梯度磁分离装置。其分选口径80mm, 有效分选长度400mm, 超导磁体为Nb Ti线绕制的螺管磁体, 可产生5T的磁场。分选试验结果是高岭土的白度提高了4度, 高硫煤的无机硫和总硫脱除率分别可达60% 和50%［1，3－5］。

中国科学院电工研究所与低温技术实验中心合作研制了处理量达3t/h的试验用超导高梯度磁分离工业样机, 用于分选高岭土。其中心磁场达3. 5T, 装置孔径为0. 5m, 有效分选长度达1m。试验结果表明, 高岭土的白度提高3. 7 ~ 5. 3度［1，3］。

2008年11月, 高能物理研究所与企业合作, 成功研制我国首台低温超导除铁器。除铁器是将混在物料中的磁性金属杂质清除的设备, 可提高原料品质, 主要应用于港口、矿山, 是磁分离装置的一种。 这台除铁器底部表面最高磁场大于2T, 设备直径2. 3m, 高2. 3m, 重11. 8t, 可达到较好的除铁效果［6］。

2. 2高温超导磁分离技术研究现状

美国超导公司研制了一台高温超导高梯度磁分离机, 分离机装置内直径2. 5cm。高温超导磁体使用624m Bi-2223高温超导线材绕制而成, 其外直径18cm, 内直径5cm, 高度为15. 5cm, 线圈匝数为1830匝, 有双饼线圈17个。磁体分别在12 ~ 29K温度下进行了测试, 测试结果表明其在27K时能产生1T以上的磁场, 后又使用此磁分离机进行了高岭土磁分离试验［7－8］。

阿跨法恩公司、住友商事电气工业公司和杜邦公司联合完成了一项高温超导高梯度磁分离研究, 所使用磁分离装置内直径4cm。高温超导磁体使用宽3. 5mm、厚0. 24mm的Bi-2223高温超导线材绕制, 线圈内直径6cm, 外直径18cm, 高15cm, 有19个双饼线圈, 匝数为2600匝, 总重27kg, 电感0. 31H。 此磁体在21K时能产生3T的磁场, 试验结果表明将其用于去除高岭土中磁性物质, 高岭土亮度可明显提高［9］。

澳大利亚卧龙岗大学也使用Bi-2223线材研制了一款高温超导高梯度磁分离机, 磁体由12个单元组成, 在30K时能产生3T的磁场［10］。

日本九州电力公司和日立公司则联合研制了一款高温超导开梯度磁分离装置, 使用已充磁的边长33mm、厚20mm的YBCO方形高温超导块材作为分选磁体, 进行湿式分选。此装置可用于分选湖泊中的富营养物质, 也可从高岭土与水的混合物中去除高岭土, 试验表明提取高岭土的去除比例可以达到92. 7%［11］。

中国科学院电工研究所也研制了高温超导高梯度磁分离机, 磁体使用Bi-2223线材绕制, 内外直径分别为12cm和21. 2cm, 高11. 18cm, 冷却至10K时可以产生3. 22T的磁场。电工所将其用于钢铁厂工业废水的处理的实验结果表明, 其分离效率可达84. 1%［12］。

3对高温超导磁分离技术设计改进方案

高温超导磁分离技术分为高梯度与开梯度磁分离两种。就这两类模式, 本课题组分别进行了调查、 研究, 对现有技术的缺陷提出自己的设计方案, 此两项方案相比现有技术都有很大改进。

3. 1高温超导高梯度磁分离系统设计

上述高温超导高梯度磁分离装置都是使用螺管形高温超导磁体产生一个高强度的匀强磁场, 在匀场区填充磁性介质实现磁场发生畸变, 形成高梯度磁场。但螺管磁体只有中心部分磁场较为均匀, 这就缩小了分选区。为了扩大分选区, 实现对现有磁分离系统的改良, 我们提出给螺管磁体加补偿线圈来提高磁场均匀度。

3. 1. 1高温超导材料选择

用高温超导技术实现磁分离, 可以选用高温超导块材或线材, 块材在77K最高可产生3T以上的磁场。由于临界电流密度限制, 线材制作的磁体则只能产生略高于1T的磁场, 相比处于劣势。但块材的磁场作用距离小, 不适宜高梯度磁分离对分选空间的要求, 本研究选用线材, 二代YBCO线材性能好, 为研究首选。运行状态则考虑使用制冷机降至20K以下温度, 以提高磁场至3T以上。

3. 1. 2磁体绕组改进方案

经过研究发现高梯度磁分离系统设计中分选区外磁场强度最好要有一定的均匀度。这是因为磁分离效果与磁场强度、磁场梯度均有关。当流体流过分选区时垂直于流向的截面上各处外磁场强度不同会导致在不同位置流动的流体分离效果不同, 影响分离效果。而流向上各处外磁场强度不同则会导致分离效果在流体经过分选区时前后不一, 特别是使需要较高外磁场才能分离的小粒度颗粒只短时间经历高外磁场, 可能需要多次磁分离才能达到分离效果。至于需要多大的磁场均匀度, 就已有的一些装置的设计要求来看, 最高要求达到95% 。

对于高梯度磁分离系统而言, 一般要求在一个圆柱体内受到轴向磁场作用并有均匀度要求。这通常使用螺管绕组来实现, 并在绕组内部解决磁场均匀度问题。有限长直螺管磁体长度与直径比越大, 其内部磁场均匀度就越高。这样的磁体可以保证在其中心相当大范围的与其同轴的圆柱体空间内磁场的均匀度。例如中科院电工研究所建成的我国第一台低温超导高梯度磁分离装置的磁体即为螺管磁体, 其内径为136mm, 长度560mm。为满足磁分离的要求该装置在口径为80mm, 有效分选长度为400mm, 分选区内磁场均匀度达到95%［4］。但是实际设计中有时要求分选区口径较大, 以增加处理量。 为节约超导磁体制造成本也可能使用较短分选长度的分离装置多次分选来达到效果。这样就可能出现磁体长度与直径比较小, 从而分选区内磁场均匀度较小。

因此, 我们提出通过在螺管磁体两端加补偿线圈来提高磁场均匀度, 它只用增加少量的带材消耗就能扩大匀场分选区范围, 可使用相关磁体设计软件完成设计。但作为超导磁体要考虑磁体两端径向磁场较大, 可能导致临界电流密度下降, 可以在这里使用两根带材并联或厚度高、临界电流密度大的带材取代原有带材来解决。

3. 2高温超导开梯度磁分离系统设计

现有超导开梯度磁分离装置多使用超导线圈制作, 也有使用单块高温超导块材的, 但尚未有使用多块高温超导块材的。高温超导块材性能优于超导线圈, 但体积较小, 产生磁场范围小。而使用多块高温超导块材可以提供较大范围的磁场, 可提高磁分离效果, 所以我们提出制作包含多块高温超导块材的开梯度磁分离系统的方案, 以达到相比现有技术更好的分离效果。

3. 2. 1高温超导材料选择

开梯度磁分离系统有不同类型, 比如线形、偏移形、鼓筒形、对极形等。其中鼓筒形装置效果好、使用普遍, 这里主要对其进行研究。

用高温超导实现磁分离, 可以选用高温超导块材或线材。块材需进行充磁但不需直流电源, 在77K临界电流密度限制下最高可产生3T甚至更高的磁场。而同样由于临界电流密度限制, YBCO线材制作的磁体则只能产生略高于1T的磁场, 相比处于劣势。而开梯度磁分离不存在块材磁场范围小的问题, 所以这里主要考虑使用块材制作的鼓筒形开梯度磁分离系统。运行状态则考虑节约制冷成本, 设计在液氮温区。

日本有使用单块高温超导块材制作湿式鼓筒形开梯度磁分离系统［11］, 但其磁力作用面较小, 这里考虑使用多块高温超导块材制作鼓筒形开梯度磁分离系统。

3. 2. 2与高梯度磁分离相结合的方法

开梯度磁分离系统可以结合高梯度磁分离技术提高磁场梯度, 改善分离效果。办法是在其外壳上覆盖钢毛, 提高对磁性物质的吸附效率。钢毛宜选用软磁材料, 避免旋转之后磁性物质不易脱落。钢毛长度应设计在开梯度磁分离系统的作用范围内, 过短没有完全起作用, 过长则没有意义。粗细、密度等应按高梯度磁分离的要求综合考虑。钢毛均应垂直于外壳, 有一定硬度, 避免带分离粉状物过多附着, 不易脱落。

3. 2. 3鼓筒形干式超导开梯度磁分离机设计方案

依照上述设计思想, 本课题组设计了一种鼓筒形超导开梯度磁分离机 ( 见图1) , 已获得国家发明专利。其主要由中心恒磁源、可环绕中心恒磁源旋转的转筒、置于转筒上方的矿粉漏斗和置于转筒下方的非磁性物质收集箱及磁性物质收集箱构成。所述中心恒磁源由一液氮温区杜瓦瓶和贴合在杜瓦瓶内表面的高温超导块材贴块组成的有磁区构成。

其基本结构与常规永磁、电磁或超导鼓筒形开梯度磁分离机基本相同。矿粉从矿粉漏斗下落, 然后随附着钢毛的转筒沿中心恒磁源有磁区的外侧运动, 非磁性或弱磁性物质 ( 图中白色颗粒) 直接下落至非磁性物质收集箱, 而较强磁性物质 ( 图中黑色颗粒) 则被磁场吸附, 继续随附着钢毛的转筒运动, 当运动至中心恒磁源的非磁性区时磁性物质下落至较强磁性物质收集箱。这样就将磁性与非磁性物质或强磁性与弱磁性物质分离。

1-中心恒磁源; 2-可环绕中心恒磁源旋转的转筒; 3-置于转筒上方的矿粉漏斗; 4-置于转筒下方; 5-磁性物质收集箱; 6-中心恒磁源有磁区; 7-中心恒磁源非磁性区; 8-液氮温区杜瓦瓶

中心恒磁源由一液氮温区杜瓦瓶和贴合在杜瓦瓶内表面的高温超导块材贴块组成的有磁区构成。 液氮杜瓦瓶设计为的圆柱形分离式杜瓦, 便于块材取放。有磁区由在无磁支架支撑下按极性不同连续交错排列多块充磁后表面磁场达3T以上的高温超导块材贴块构成。有磁区高温超导块材贴块覆盖杜瓦瓶弧形内表面不低于三分之一圆周弧度, 此列块材应为从杜瓦壁一侧中上部延伸至底部。排布单列块材也可扩大为排列多列块材, 扩大分选区。块材先充磁3T以上后再放入杜瓦。块材充磁后, 其两表面可分别形成N极与S极, 相邻块材极性若相同产生的磁场空间分布稳定, 但相邻块材间会有巨大的斥力, 故将组成有磁区的各高温超导块材贴块设计为按充磁后的磁场极性连续交错排列。图1有磁区中黑白相间的块状物即代表按不同极性方向放置的高温超导块材贴块。

为改善分离效果, 开梯度磁分离可以与高梯度相结合提高磁场梯度。这里可在转筒外侧附着钢毛, 钢毛周围的磁场发生畸变, 提高了磁场梯度, 对磁性物质的吸附效率自然提高。

4结语

本文简要介绍了高温超导磁分离技术的原理和研究现状, 并就高梯度和开梯度高温超导磁分离技术分别提出了自己的改进方案。相信随着科学技术的发展, 高温超导材料高成本、低稳定性的缺陷必将得到改善。届时, 依靠其独特的优势, 高温超导磁分离技术将不再会只是实验室技术, 实现实用化、产业化是其必然发展趋势。

参考文献

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磁分离调研报告 篇2

一．磁分离概述

磁分离技术是将物质进行磁场处理的一种技术，是利用元素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场将物质进行磁场处理，从而达到强化分离过程的一种新兴技术。

磁分离技术的基本原理：磁分离技术应用于废水处理有三种方法:直接磁分离法、间接磁分离法和微生物—磁分离法。

利用磁分离技术处理废水主要利用污染物的凝聚性和对污染物的加种性。凝聚性是指具有铁磁性或顺磁性的污染物,在磁场作用下由于磁力作用凝聚成表面直径增大的粒子而后除去。

加种性是指借助于外加磁性种子以增强弱顺磁性或非磁性污染物的磁性而便于用磁分离法除去;或借助外加微生物来吸附废水中顺磁性离子,再用磁分离法除去离子态顺磁性污染物。

一切宏观的物体，在某种程度上都具有磁性，但按其在外磁场作用下的特性，可分为三类：铁磁性物质、顺磁性物质和反磁性物质。

磁分离法按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离法三种。按产生磁场的方法可分为永磁分离和电磁分离（包括超导电磁分离）。按工作方式可分为连续式磁分离和间断式磁分离。按颗粒物去除方式可分为磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离。

二．磁分离案例

① 矿井水处理新技术—ReCoMag超磁分离水体净化系统 ReCoMag

™™超磁分离水体净化系统将絮凝、沉淀和过滤工艺结合在一起, 它不需

™超磁分离水体净化技术则是通过向水中投加要借助于重力沉降, 而是通过永磁铁的强磁力吸附去除磁性悬浮物。对于水中悬浮物本身不带磁性的, ReCoMag磁种、混凝剂和助凝剂, 通过微絮凝过程, 赋予絮体以磁性, 通过超磁分离机实现絮体和水的分离。该技术颠覆了所有的混凝沉淀, 能在3min左右完成整个微絮凝、过滤固液分离过程磁种通过回收系统循环反复使用。该系统的核心技术是在“ 稀土磁盘分离净化废水技术” 的基础上扩展而成的。“ 稀土磁盘分离净化废水技术” 及设备, 由四川冶金环能工程有限公司研制开发, 经过近20年的发展, 最早应用于冶金行业的轧钢、连铸、炼钢、轧管等含磁性悬浮物污水的处理, 现扩展到其他行业和市政领域, 使用量已经超过了206台（套），总计处理水量达到870万m³/d。工艺流程 ReCoMag™超磁分离水体净化系统处理矿井水的工艺流程见图1。

图1为ReCoMag

™超磁分离水体净化系统工艺流程

工艺流程简述如下：

（1）加入特选磁种：矿井水首先进入混凝反应器, 与一定浓度磁种混合均匀；（2）微磁絮凝：含有一定浓度磁性物质的水体,在混凝剂和助凝剂作用下, 完成磁种与非磁性悬浮物的结合, 形成微磁絮团, 混凝絮凝时间约2—3min。（3）快速分离：经过混凝反应后, 出水流入超磁分离设备, 在高磁场强度下, 形成的磁性微絮团通过与进水方向逆行的缓慢转动的磁盘打捞出水面, 实现微磁絮团与水体的分离, 水流经过磁盘机的流速高达300m/h—1000m/h,分离时间<30s。

（4）磁种回收：由磁盘打捞出来的微磁絮团经磁回收系统实现磁种和非磁性污泥的分离, 磁种回收再利用（回收率>99%），污泥进人污泥处理系统。（5）回收磁种计盆投加：回收的磁种加入一定量的清水, 搅拌均匀后通过计量泵重新投加到混凝反应器, 循环使用。工作原理

（1）微磁絮凝：ReCoMag

™超磁分离水体净化系统通过向待处理水中投加磁

种, 让非磁性悬浮物在混凝剂和助凝剂作用下与磁种结合。一方面, 磁种作为絮体的“ 凝核” , 强化并加速了絮体颗粒的形成。另一方面, 磁种赋予了絮凝体磁性。絮体只需微絮凝即可在超磁分离净化设备的强磁场作用下分离, 而无需形成大的絮团沉淀去除。因此, 所需投加的药剂量是普通的絮凝沉淀的1/3—2/3。根据水质不同, 投加混凝剂和助凝剂的量不同, 但总絮凝时间一般只需2—3min。与普通絮凝相比, 前期由于有“ 凝核” 易脱稳, 且少了絮体进一步变大即絮体熟化以便于后续沉淀的时间, 微磁絮凝所需的时间是普通絮凝所需时间的约1/3—1/4。（2）超磁分离：从絮凝装置出来的经过微磁絮凝的水自流入超磁分离机, 超磁分离机采用了稀土永磁强磁性材料, 通过聚磁技术, 其磁盘可产生大于重力640倍的磁力，瞬间（小于0.1s）能吸住弱磁性物质，平行磁盘间水的过流速度可达300m/h—1000m/h, 实现微磁絮团与水的快速分离, 水流经过整个超磁分离机的时间小于30s，实际经过磁盘的时间小于15s。由于分离时间很短, 占地面积小, 是常规平流沉淀池1/50—1/300，是高速澄清池的1/10—1/10。日处理量20000t的全套系统占地面积仅为12m x 9m。ReCoMag™超磁分离水体净化系统工艺参数

（1）磁种选择和用量：第一, 选用的磁种需要剩磁小, 通常要求剩磁小于8Gs，在经过退磁器后能均匀分散到水中, 有利于微絮凝体的形成。第二, 磁种的粒径有选择, 粒径太大, 不利于与徽细悬浮物形成磁性絮体, 且分散能耗高；粒径太小, 药剂量会增大, 形成絮凝体的磁性弱, 不利于分离。根据水源悬浮物的情况不同, 选用磁种的粒径范围不同, 需要通过试验确定。该矿井水处理通过实验室小试, 确定选用粒径小于200目的磁种。进水SS长期在250—450mg/L之间，个别时候悬浮物浓度突然提高。磁种投

加量确定为200mg/L。

（2）药剂用量：进水SS长期在250—450mg/L之间，个别时候悬浮物浓度突然提高, 经过长期的运行, 在满足出水SS<10mg/L的前提下,得到最佳投加药剂量分别是PAC为40 x 10-

6、PAM为1 x 10-6，特别是在进水悬浮物浓度突 然提高的情况下出水仍然保持稳定。

从图中可以看出, 在设定固定的PAC和PAM投加量的情况下, 出水水质均满足要求, 有较强的耐冲击能力。（3）电耗：ReCoMag

™超磁分离水体净化系统单套处理量可达1000t/h, 日处

™超磁分离水体净化系统包括加药、理量达24000t, 系统总功率（包括混凝搅拌、超磁分离、磁性和非磁性物质的分散、退磁、磁粉回收等）不超过50KW, 吨水电耗不超过0.02元。

（4）占地面积：整套600m³/d的ReCoMag混凝、超磁分离、磁粉回收和电控等, 整套系统占地面积为2.4m x 4.0m。

（5）排泥浓度：微磁絮体经过磁盘吸附, 转到水面以上进行刮渣, 相当于一个沥水过程, 从刮渣系统刮下来的泥含水率已经较低, 经过后面的磁种回收系统, 最后的非磁性物质被分离出来排放到污泥处理系统, 含水率约90%。

另外, 与传统的过滤设备比较, ReCoMag

™超磁分离水体净化系统可连续运行, 絮体的去除通过耐磨的刮渣系统实现, 代替了过滤设备的截留, 无需反洗。系统第一次启动, 只需简单调试, 一周内即可稳定运行以后可随意起停, 起动到稳定运行时间只需1—2h。

结论：ReCoMag点：

（1）流程短, 整个处理过程约3min。（2）占地面积小。（3）混凝药量少。

（4）性能稳定，寿命长。（5）可连续性，无需反洗。（6）电耗低。

（7）排泥浓度高。

（8）系统简单, 日常维护方便, 自动化程度高, 不需人员值守。

② 赵官能源矿井水处理超磁分离净化工艺的应用

赵官能源公司是山东能源新矿集团的全资子公司，位于黄河北煤田中西部，井田面积59.21km2，地质储量3．47 亿t，可采煤层中以薄煤层为主，设计年生产能力90 万t。矿井正常涌水量1413 m3 /h。赵官能源应用超磁水处理工艺，将水处理工艺由地面搬到了井下，每小时600m3 的处理能力，满足了矿井水的清水升井要求，降低了水处理费用，保护了环境。

超磁分离水处理的工艺原理

超磁分离净化设备是由一组强磁力稀土磁盘打捞分离机械组成。流体流经磁盘之间的流道时，流体中所含的磁性悬浮絮团受到强磁场力的作用，吸附在磁盘盘面上，随着磁盘的转动，逐渐从水体中分离出来。磁盘转速为1 ～ 3r /min，待悬浮物脱去大部份水份，运转到刮渣条时，形成隔磁卸渣带，由刮渣刨轮刮入“螺旋输送机”，产生的废渣输入渣池。被刮去渣的磁盘又重新转入水体，形成周而复始的超磁分离净化水体的全过程。

微磁凝聚技术和磁种回收技术 微磁凝聚技术

超磁分离技术的关键是利用磁盘吸附具有磁性的悬浮物，而矿井水中的悬浮物本身是不带磁性的，如果要利用超磁分离净化设备净化矿井水，就必须让非磁性悬浮物带上磁性。微磁凝聚技术就是解决这一问题的关键。该技术通过向原水中投加专用磁种(磁粉)，使磁种在混凝剂和助凝剂的作用下与原水中的悬浮物形成以磁种为核的混合体絮团。因磁种带有微磁性，当絮团沿着水流经过超磁分离机时，聚磁组合磁盘能快速捕捉吸附絮团，实现悬浮物与水体的机械分离，从而达到净化水体的目的。

磁种回收技术

微磁凝聚技术解决了超磁水处理的第一个难题，同时带来另一个难题，就是磁种的连续投加增加了运行费用。为了节约资源同时也考虑吨水处理的运行成本，超磁处理工艺开发了磁种回收技术。将超磁分离净化设备分离出的废渣(磁种和悬™超磁分离水体净化技术用于矿井水处理主要具有以下几个优浮物的混合体)经螺旋输送装置进入脱磁和高速搅拌环节，实现磁种和悬浮物的分离，能将投加入废水中的磁种回收再利用，磁鼓磁场强度高，回收效率可达99%，剩余的非磁性物质作为污泥集中处理。

超磁分离水处理技术的特点及优势

(1)采用稀土磁钢构造分离磁场，技术稳定成熟。超磁分离水体净化技术在国内市场应用已有10 多年的历史。目前，冶金行业在线运行的成套设备达240多个工程项目，处理能力超过940 万t /d，是自主创新的国际先进技术，其超磁分离技术在设备的布磁、聚磁组合、微磁絮凝、脱磁、分散等工艺技术上实现了突破，设备不断改进与完善，已发展到了第五代超磁分离机，技术稳定而成熟。

(2)分离时间短。磁分离工艺与传统的絮凝沉降最主要的区别在于: 采用磁分离技术不需要沉降时间。传统的絮凝沉降工艺是在加药絮凝后形成大絮团，靠重力沉降。磁分离技术因采用稀土磁钢，其表面产生磁力是重力的640 倍以上，能快速地捕捉到微磁性絮团，整个分离过程仅需3 ～ 5s，分离时间远远小于沉降分离时间。

（3）水处理药剂用量少。磁分离依靠强磁力进行吸附分离，不需要大量的药剂形成大的絮团，仅需微凝絮团即可。与常规的混凝沉降系统比较，可大大节约 系统的药剂使用量(仅为常规水处理加药量的1 /3 ～1 /2)，节省药剂费用。

(4)设备占地少，处理量大。由于磁分离实现了悬浮物与水体的快速分离，大大提高了单位时间的处理效率，设备的占地面积也相应地大大节省。

(5)出渣污泥浓度高。磁分离设备分离悬浮物的方法是靠磁力把絮团吸出水面，完全实现渣与水的分离，出渣含量大于70000mg /L，含水率约93%，可不经过浓缩直接进入脱水设备。经过常规的压滤脱水后，污泥含水率小于45%，便于装卸外运。

超磁分离净化工艺设计

(1)设计规模: 设计水处理规模600m3 /h。(2)设计进水水质

矿井排水的主要污染物是煤粉、岩粉等无机污染物。进水水质:SS: 600 ～ 1000mg /L油: 20 ～ 30mg /L(3)设计出水水质PH 值: 6 ～ 9;总悬浮物50 mg /L;化学需氧量(CODcr)50 mg /L;石油类5 mg /L;总铁6 mg /L;总锰4mg /L(4)工艺流程说明

首先向调节池前的进水渠道中投加PAC，混合反应后流入调节隔油池中，进行水质、水量的均匀调节，在调节隔油池后端设置圆盘式除油器，去除上浮的油渣。调节隔油池出水进入超磁分离系统的混凝池，向混凝池中投加磁种、PAM，使水中悬浮物杂质和磁种形成带磁性絮体，经过絮凝的废水进入超磁分离机进行污染物的分离，形成的磁性絮体被超磁分离磁盘吸附，从而从水中分离出来，水体得到净化，超磁分离设备处理后的水达标排放。

经超滤分离设备分离出来的磁性污泥进入到磁分离磁鼓进行磁种与污泥的分离，分离出的磁种又投加到混凝池中进行絮凝反应，使磁种达到循环利用的目的。

③ 清河污水处理厂能力提升应急工程

工程简介：清河污水处理厂能力提升应急工程进水引自曝气沉砂池新建成的跨越管，通过DNl 200管道将污水输送到应急工程格栅间及进水泵房，经过提升后的污水通过配水井均匀地分配至加载混凝磁分离系统和转鼓精细过滤系统。其中加载混凝磁分离系统处理能力按5×104 In3／d设计，转鼓精细过滤系统处理能力按5×104 m3／d设计。经过处理后的污水通过退水管道排入清河污水处理厂总退水方沟，最终排人清河。剩余污泥通过污泥泵提升到贮泥池，剩余污泥经污泥螺杆泵加压后进入浓缩脱水机内进行浓缩脱水，经脱水处理后的泥饼通过外运、干化等方法处理。

工艺流程：加载混凝磁分离系统单体处理工艺流程如图

加载混凝磁分离系统单体处理工艺流程

工艺特点及参数： 预处理区

预处理区进水端设置一台孔板式格栅，孔径为3 mm，流量为4 166 m3／h，格栅后设置4台污水提升泵，同时根据工艺要求，可以选择超越格栅运行。污水经泵提升后，可以通过叠梁闸调配分给精细过滤和磁分离系统，磁分离系统可以通过调节出水管阀门大小与进水管流量计调配供水量，精细过滤可以通过出水阀门调节给水量。工艺基本参数

加载混凝磁分离技术是利用外加磁加载物的作用增大絮体密度以达到高效沉降和过滤的目的。该工艺最大的优点体现在沉淀效率比传统沉淀技术有很大提高，所以可以大幅减少沉淀时间，提高处理效率。整个磁分离工艺的处理量为5×104 m3／d，以处理量为10 000 m3／d的单体工艺为例，满负荷运行时进水量为420 m3／h左右，3座混合池的总容积为48 in3；每座混合池的容积一样，沉淀池总容积为70m3，污水的总停留时间仅为17 min左右，因为整个工艺的停留时间很短，因此对包括TP在内的部分污染物，出现反溶解过程的几率非常小，污泥回流比为50％～75％(根据回流污泥的性状调节)，排泥量为18—20 t／d。另外，系统中投加的磁种和絮凝剂对细菌、病毒、油及多种微小粒子都有很好的吸附作用，因此对细菌、病毒、油、重金属及磷的去除效果比传统工艺要好。

磁粉投加量：以10 000 m3／d的单体处理工艺为例，设备启动前投加磁粉量为100 kg，此后不再投加。通过从二级和三级混合池的不同点分别取出一定体积的混合液以及从污泥回流渠中取出一定量的回流污泥，可以测定二级和三级混合池混合液的MLSS，每个混合池的磁粉投加量，以及回流污泥浓度和磁粉含量。经测定可以得知，二级混合池的MLSS(含磁粉)为5 800～6 200 mg／L，三级混合池的MLSS(含磁粉)为5 700—6 150 mg／L，回流污泥的MLSS(含磁粉)为17 200—18 500 mg／L。三级混合池出水SV为8％～10％，SVI为14～16 mL／g。其中二级混合池的磁粉投加量为0．82～0．86 g／L，三级混合池的磁粉投加量为0．82～0．85 g／L，回流污泥中磁粉含量为2．3—2．6 g／L。

该工艺以前在工程实际中应用极少，原因是磁种的回收技术一直没有很好的解决，而现在这一技术难点被成功突破，磁种的回收率达到99％以上，已在城市污水处理、中水回用、自来水处理、河道水处理、高磷废水处理、造纸废水处理、油田废水处理等方面成功进行了多项不同运行参数的试验，并取得很好的效果。出水水质

2008年8月1日一10月29日对进、出水水质进行了3个月的实测，进、出水COD和BOD，的浓度变化见图2，进、出水TP的浓度变化见图3，进、出水SS的浓度变化见图4。

其中，进水COD、BOD，、SS和TP的浓度分别为(151～559)、(71．4—274)、(72—372)和(2．13～7．36)mg／L；平均进水浓度分别为317、146、170和4．5 ms／L；出水浓度分别为(28．6—171)、(15．3～84)、(7．75～58)和(0．1～2．52)mg／L；出水平均浓度为109、52、21和0．64 mg／L。对COD、BOD，、SS和TP的去除率分别为(40．1％一83．6％)、(47．6％～87．8％)、(68．5％一95．9％)和(49．2％一97．8％)，平均去除率分别为64．9％、64．6％、86．3％和85．8％。另外，还可以发现，在设备启动运行的前半段时间，由于处于调试运行阶段，各指标的去除率并不稳定。如果只考察最后一个月的进、出水指标和去除率，可以看到，对COD、BOD；、SS和TP的去除率分别为(51．1％～78．0％)、(52．5％一83．6％)、(68．5％一95．2％)和(84．7％一97．2％)；平均去除率分别为65．0％、67．5％、86．5％和91．5％。此时出水COD、BOD，、SS和TP浓度分别为(87．2～171)、(27．5～84)、(13—58)和(0．16～1．18)mg／L；各指标的平均出水浓度分别为126．

5、52．

9、22．2和0．39 mg／L。当设备稳定运行后，其出水水质明显好转。

同时可以看到，对BOD，和COD的去除率很相近，所以用BOD5／COD的比值来考察BOD，和COD经过该工艺处理后相应的变化趋势，如图5所示。

图5中的趋势线为进、出水BOD，／COD值的线性回归曲线。进水BOD，／COD的比值稳定在47％左右，其线性回归曲线也基本呈水平状态，出水BOD，／COD值的线性回归曲线在整体上有一定的下降趋势。在设备运行初期，出水BOD；／COD的比值略高于进水比值，以45 d为界限，前半段时间比值的平均值为50．6％，设备稳定运行后，该比值整体有下降的趋势，但并不明显，后半段时间比值的平均值为45．7％。可见，该工艺对BOD，的去除率略高于对COD的去除率，说明在该工艺运行过程中，除了单纯的物理作用外，由于回流污泥中可能存在微生物，因而具有一定的生物降解作用。另外，出水BOD，／COD的比值在45％左右，说明仍然具有很好的可生化性。所以当该工艺作为前处理时，可以为后续的生物处理提供较为适宜的进水水质。

PAC和PAM投配率及用量

投配率：混凝剂(PAC)为80 mg／L(折算为A1203为24 mg／L)，助凝剂(PAM)为2 mg／L。即对于处理量为10 000 rfl3／d的单体设备，10％浓度的PAC投加量为0．34 m3／h左右，0．2％浓度的PAM投加量为0．42m3／h左右。现的问题及解决方案 磁粉导致的问题

加入磁粉以后，由于磁粉颗粒细小，密度大，同时有混凝剂的包裹，使得磁粉进入水泵内部后不易被清理，容易导致水泵故障。同样由于磁粉密度大，导致磁粉容易淤积在沉淀池底部，不易被泵抽吸上来，或者在污泥回流明渠通道就开始沉淀，严重时会导致回流污泥外溢，同时降低了磁粉实际利用率。平时可以多观察三级混合池的絮体颜色及大小，如为大颗粒黑褐色絮体则正常，如果絮体颜色较浅，则要检查磁粉是否回收正常。

建议改造时可考虑将污泥回流明渠底部改为带式传送的方式运送淤积的磁粉，一方面可避免磁粉沉淀导致的回流污泥外溢现象，同时还可以节约不必要的人工成本。

另外，磁粉容易和其他杂物混合在一起堵塞沉淀池底部的布水管道，在调试初期布水管道孔径为30 mm，管道很容易堵塞，经改造后，孑L径由30 mm加宽到35 mm，基本上解决了布水管道堵塞的问题。建议适当增加布水管道的坡度，以保证磁粉的利用率，避免堵塞布水管道。PAC和PAM的投加量问题

在实际运行阶段投药量、进水量已经确定，但由于水质的变化，会对投药量产生一定的影响，这就要适时调整投药量以适应变化。观察三级混合池絮体矾花的状况，若为大颗粒黑褐色絮体则正常，若絮体较小，PAM投加不够；絮体少，PAC投加不够。同时观察沉淀池出水，若有小絮体流出，则应检查是否为PAC投加偏多，PAM投加偏少。磁粉流失的问题

导致磁粉流失的原因很多，如设备泄空、磁鼓工作异常、回流污泥外溢等。但是，在设备正常运行时，磁粉的回收率完全可以达到99％。现阶段需要解决的问题是通过工艺的改造，使得运行中的自动化得到全面完善，使其可以适时调整工艺参数，使磁粉流失降到最低。

三、磁分离的优点缺点

优点：

（1）流程短, 整个处理过程约3min。（2）占地面积小。（3）混凝药量少。

（4）性能稳定，寿命长。（5）可连续性，无需反洗。（6）电耗低。

（7）排泥浓度高。

（8）系统简单, 日常维护方便, 自动化程度高,不需人员值守。

缺点：

（1）介质的剩磁使得磁分离设备在系统反冲洗时，难以把被聚磁介质所吸附的磁性颗粒冲洗干净，因而影响着下一周期的工作效率。

（2）为了提高磁场梯度，必须选择高磁饱和度的聚磁介质，对聚磁介质的选择具有一定的技术困难，且增加运行的费用。

结束语

磁分离技术 篇3

磁分离技术是一项传统的物理分离技术,主要利用各种物料相互间磁性的差异实现物料的有效分离。目前该技术在矿物分离和物料提纯等方面广为应用。催化裂化(FCC)废催化剂磁分离回收技术早在上个世纪70年代国外就已经开始研究并进行工业化。但早期主要采

用电磁式高梯度磁分离技术,由于生产成本高,分离效果不理想,在工业上一直未能获得进一步的发展。到上个世纪90年代中期,美国首先将永磁磁分离技术引入到FCC平衡催化剂磁分离领域,研制了第一代稀土永磁辊式磁分离设备,取得了巨大成功,其分离效果和经济效益明显高于电磁分离技术。自此,世界各国对FCC平衡催化剂磁分离技术的研究和应用就从电磁技术彻底转向永磁技术的开发。国内外的实验研究和工业实践均证明,采用永磁磁分离技术分离FCC废催化剂是比较经济的方法,在世界炼油领域具有广阔的应用前景。

2 磁选机理

物质的磁性主要取决于原子中电子的自旋磁矩和轨道磁矩的总的迭加。如果自旋磁矩和轨道磁矩取向相反,总磁矩为零,对外不显示磁性,或者物质内各原子的磁矩取向混乱,虽然总磁矩不为零,但也不显示磁性。只有当物质内部各原子的磁矩取向相互平行时,才显示磁性。而铁、镍等金属,在外加强磁场中,由于受到强磁力的作用,磁矩取向得以平行而显示出磁性,易于被磁场吸引,这一磁特性正好被用来分选FCC平衡剂。

组成FCC催化剂的硅、铝氧化物和分子筛等,本来是非磁性的。但在使用过程中,随着FCC装置运转周期的延长,平衡剂上积累的金属(Ni、V、Fe等)杂质增加,微反活性降低,裂化性能下降。这些吸附较多金属杂质的平衡剂颗粒在磁场下就显示出一定的磁性,这是Ni、Fe等重金属的特性所决定的,磁性大小与金属沉积量成正比。

本项研究即是运用这一原理,将FCC平衡剂中老化的,被更多金属杂质污染的催化剂颗粒,与污染金属较少的,有较高活性和选择性的新催化剂颗粒分离开的技术。运用这一技术,可将FCC平衡剂区别对待,只废弃污染严重,性能最差的那一部分,活性较高的颗粒又返回FCC装置。这样一来可提高FCC藏量催化剂的活性和选择性,使轻油收率提高,氢气和焦炭产率降低。

3 试验部分

3.1 试验原料

磁分离试验所用的原料是中国石油大港石化高镍FCC降烯烃废催化剂。

催化剂裂化性能评价试验所用的催化原料油是大庆石化掺混55%大庆减压渣油的原料油。

3.2 试验装置

催化裂化废催化剂磁分离试验采用中型磁分离装置,原料处理量最高达280kg/h。

催化剂性能评价试验采用由洛阳炼制所研制的单程转化XTL-6小型催化裂化装置。该装置由提升管反应器、反应沉降器、汽提段、再生器和两器之间的催化剂输送管线等组成。其中提升管长约2.8m,再生器中催化剂藏量为4.0kg,原料处理量1.0~1.2kg/h。

3.3 磁分离试验过程

将大港石化高镍FCC降烯烃废催化剂用泵吸入给料斗中,通过振荡器分送到移动的传送带上,传送带的远端有一个高场强永久性磁辊。当废催化剂通过磁场时,磁性较高的催化剂被持留在传送带上,当其离开磁辊的磁场后靠重力作用落入分配器后面的放料槽中,并被排除。另外,没有磁性的催化剂从传送带的端部靠惯性作用卸到分配器前面的放料槽中,这部分废催化剂重金属含量低,污染小,可返回催化裂化装置,进行回收利用。

3.4 分析方法

镍、铁、钒金属含量的测定采用美国热电IRAS/AP离子体发射光谱,该仪器利用电感耦合高频等离子体做为光源的ICP发射光谱分析方法,采用中阶梯光栅光学系统,CID检测器;

催化剂表面积、孔容积的测定采用采用美国麦克仪器公司ASAP2405M比表面及孔隙度分析仪测定样品的比表面积和孔容积。测定条件如下:在真空度<104mtorr下净化样品。在液氮温度下测定在不同压力下样品表面N2的吸附体积,用BET公式和BJH法求得样品的比表面积和孔容积;

催化剂微反活性的测定采用洛阳炼制研究所研制的LFM型催化裂化固定床试验装置。测定条件如下:原料油为大港直馏柴油,催化剂装填量:5 g,进油量:1.56g,反应温度:460℃,反应时间:70s,液体产品组成通过气相色谱检测。

4 试验结果与讨论

4.1 催化裂化废催化剂磁分离回收试验

在磁分离回收试验过程中直观控制指标是回收率,分选效果好坏的最主要控制指标是微反活性。一般情况下,回收率越高分选效果越差。因此磁分离试验主要关注的是如何在确保分离效果(微反活性为主要控制指标的同时,尽可能提高平衡剂回收率。中国石油大港石化公司重油催化裂化工业装置剂耗比较大,废催化剂磁性金属(Ni+Fe)总量超过20000μg/g,这就意味着采用磁分离技术处理大港石化高镍FCC降烯烃废催化剂是可行的,效益也会很明显。磁分离试验结果列于表2。

由表2中的数据可以看出,在回收率45%时,微反活性最高达到73.6%,与废催化剂微反活性63.0%相比,提高了10.6%;在回收率55%时,微反活性达到69.2%,与废催化剂微反活性63.0%相比,提高了6.2%。由于微反活性提高值只有在6.0%以上时,回收剂返回到催化裂化装置才能维持装置内催化剂的微反活性,这才具有应用意义。因此,采用磁分离技术回收大港石化催化裂化废催化剂,其回收率应控制在55%以下。

4.2 磁分离回收剂裂化性能评价试验

在小型催化裂化装置上,采用相同的工艺条件和相同的试验原料,对大港石化催化裂化废催化剂、45%回收剂、50%回收剂和55%回收剂进行催化裂化评价,评价结果列于表3。

由表3中的数据可以看出,采用45%回收剂做催化裂化催化剂时,总液体收率达到81.05%,与采用废催化剂做催化裂化催化剂总液体收率78.36%相比,提高了2.69%;采用55%回收剂做催化裂化催化剂时,总液体收率达到79.05%,与采用废催化剂做催化裂化催化剂总液体收率78.36%相比,提高了0.69%。因此,采用磁分离技术回收的回收剂性能良好,完全可以替代新鲜催化剂加入到催化裂化装置中。

5 结论

(1)采用磁分离技术回收催化裂化废催化剂工艺过程简单,分选效果好,经济效益高,不使用化学品,不产生废水,是一种清洁工艺。

(2)由于大港石化催化裂化废催化剂重金属含量高,适宜采用磁分离技术回收其中的可用催化剂。回收率在45~55%时,微反活性提高值6.2~10.6%。

(3)磁分离回收剂性能评价结果表明,回收率在45~55%时,相同原料和相同工艺条件下总液体收率提高值在0.69~2.69%之间。

(4)磁分离技术回收的大港石化催化裂化废催化剂可以全部或部分替代新鲜催化剂加入到催化裂化装置中,降低催化裂化剂耗,提高经济效益。

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磁分离技术 篇4

近年来, 每逢夏秋季节, 安徽省合肥市与巢湖市之间的巢湖常常不同程度暴发蓝藻, 湖水污浊不堪, 治理起来令人头痛。目前国内外藻华应急处理措施主要是滤网打捞。由于藻细胞直径只有微米量级, 滤网过滤效率低、能耗高, 且清洗麻烦。中科院合肥物质科学研究院专家们用一级粉煤灰和磁性材料复配, 经过物理化学改性, 创制成一种功能材料。这种材料在水中自动组装成微米量级的网络结构 (类似于一张磁网) , 捕获藻细胞和其他污染物, 再由外磁体将这些污染物聚拢收集, 捞出水面。

利用这项技术建造的“藻/水在线分离磁捕平台”看起来似一艘特殊的大船。藻水从“船头”进入4米多宽的槽道, 藻细胞很快就被磁网捕获并由磁体从水中提取出来。处理后的干净水十分清澈, 通过“船尾”平台流入巢湖。磁网的核心——“磁种”材料从提取的藻泥中分离再利用, 剩下的藻泥送压滤机减容, 压滤出来的是一块块绿莹莹的“藻饼”, 实现了蓝藻打捞、磁种回用和藻泥减容一体化、自动化。该装置“有藻除藻、无藻除磷”, 被形象地称为一部功能强大的湖水透析机。