周晨陽(yáng)，樊旭晨，段晨龍，趙躍民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州221116）

煤炭作為世界上最主要的能源之一，2015年煤炭約占世界能源的29.2%。中國(guó)作為世界第一煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2015年煤炭總產(chǎn)量為37.5億t，其中煤炭消費(fèi)量占我國(guó)當(dāng)年能源消費(fèi)總量的64.0%[1]，因此，推進(jìn)煤炭潔凈與提質(zhì)加工成為必然的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的煤炭分選工藝主要以濕法分選為主，主要的分選設(shè)備有以跳汰機(jī)、旋流器、濕法重介分選系統(tǒng)、浮選機(jī)、干擾床分選機(jī)等[2-4]。水資源的匱乏已成為全球性的難題，傳統(tǒng)的分選方法已受到了較大限制，無(wú)法采用大型的煤炭濕法分選設(shè)備。隨著上述問(wèn)題的日益突出，干法分選已逐漸成為煤炭分選的熱點(diǎn)話題，各國(guó)學(xué)者開展了大量研究，并研制出復(fù)合式干法分選系統(tǒng)、空氣跳汰機(jī)、空氣重介質(zhì)流化床分選系統(tǒng)[5-13]。

隨著綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的不斷普及使用，原煤中小于6 mm細(xì)粒煤的含量不斷攀升，由于粒徑較小的原因，顆粒在傳統(tǒng)的氣固流化床中會(huì)隨著加重質(zhì)顆粒不斷沉降或者返混，難以按照床層密度進(jìn)行分選，因此，需要采用合理的手段對(duì)床層中氣相與固相加重質(zhì)兩相的不均勻結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，加強(qiáng)氣固兩相的充分接觸，保證床層的密度穩(wěn)定性，促進(jìn)細(xì)粒煤的有效分選。Luo等[14-15]研究了床層壓降和布風(fēng)板孔隙率對(duì)床層密度穩(wěn)定性的影響。Sahu等[16]提出了流化床密度穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括流化指數(shù)、床層膨脹率等。Zhang等[17]提出了一種對(duì)工業(yè)型流化床床層密度均勻性和穩(wěn)定性控制的新方法。增加內(nèi)部構(gòu)件在床層內(nèi)形成二次布風(fēng)是提高床層穩(wěn)定性的一種有效的方法，主要添加的內(nèi)構(gòu)件包括柵格狀篩網(wǎng)[18]和高密度粗顆粒[19]等。

本文中采用多層濾布對(duì)傳統(tǒng)布風(fēng)板的基礎(chǔ)上對(duì)流化床壓降進(jìn)行了調(diào)控，強(qiáng)化氣固兩相接觸，利用DASP壓降測(cè)試系統(tǒng)研究了床層壓降以及最小流化速度的變化規(guī)律，分析了不同床層高度流化床密度的時(shí)空特性，在上述的基礎(chǔ)上采用流化床對(duì)山西常村煤礦細(xì)粒原煤（粒徑為3～6 mm，下同）進(jìn)行分選試驗(yàn)研究，分析了不同因素對(duì)細(xì)粒煤的影響以及分選效率。

1 試驗(yàn)

1.1 裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由供風(fēng)系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)以及圖像采集系統(tǒng)組成。供風(fēng)系統(tǒng)主要由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)包、變頻器、壓力計(jì)、流量計(jì)以及風(fēng)量調(diào)節(jié)器組成，為試驗(yàn)提供穩(wěn)定的流量，確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行。分選系統(tǒng)主要由空氣分布室、布風(fēng)板、分選床體組成。其中布風(fēng)板的開孔率為12%。測(cè)試系統(tǒng)由金屬探頭、Alpha傳感器、NI采集卡以及DASP數(shù)據(jù)處理軟件組成，可有效地測(cè)試流化床中壓降信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，采樣頻率為128 Hz，采樣時(shí)間控制為30 s。多層濾布具有易獲得、便于組裝拆卸等特點(diǎn)。

圖1 氣固流化床分選系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system with a gas-solid fluidized bed

1.2 加重質(zhì)性質(zhì)

氣固流化床采用粒徑為0.074～0.3 mm為主導(dǎo)粒級(jí)的Geldart B顆粒磁鐵礦粉作為分選介質(zhì)，真密度為4.6 g/cm3，粒徑組成如圖2所示，粒徑為0.15～0.3 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.29%，為最主要的粒級(jí)組成。這有利于滿足床層穩(wěn)定流化的需求，并保證分選過(guò)程中的密度均勻穩(wěn)定性，并且此種介質(zhì)直接采用磁選機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行高效回收。

圖2 粒徑組成示意圖Fig.2 Particle size distribution of dense medium

1.3 煤樣性質(zhì)

試驗(yàn)的樣品由山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，其工業(yè)分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。從表中可以看出，原煤灰分為23.15%，屬于中灰煤。水分為0.44%，含水量較低，為干法分選提供了有利的條件。

表1 常村煤礦原煤樣工業(yè)分析結(jié)果Tab.1 Industrial analysis Changcun coal sample%

本文中選取原煤中細(xì)粒煤進(jìn)行分選試驗(yàn)，其可選性曲線如圖3所示，屬于較易選煤。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

床層密度的均勻性是保證氣固流化床分選效果的重要前提，而床層密度分布實(shí)際上就是床層壓差的分布，是床層內(nèi)部各點(diǎn)壓力降在時(shí)間和空間上的一種平均。床層壓降分布標(biāo)準(zhǔn)差不僅可以對(duì)同一位置的壓差變化進(jìn)行時(shí)均統(tǒng)計(jì)，還能有效地分析床層中不同位置的壓降的空降變化，能夠較好地衡量床層密度分布狀況好壞，從而較好地反映床層流化狀態(tài)。

圖3 原煤的可選性曲線Fig.3 Washability curves of raw coal

式中：δ為床層壓降分布標(biāo)準(zhǔn)差；Pi為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)或者t=i時(shí)的床層壓降，Pa；P為各個(gè)測(cè)量點(diǎn)密度的均值，Pa；N為測(cè)量點(diǎn)的總數(shù)。

分選結(jié)束后將床層自上而下平均分為5層，對(duì)每層的樣品的灰分進(jìn)行測(cè)試，選取灰分離析度S作為反映單因素試驗(yàn)變化趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)見式（2）。

式中：Ai為分選后每層平均灰分，%；A0為原煤灰分，%，n為分層粒徑大小。

當(dāng)密度離析效果越好，相應(yīng)分選效果越好，上層為灰分較小的精煤，下層為灰分較大的矸石，中間層則為灰分介于兩者中間的中煤，整體上離析后細(xì)粒煤床層的灰分沿床高方向上偏離入料煤樣灰分的程度較大，其S值也越大，相反，當(dāng)細(xì)粒煤床層均勻混合時(shí)，各處床高處灰分均與入料煤樣灰分無(wú)偏離，即Ai=A0，則S=0。

2 分析與討論

2.1 布風(fēng)板壓降分析

布風(fēng)板的理想特性是，既能均勻地分布?xì)饬?，又不?duì)氣流構(gòu)成過(guò)大的、非必要的阻力，同時(shí)，流化床中沒(méi)有溝流和非流化顆粒，能保持床層密度和高度的均勻與穩(wěn)定，這需要合理的設(shè)計(jì)布風(fēng)板。布風(fēng)板的理論壓降ΔPd可利用式（3）表示。

式中：CD為阻力系數(shù)；U為氣速；α為分布板的開孔率；ρf為氣體密度。

由式（3）可以看出，加入海綿后大大提高了布風(fēng)板壓阻，有效地提高了流化床流化穩(wěn)定性。

對(duì)加入多層濾布的布風(fēng)板壓降后進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出氣固流化床的分布板壓降整體上隨著氣速的增加呈線性增加，變化規(guī)律也與布風(fēng)板壓降的理論計(jì)算方法吻合程度較高。

圖4 加入多層濾布后布風(fēng)板壓降曲線Fig.4 Pressure drop of air distributor after adding multilayer filter cloth

在此基礎(chǔ)上，Luo等[14]進(jìn)一步針對(duì)分選氣固流化床提出了利用ΔPΔ判別流化床的流化質(zhì)量與分選性能，其表達(dá)式為：

當(dāng)ΔPΔ≤ΔPD時(shí)，表明壓降中心位于氣體分布板，可以有效地形成密度均勻穩(wěn)定的微泡濃相流化床，適合于礦物的分選。

采用對(duì)流化床的流化質(zhì)量與分選性能進(jìn)行分析，運(yùn)用線性擬合方法比較ΔPΔ與ΔPD的大小，如果斜率小于1，表明 ΔPΔ＜ΔPD，否則反之。

圖5為壓降中心分析示意圖。

圖5 壓降中心分析示意圖Fig.5 Pressure drop center analysis

如圖所示，ΔPΔ與ΔPD的壓降關(guān)系曲線的斜率明顯小于1，這說(shuō)明加入雙層濾布后壓降中心的位置進(jìn)一步降低，強(qiáng)化了顆粒與氣體的有效接觸，更利于均勻穩(wěn)定床層的形成。對(duì)于B類顆粒而言，氣固流化床中主要分為乳化相與氣泡相，理論上講，當(dāng)氣體速度大于促進(jìn)顆粒懸浮即氣體速度以后，一部分氣體用于顆粒相的懸浮，形成乳化相，多余的氣體會(huì)兼并成氣泡，并逸出床層。然而，由于采用的寬粒級(jí)B類加重質(zhì)顆粒初始堆積狀態(tài)下顆粒的分布不均勻，氣體引入后會(huì)偏向流入能量最小的區(qū)域，這會(huì)造成床層中發(fā)生局部的溝流現(xiàn)象，造成床層顆粒相的氣固接觸不均勻，采用雙層濾布對(duì)布風(fēng)板壓降進(jìn)行調(diào)控，使氣流與顆粒接觸之前起到了一定的緩沖作用，將氣體有序地給予床層中，促進(jìn)氣體與顆粒相的均勻接觸，一定程度上降低局部溝流現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 床層流化特性分析

采用ΔP-v的關(guān)系曲線繪制不同床高的流化特性曲線，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，從整體上看，開始?jí)航惦S著氣速的增加而增大，隨后當(dāng)氣速達(dá)到臨界流化氣速Umf時(shí)，床層從固定床開始轉(zhuǎn)化為流化床，壓降逐漸穩(wěn)定下來(lái)。由于床層壓降ΔP理論上與所加入顆粒的質(zhì)量呈正相關(guān)的關(guān)系，因此可以看出，床層壓降隨著床高的增加而逐漸增大，最小流化速度與隨著床高的增加幾乎保持不變。

圖6 不同床高的流化特性曲線Fig.6 Fluidization curves of different bed height

圖7 床層高度對(duì)壓降的波動(dòng)影響Fig.7 Pressure drop fluctuation of different bed height

圖8 床層壓降的空間波動(dòng)云圖Fig.8 Spatial fluctuation nephogram of bed pressure drop

2.3 床層密度均勻穩(wěn)定性分析

對(duì)空氣重介流化床中床層壓降波動(dòng)在空間上的變化進(jìn)行分析，測(cè)壓點(diǎn)分別控制在H為40、80、120 mm，風(fēng)速設(shè)置為0.12、0.13、0.14、0.15、0.16 m/s。由于空氣重介流化床屬于微泡準(zhǔn)散式，因此對(duì)于細(xì)粒煤的分選要求床層波動(dòng)較為平穩(wěn)，避免氣泡間劇烈的兼并以及破裂等行為的發(fā)生。當(dāng)氣速超過(guò)最小流化氣速時(shí)，床層中的壓降波動(dòng)主要是由氣泡行為引起的，因此，首先對(duì)不同床高條件下的壓降波動(dòng)進(jìn)一步分析。采用云圖擬合方法構(gòu)造出不同條件下的各個(gè)位置的壓降波動(dòng)情況，結(jié)果如圖7、8所示。

從圖中可以看出，流化床的整體壓降波動(dòng)平穩(wěn)， 顯示出良好的流化狀態(tài)，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了引入多層濾布有助于均勻布風(fēng)，降低由于顆粒濃度不均勻引起的溝流等現(xiàn)象，一定程度避免了氣體在未達(dá)到最小流化速度之前的兼并現(xiàn)象，從而強(qiáng)化了床層中的顆粒與氣相的作用，有效地實(shí)現(xiàn)了顆粒相向乳化相的轉(zhuǎn)化。另一方面，隨著床高的增加，床層的壓降波動(dòng)逐漸增大，這說(shuō)明隨著床層的高度的增加，氣泡兼并頻率逐漸增加，氣泡的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)對(duì)床層密度的均勻穩(wěn)定的影響也逐漸增加，因此，分選實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)控制適宜的分選高度。

圖9 不同氣速條件下細(xì)粒煤分選示意圖Fig.9 Coal separation of different gas velocity

圖10 不同床高條件下細(xì)粒煤分選示意圖Fig.10 Coal separation at different bed height

2.4 分選試驗(yàn)

對(duì)不同氣速條件下的細(xì)粒煤分選結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行分析，如圖9所示。從圖中可以看出，隨著氣速的逐漸增加，細(xì)粒煤分選效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。這是由于床層氣速較小時(shí)，床內(nèi)介質(zhì)的流化程度較低，松散程度較低，因此，床層活性較小，黏度較大，入料不能完全分層；工作氣速較大時(shí)，床層膨脹率增加，床層活性增大，床層密度均勻穩(wěn)定，介質(zhì)阻力減小，入料較好地完成分層；進(jìn)一步增加工作氣速，床層密度減小，床層開始出現(xiàn)較大氣泡，但穩(wěn)定性差，錯(cuò)配效應(yīng)較大，在介質(zhì)返混的作用下低密度入料實(shí)際分選密度較大程度地偏離床層密度，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率降低。

進(jìn)一步對(duì)不同床層高度條件下細(xì)粒煤的分選結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，隨著床層高度的增加，細(xì)粒煤分選結(jié)果也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。這是由于在床層高度較小時(shí)，同等入料條件下，入料所占床層的總體積增加，這造成大量顆粒在床層表面堆積，分選空間不足，惡化床層的流化特性，對(duì)細(xì)粒煤的有效分選造成負(fù)面影響。當(dāng)床層高度過(guò)高時(shí)，床層中氣泡行為較為劇烈，造成床層穩(wěn)定性差，并進(jìn)一步造成加重質(zhì)的返混效應(yīng)，在介質(zhì)返混的作用下低密度入料實(shí)際分選密度較大程度地偏離床層密度，降低細(xì)粒煤的分選效率。

綜上上述，選取最佳分選條件下細(xì)粒煤的分選結(jié)果進(jìn)行分析，如圖11所示。從圖中可以看出，采用多層濾布對(duì)床層布風(fēng)板壓降調(diào)控后，空氣重介可以有效實(shí)現(xiàn)細(xì)粒煤的分選，使其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由23.15%減少至10.83%，實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒煤的脫灰，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。

圖11 細(xì)粒煤分選試驗(yàn)結(jié)果分析Fig.11 Analysis of fine coal separation performance

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)流化床的基礎(chǔ)上運(yùn)用雙層濾布有助于增加布風(fēng)板壓降，改善流化床層的流化特性，減小床層中的壓降波動(dòng)，保持床層流化的均勻穩(wěn)定，降低氣泡行為對(duì)細(xì)粒煤分選的干擾。

引入多層濾布后的氣固流化床隨氣速和床高的不斷增加，分選效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并且可以使山西常村煤礦原煤灰分由23.15%減小至10.83%，促進(jìn)了細(xì)粒煤的脫灰，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。

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