韓春陽(yáng)，朱學(xué)帥

(1.國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

隨著采煤機(jī)械化程度的提高和煤質(zhì)的不斷惡化，原煤中小于3 mm細(xì)粒煤含量逐漸增加。其中，小于0.25 mm粒級(jí)可采用浮選機(jī)、浮選柱等設(shè)備進(jìn)行有效分選，而介于重介分選下限和浮選上限之間的粗煤泥在重介和浮選環(huán)節(jié)均未得到有效分選，若混入重介溢流導(dǎo)致總精煤灰分升高，若進(jìn)入浮選尾煤則造成資源浪費(fèi)[1-3]。粗煤泥分選設(shè)立獨(dú)立的分選環(huán)節(jié)，配備有效的分選設(shè)備，實(shí)現(xiàn)精煤產(chǎn)品回收最大化，同時(shí)對(duì)于提高選煤廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)均具有著重要意義[4-6]。

目前，常用的粗煤泥分選設(shè)備主要有液固流化床(TBS)、煤泥重介旋流器、螺旋分選機(jī)等，液固流化床具有分選密度低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煉焦煤選煤廠(chǎng)粗煤泥分選工藝環(huán)節(jié)[7]。但液固流化床生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)高密度細(xì)顆粒錯(cuò)配到溢流，低密度粗顆粒損失到底流的現(xiàn)象，分選精度受限。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)液固流化床設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開(kāi)了一系列研究，包括改進(jìn)排料方式、引入脈動(dòng)水流和加入傾斜板等。研究表明，采用鐘形排料閥的粗煤泥分選機(jī)排料過(guò)程連續(xù)、穩(wěn)定，對(duì)床層破壞程度小，可改善粗煤泥分選效果[2，8]；采用變頻排料泵、穩(wěn)壓補(bǔ)水箱、排料分配機(jī)構(gòu)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制排料，可實(shí)現(xiàn)排料過(guò)程穩(wěn)定，并解決了間歇排料易堵塞的問(wèn)題[9，10]。在傳統(tǒng)分選機(jī)內(nèi)添加阻尼塊，并引入脈動(dòng)水流，能夠使顆粒充分分散，減少夾帶，強(qiáng)化粗煤泥分選效果[11]。采用變徑柱結(jié)合斜面流在分選機(jī)內(nèi)產(chǎn)生變速流場(chǎng)，變速流場(chǎng)可使顆粒按密度分離[12]。Galvin K P[13，14]在分選機(jī)內(nèi)部加入傾斜版，開(kāi)發(fā)了逆流式分選機(jī)，增大顆粒沉降面積，縮短沉降時(shí)間，促進(jìn)了顆粒分離。三產(chǎn)品分選機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)外2個(gè)分選室，形成兩段分選，改善了難選煤分選效果，有利于拓寬入料粒度范圍[15，16]。

本文研究了一種內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床，主要分選區(qū)結(jié)構(gòu)由直筒結(jié)構(gòu)、變徑結(jié)構(gòu)和傾斜板結(jié)構(gòu)3部分構(gòu)成，如圖1所示。前期對(duì)其分選機(jī)理和間斷條件下的粗煤泥分選特性進(jìn)行研究，表明內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床粗煤泥分選效果顯著提高[17-19]。本文旨在構(gòu)建內(nèi)置傾斜板變徑流化床實(shí)驗(yàn)室連續(xù)分選系統(tǒng)，探索其在連續(xù)條件下的分選特性，為設(shè)備的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)確定和工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床示意

1 試驗(yàn)物料與系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)物料

粗煤泥入料來(lái)自山西潞安集團(tuán)李村煤礦選煤廠(chǎng)分級(jí)旋流器底流，其主導(dǎo)粒級(jí)為1～0.25 mm，大于1 mm和小于0.25 mm含量占比較少，合計(jì)產(chǎn)率為3.77%。入料篩分結(jié)果如表1所示，浮沉結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)表2得到可選性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

表1 入料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 入料原煤浮沉試驗(yàn)結(jié)果

圖2 入料可選性曲線(xiàn)

由表1可知，各粒級(jí)灰分隨著粒度減小而增大，此粒度分布特性容易使顆粒在分選過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)配。由圖2可知，入料中小于1.5 g/cm3密度級(jí)為主導(dǎo)密度級(jí)，產(chǎn)率為66.98%，不同精煤灰分要求條件下對(duì)應(yīng)的入料可選性等級(jí)如表3所示，當(dāng)精煤灰分要求在8%以下時(shí)，可選性等級(jí)為中等可選。

表3 入料原煤可選性

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選試驗(yàn)系統(tǒng)由給料裝置、循環(huán)水裝置和控制裝置構(gòu)成，如圖3所示。其中，給料裝置由給料斗和入料管組成，調(diào)節(jié)給料斗閥門(mén)開(kāi)度可控制入料速率；循環(huán)水系統(tǒng)由緩沖水箱、循環(huán)水桶、流量計(jì)、循環(huán)管路與循環(huán)水泵構(gòu)成，轉(zhuǎn)子流量計(jì)匹配渦輪流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)上升水速精確控制；控制裝置由PID控制器和壓力傳感器構(gòu)成，通過(guò)壓力示數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)床層密度變化。試驗(yàn)中入料速率固定為90 kg/h，入料濃度為50%，上升水速為6 mm/s和8 mm/s。6 mm/s水速條件下床層密度為1.15 g/cm3、1.18 g/cm3、1.21 g/cm3和1.24 g/cm3；8 mm/s水速條件下床層密度為1.12 g/cm3、1.15 g/cm3、1.18 g/cm3和1.21 g/cm3。具體操作過(guò)程為：上升水流經(jīng)離心水泵引入到分選機(jī)內(nèi)，入料懸浮液由自重入料倉(cāng)給入分選機(jī)，在上升水流作用下顆粒進(jìn)行分選，在相應(yīng)的操作條件下完成分選，收集的溢流和底流進(jìn)行烘干和化驗(yàn)，分析分選效果，并進(jìn)行1～0.25 mm粒級(jí)粗煤泥在傳統(tǒng)與內(nèi)置傾斜板變徑流化床中的對(duì)比分選研究。

圖3 粗煤泥連續(xù)分選試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 分選效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

粗煤泥試驗(yàn)的分選效果分別用可燃體回收率、脫灰效率、可能偏差Ep來(lái)評(píng)價(jià)。其中可燃體回收率和脫灰效率分別按式(1)和式(2)計(jì)算：

式中：ηε——可燃體回收率，%；ηwf——脫灰效率，%；γj——溢流產(chǎn)率，%；Ad，j——溢流灰分，%；Ad，r——入料灰分，%。

可能偏差Ep為設(shè)備分選性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算過(guò)程如式(3)所示，δ25和δ75分別為分配曲線(xiàn)上分配率為25%和75%的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分選密度。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選結(jié)果

不同上升水速和床層密度的條件下，內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選試驗(yàn)效果如表4所示。經(jīng)浮沉試驗(yàn)確定不同操作條件下重產(chǎn)物，分配曲線(xiàn)如圖4所示。

表4 分選試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同操作條件下重產(chǎn)物分配曲線(xiàn)

由表4可知，相同上升水速條件下溢流灰分、溢流產(chǎn)率和可燃體回收率均隨隨床層密度的增大而增加；溢流灰分增加的同時(shí)底流灰分隨之升高，當(dāng)精煤灰分為8%時(shí)，可獲得較高的精煤產(chǎn)率，為64.20%以上；根據(jù)圖4可知，實(shí)際分選密度為1.57 g/cm3，底流灰分達(dá)到50%以上。

由圖4可知，相同上升水速條件下，隨床層密度增大，分配曲線(xiàn)向右平移，分選密度逐漸增大；相同床層密度條件下，隨床層密度增大，分選密度亦逐漸增大。表5所示為分選密度和Ep值隨操作參數(shù)的變化。

表5 床層密度和Ep值隨操作參數(shù)變化

從表5可知，適宜的分選密度范圍內(nèi)，內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選效果良好，可實(shí)現(xiàn)Ep值小于0.1 g/cm3；Ep值與床層密度之間并非呈正相關(guān)關(guān)系，不同上升水速條件下變化趨勢(shì)存在差異；6 mm/s水速條件下，Ep值隨床層密度增加開(kāi)始減至趨于穩(wěn)定小，8 mm/s水速條件下，Ep值隨床層密度增加逐漸增大，可見(jiàn)較低的上升水速有利于提高粗煤泥分選效果。主要原因是水速較低時(shí)，床層穩(wěn)定均勻，加之床層體積濃度增大，顆粒間的沉降速度差增大，促進(jìn)了顆粒按密度分離。

2.2 2種分選機(jī)分選效果對(duì)比

相同操作條件下，對(duì)傳統(tǒng)和內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5～6所示。

圖5 2種液固流化床溢流灰分對(duì)比

圖6 2種液固流化床底流灰分對(duì)比

由圖5可以看出，相同操作條件下，2種分選機(jī)溢流灰差異較小；但底流灰分相差較大，內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床底流灰分顯著提高，平均高出約4個(gè)百分點(diǎn)，根據(jù)灰分平衡法求解產(chǎn)品產(chǎn)率可知，底流灰分高必然使得溢流產(chǎn)率提高，說(shuō)明2種分選機(jī)溢流灰分相近，而內(nèi)置傾斜板的變徑液固流化床精煤產(chǎn)率提高，預(yù)測(cè)使新型設(shè)備強(qiáng)化按密度分選的原因，具體需結(jié)合2種分選機(jī)分選精度進(jìn)一步論證。

圖7所示為2種分選機(jī)Ep值對(duì)比。從圖中可以看出，2種分選機(jī)隨床層密度不同變化趨勢(shì)相同，隨上升水速不同，變化趨勢(shì)存在差異。相同操作條件下，內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選精度顯著提高，分選效果良好，Ep值0.087～0.100 g/cm3，而傳統(tǒng)液固流化床的Ep值位于0.110～0.120 g/cm3，相同操作條件下，前者的分選精度可提高0.020～0.030 g/cm3，可見(jiàn)內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床提高了粗煤泥分選效果。

圖7 2種液固流化床Ep值對(duì)比

2.3 不同分選狀態(tài)下分選效果對(duì)比

連續(xù)分選條件下，液固流化床內(nèi)形成一定濃度的自生介質(zhì)床層，顆粒在其中做干擾沉降運(yùn)動(dòng)，比較間斷與連續(xù)分選條件下粗煤泥分選效果，探討自生介質(zhì)床層對(duì)提高分選效果的意義。

間斷分選條件下，入料量少，分選機(jī)內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，其內(nèi)部為稀相環(huán)境，顆粒與顆粒之間碰撞幾率大大減小，可忽略顆粒間的碰撞力，僅有顆粒與流體間的曳力，顆粒完全按照自由沉降速度差異進(jìn)行分離；連續(xù)分選條件下，入料量大，合理控制底流閥可形成體積濃度大于20%的濃相床層，顆粒間碰撞作用大大增加，所有顆粒的沉降速度均降低，但顆粒間的沉降速度差增大，在一定的停留時(shí)間內(nèi)，可完成較好的分層。且床層本身為一種密度高于水的懸浮體，提高了按密度分離的趨勢(shì)。

表6定量比較了2種分選機(jī)在不同狀態(tài)下的分選結(jié)果。由于2種狀態(tài)下適應(yīng)的操作參數(shù)不同，表6中所列為實(shí)際分選密度接近時(shí)Ep值變化。根據(jù)表6得到圖8所示Ep值變化趨勢(shì)。

表6 不同條件下分選效果對(duì)比

圖8 不同試驗(yàn)條件下Ep值

結(jié)合表6、圖8可以看出，2種分選狀態(tài)下，相比傳統(tǒng)分選機(jī)，內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選精度均提高；間斷條件下，隨著分選密度增大，2種液固流化床的Ep值基本呈線(xiàn)性增大；連續(xù)分選條件下，分選密度低于1.65 g/cm3時(shí)，Ep值變化微弱，大于1.65 g/cm3時(shí)，Ep值明顯增大。分選密度相近，傳統(tǒng)分選機(jī)在連續(xù)條件下的Ep值較間斷狀態(tài)下降低約0.07～0.10 g/cm3，內(nèi)置傾斜板變徑流化床Ep值降低約0.05～0.08 g/cm3，說(shuō)明連續(xù)分選條件下，自生介質(zhì)床層強(qiáng)化了顆粒按密度分離。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)溢流灰分、溢流產(chǎn)率、可燃體回收率和實(shí)際分選密度與床層密度和上升水速均呈正相關(guān)關(guān)系；Ep值在不同上升水速條件下的變化趨勢(shì)存在差異，水速較低時(shí)，Ep值隨床層密度增大先減小后趨于穩(wěn)定，水速較高時(shí)，Ep值隨床層密度的增大而增加，適宜分選密度范圍內(nèi)，較低水速匹配較高床層密度分選效果良好。

(2)變徑和傾斜板結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了顆粒按密度分離。連續(xù)分選條件下，相比傳統(tǒng)分選機(jī)，內(nèi)置傾斜板變徑液固流化床分選精度可提高0.02～0.03 g/cm3。

(3)自生介質(zhì)床層強(qiáng)化了顆粒按密度分離。連續(xù)條件下液固流化床分選精度顯著提高，相比間斷分選條件，Ep值可降低0.07～0.10 g/cm3。