重介質液固流化床粗煤泥分選效果研究?

賀長營 張文軍 郭永華 史冰森

(中國礦業大學化工學院,江蘇省徐州市,221116)

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重介質液固流化床粗煤泥分選效果研究?

賀長營 張文軍 郭永華 史冰森

(中國礦業大學化工學院,江蘇省徐州市,221116)

分析了傳統液固流化床對粗煤泥分選的局限性,介紹了重介質液固流化床理論,指出可以通過提高懸浮液的密度來提高分選效果。對重介質液固流化床的流化特性進行研究,考察了不同容積濃度及上升水速時床層內部的流化特性,研究發現0.045～0.074 mm做為主導粒級的磁鐵礦粉在流化床內部分布最為均勻穩定,有利于物料分選。利用普通液固流化床及重介質液固流化床對煤樣開展對比試驗,并對數據進行了分析后發現,與傳統液固流化床相比重介質液固流化床分選所得精煤灰分降低了0.98%,尾煤灰分提高了6.55%,分選效果得到明顯改善。

重介質 流化特性 粗煤泥 分選效果

國家低碳經濟發展模式的提出使得推進煤炭清潔利用的意義日漸突出,對煤炭洗選加工的要求也日益嚴格。在我國煤炭洗選工藝中,大直徑旋流器的推廣應用拓展了原煤的有效分選上限,浮選柱及大型浮選機的發展大大延伸了浮選的有效分選粒度下限,而介于重選和浮選交界之間的粗煤泥(2～0.25 mm)卻很難得到有效的分選。隨著對資源回收利用的重視,粗煤泥的有效分選變得越來越重要,液固流化床分選機由于操作簡單、自動化程度高以及密度調節方便等優點得到了廣泛應用,然而大量的工業實踐和研究表明,傳統液固流化床處理難選煤和粒度范圍較寬的粗煤泥時,存在分選精度差及產品指標偏低的缺陷。

1 重介質液固流化床理論研究

1.1 顆粒的干擾沉降速度

顆粒在液固流化床中借助自生干擾床層的作用進行分選,干擾沉降為重力分選過程中最基本最普遍的規律,干擾沉降速度具有代表性的經驗模型見式(1):

式中:vg——干擾沉降末速,m/s;

v0——自由沉降末速,m/s;

λ——固體的容積濃度,%;

n——與礦粒性質有關的實驗指數。

由式(1)可以看出,隨著固體容積濃度的增大,顆粒間干擾沉降速度會呈指數型變化,其偏差迅速增大使得分離趨勢更為明顯,能夠很好地解釋沉降末速對固體容積濃度的依賴關系,適合于粒度相同或相近的顆粒。

1.2 顆粒等沉現象

等沉現象是描述顆粒沉降過程中密度與粒度關系的特征指標,在沉降過程中,密度和粒度不同但具有相同沉降速度的顆粒稱為等沉顆粒。在等沉顆粒中,低密度顆粒的粒度與高密度顆粒的粒度之比的等沉比見式(2):

式中:e0——等沉比;

dp1——輕礦物的粒度(直徑),m;

dp2——重礦物的粒度(直徑),m。

帶入自由沉降末速公式,可以得到式(3):

式中:Cd1——輕礦物顆粒的阻力系數,與雷諾數有關;

Cd2——重礦物顆粒的阻力系數,與雷諾數有關;

ρp1——輕礦物的密度,g/cm3;

ρp2——重礦物的密度,g/cm3;

ρf——介質密度,g/cm3。

由式(3)可以看出,兩種不同密度的顆粒在懸浮介質中會產生強烈的分離作用,且隨著ρf的增大,異類顆粒干擾沉降等沉比也會增大,有利于拓展有效分選的粒度范圍。

1.3 介質密度對顆粒分離的影響

根據液固兩相流的動量方程,推導得到了顆粒在介質中運動的速度平方差公式見式(4):

其中:vp1——輕礦物的沉降速度,m/s;

vp2——重礦物的沉降速度,m/s;

g——重力加速度,m/s2;

z——顆粒在坐標中的空間參數;

vf——介質流動速度,m/s;

μ——介質流體動力粘度,N·s/m2;

j——介質流相對于顆粒的流率,%;

ε——粒群空隙率,%。

根據式(4)可知,隨著ρf的增加,不同顆粒的運動速度差增大,顆粒分離趨勢更為明顯,可促進顆粒按密度分層。

2 重介質液固流化床流化特性的影響研究

將重介選煤廠普遍使用的磁鐵礦粉作為重介質引入液固流化床粗煤泥分選機,提高柱內懸浮液穩定性,強化粗煤泥基于自身密度進行分選。由于重介質自身密度較大,其密度及粒度對流化床的穩定性有所影響,因此本試驗對加重質液固流化床懸浮液的穩定性進行了研究,試驗所用磁鐵礦粉的真密度為4.45 g/cm3,磁性物含量為97.21%。

2.1 容積濃度對流化特性的影響

不同固體容積濃度下各個粒級的磁鐵礦粉在柱內分布的變化情況見圖1。

由圖1可以看出,當固體容積濃度為5%時,各粒級磁鐵礦粉在床層的分布不均勻,床層穩定性較差;當固體容積濃度為10%時,各粒級磁鐵礦粉分布均勻性有所改善;當固體容積濃度在15%時,磁鐵礦粉沿床層垂直高度的分布最均勻,說明隨著固體容積濃度的增大磁鐵礦粉流化效果變好。

0.045 ～0.074 mm粒級的磁鐵礦粉在固體容積濃度為10%和15%時分布較為均勻,在此條件下在床內均有良好的穩定性,此粒級磁鐵礦粉可以為加重質液固流化床提供良好的分選環境;＋0.125 mm及0.125～0.074 mm粒度級的磁鐵礦粉主要聚集在床層的底部,主要由于該粒級磁鐵礦粉自身重力較大,具有較大的沉降速度。因此在重質選擇時,應選擇粒度較細的磁鐵礦粉,減弱粗顆粒磁鐵礦粉對分選環境帶來的不利影響。

圖1 不同固體容積濃度下各粒級磁鐵礦粉在柱內的分布規律

2.2 上升介質流速對流化特性的影響

在不同上升介質流速下各個粒級的磁鐵礦粉在柱內分布的變化情況見圖2。

由圖2可以看出,當上升介質流速變化時,－0.045 mm粒級的磁鐵礦粉隨著柱高的增加含量遞增趨勢明顯,在柱內波動較大導致該粒級磁鐵礦粉粒度較細且沉降速度較小;0.125～0.074 mm及＋0.125 mm粒度級的磁鐵礦粉主要聚集在床層的底部,上升流速對其在床層分布影響較弱,隨著柱高的增加含量呈急劇下降,分層現象比較明顯,不利于其在床層穩定分布;0.074～0.045 mm粒級的磁鐵礦粉在床層的含量波動較小,不同垂直高度的含量并沒有明顯的差異,其中在上升流速為0.3 cm/s時,該粒級磁鐵礦粉在柱內的含量變化很小,具有良好的穩定性,說明0.074～0.045 mm粒級的磁鐵礦粉在此條件下可以為重介質液固流化床提供良好的分選環境。

3 重介質液固流化床分選效果研究

根據對不同固體容積濃度及上升介質流速條件下加重質液固流化床流化特性的研究可知,加重質液固流化床可形成床層密度穩定的分選環境以用于粗煤泥分選。以粒度為2～0.25 mm粒級的粗煤泥作為試驗煤樣,分別在普通液固流化床及重介質液固流化床中開展對比試驗。對試驗所得產品進行粒度分析,其結果見表1和表2。

由表1可以看出,在不添加重介質的普通液固流化床產品中,精煤總灰分為10.48%,尾煤灰分為45.38%。根據對精煤的篩分結果可知,精煤灰分隨粒度的減小而增大,＋0.25 mm粒級的物料總體分選較為理想,降灰效果顯著;然而＋0.125～0.25 mm細粒組分灰分偏高,影響了總體精煤指標,說明普通液固流化床在處理細粒組分含量大的寬粒級入料時效果較差。

由表2可以看出,重介質液固流化床分選精煤總灰分為9.50%,與普通液固流化床精煤相比降低了0.98個百分點,尾煤灰分為51.96%,提高了6.55個百分點,其分選效果得到明顯改善。進一步分析數據可發現,重介質液固流化床精煤各粒度級灰分普遍較低,其中＋0.125～0.25 mm細粒物料灰分僅為10.03%,說明重介質液固流化床可以有效避免高灰細泥的污染,弱化顆粒粒度對分選的影響,強化物料基于自身密度進行精確分選,拓展液固流化床的入料粒度,提高粗煤泥的分選效果。

圖2 不同上升介質流速下各粒級的磁鐵礦粉在柱內的分布規律

表1 普通液固流化床各產品粒度分析

表2 重介質液固流化床各產品粒度分析

4 結論

(1)通過理論分析可知,重介質液固流化床通過提高床層內部懸浮液的密度以增大分選等沉比,強化物料密度對分層效果的影響有助于改善和提高粗煤泥的分選效果。

(2)重介質液固流化床內部重介質的流化特性受固體容積濃度的影響較為顯著,為了保證穩定的床層密度,應選擇窄粒度級的重介質以減弱粗顆粒對分選環境帶來的不利影響,當固體容積濃度為15%時,磁鐵礦粉在流化床中的分布最為均勻,有利于形成穩定的床層。

(3)上升水速對大顆粒的重介質分布影響較弱,＋0.074 mm粒度級的重介質主要聚集在床層的底部,分層現象明顯,不利于分選;0.045～0.074 mm粒度級的重介質在不同水速下沿床層垂直高度分布較為均勻,有利于分選過程的進行,當上升流速為0.3 cm/s時,重介質的流態化效果最好。

(4)通過對比試驗可知,重介質液固流化床通過對介質密度的提高,有效地避免了高灰細泥對精煤的污染,減弱了物料粒度的影響,強化物料按密度分選以提高分選精度,改善粗煤泥的分選效果。

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Research on separation effect of coarse coal slime in dense medium liquid solid fluidized bed

He Changying,Zhang Wenjun,Guo Yonghua,Shi Bingsen
(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

The authors analyzed limitation of coarse coal slime separation in traditional liquid solid fluidized bed,introduced separation principle of dense medium liquid solid fluidized bed,and also pointed out that enhancing separation effect by increasing suspension density.According to the study on fluidization characteristics of dense medium liquid solid fluidized bed and investigating fluidization characteristics of interior bed layer with different volumetric concentrations and water rise velocities,the results showed that when the particle size of magnetite is 0.045～0.074 mm within the liquid solid fluidized bed,the distribution is most stable and the most favorable to separation.Analysis the data of comparison experiments between common medium liquid solid fluidized bed and the dense liquid solid fluidized bed,the authors found that comparing with traditional liquid solid fluidized bed,the cleaned coal ash decreased 0.98%and the tail coal ash increased 6.55%in separation of dense medium liquid solid fluidized bed.Thus,the separation effects were obvious changed.

dense medium,fluidization characteristics,coarse coal slime,separation effect

TD946.2

A

賀長營(1988－),男,山東淄博人,中國礦業大學碩士研究生,主要研究方向為細粒煤分選。

(責任編輯 王雅琴)

國家自然科學基金(51174204),中央高校基本科研業務費專項資金(2014YC08),江蘇省高校優勢學科資助