二元加重質(zhì)振動流化床的流化及分選特性研究?

陳 偉 駱振福 莊宏乾 王亞男 黃 歌 劉付勝 曹小強

（中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇省徐州市，221116）

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二元加重質(zhì)振動流化床的流化及分選特性研究?

陳 偉 駱振福 莊宏乾 王亞男 黃 歌 劉付勝 曹小強

（中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇省徐州市，221116）

將振動能量引入到二元加重質(zhì)氣固流化床中，將一定粒度組成的磁鐵礦粉和石英砂按照不同質(zhì)量配比形成的混合物作為加重質(zhì)，對床層進行流化及分選特性研究。研究了二元加重質(zhì)振動流化床的流化特性，并在不同流化氣速、振動強度、加重質(zhì)配比條件下，對6～3 mm、3～1 mm兩個粒級細粒煤進行分選試驗，確定了最優(yōu)試驗參數(shù)。試驗結(jié)果表明，臨界流化氣速隨石英砂質(zhì)量配比增大而減小。當氣速為7.37 cm/s時，床層穩(wěn)定性良好，壓降標準差為4.08 Pa；在最佳試驗條件下，對6～3 mm和3～1 mm兩種粒級煤樣分別進行分選試驗，分選精度（可能偏差值Ep）分別達到0.09 g/cm3和0.13 g/cm3，分選效果良好。

二元加重質(zhì) 振動流化床 分選試驗 細粒煤

1　引言

目前，針對氣固流化床煤炭干法分選的研究，尤其是使用磁鐵礦粉作為加重質(zhì)，對50～6 mm粒度煤炭的分選基本實現(xiàn)了高效、無污染的分選目標。但對于細粒級煤分選仍處于探索階段，由于細粒級煤的粒度小，在流化床中易受介質(zhì)密度、粘度、磁性及氣泡大小的影響，易在床層中形成返混現(xiàn)象，難以使用單一加重質(zhì)普通流化床對細粒級煤進行有效分選。

有學者研究將振動能量引入到普通流化床中，削減流化床內(nèi)的大氣泡，使其接近散式流態(tài)化，加入少量石英砂降低分選密度，增加床層均勻性和穩(wěn)定性，并形成二元加重質(zhì)。本文基于二元加重質(zhì)振動流化床的流化與分選特性，旨在進一步研究細粒級煤高效、無污染的干法分選技術(shù)。

2　試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要由供風系統(tǒng)、分選系統(tǒng)、振動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4個部分組成。分選系統(tǒng)由布風室、布風板、有機玻璃筒體等構(gòu)成，床體結(jié)構(gòu)直徑為120 mm，床高H為350 mm。流化床通過螺栓固定在振動臺上，振動臺的振動強度通過計算機設(shè)定參數(shù)控制。流化床內(nèi)加重質(zhì)鼓入壓縮空氣進行流化，壓縮空氣由羅茨鼓風機排出，依次通過風包、玻璃轉(zhuǎn)子流量計，最終進入布風室。為保證布風均勻，風室用風帽預(yù)布風使其均勻分散。風速大小通過調(diào)節(jié)閥門控制，隨著風速的變化，測壓管顯示出床層固定兩點的不同壓差值。試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　試驗系統(tǒng)示意圖

3　試驗過程與評價指標

3.1試驗材料

試驗使用不同質(zhì)量配比的磁鐵礦粉和石英砂作為加重質(zhì)，加重質(zhì)特性見表1和表2。

表1　加重質(zhì)的密度特性

表2　加重質(zhì)的粒度特性

試驗所用原煤為中等可選長焰不粘煤。原煤經(jīng)破碎、篩分后，得到6～3 mm、3～1 mm兩個粒級煤樣，測得煤樣灰分分別為25.10%、25.31%。對兩個不同粒級的原煤分別做浮沉試驗，得到的原煤性質(zhì)見表3。

表3　原煤性質(zhì)表

3.2試驗方法與評價指標

試驗采用單因素試驗法研究二元加重質(zhì)振動流化床流化特性及分選效果。不同振動強度條件下得到的流化曲線均以床層壓降標準方差作為流化質(zhì)量的評價指標；分選完成后關(guān)閉氣源將靜置床層均勻分為5層，將各層物料篩分去除加重質(zhì)后，上面2層煤樣作為精煤（浮物），剩余3層為矸石（沉物），分析精煤獲得最佳試驗條件；在最佳試驗條件下進行綜合試驗，以灰分離析度和可能偏差作為分選效果評價指標。

膨脹率公式計算如下:

式中:M——膨脹度，%；

H0——固定床床高，mm；

H1——瞬時流化床高，mm。

加重質(zhì)流化質(zhì)量通過床層壓降標準差來評價，標準差計算公式如下:

式中:sp——床層壓降標準差，Pa；

Δpi——測得的第i個點壓降，Pa；

Δp——各測點平均壓降，Pa；

n——測壓點的個數(shù)。

綜合試驗分選效果，通過灰分離析度和可能偏差來進行評價，灰分離析度計算公式為:

式中:Sash——灰分離析度；

Ai——分選后第i層煤樣的灰分，%；

ˉA——原煤灰分，%；

n——分層數(shù)。

4　結(jié)果與討論

4.1臨界流化速度

在床高H為100 mm、相同振動強度和氣速條件下，以加重質(zhì)配比數(shù)為變參進行試驗，石英砂質(zhì)量分數(shù)用ω表示，作出壓降與氣速的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2　不同配比加重質(zhì)的流化特性曲線

由圖2可知，不同配比加重質(zhì)的流化特性曲線各不相同，其臨界流化速度也不同，隨著石英砂質(zhì)量分數(shù)的逐漸增大，加重質(zhì)臨界流化氣速不斷減小。加重質(zhì)中石英砂質(zhì)量分數(shù)分別為4.76%、13.04%、20.00%，其臨界流化速度分別為4.91 cm/s、5.82 cm/s、7.19 cm/s。試驗結(jié)果表明，隨石英砂質(zhì)量分數(shù)的增大，加重質(zhì)密度和粘度逐漸減小，使床層在較低氣速下達到臨界流化狀態(tài)。

4.2床層壓降

由圖2可知，石英砂質(zhì)量分數(shù)越大，臨界流化氣速越小。床層初始流化階段，石英砂配比越少，壓降曲線斜率也越小。由于混合加重質(zhì)密度隨著石英砂質(zhì)量配比改變，加重質(zhì)密度小，懸浮時所需浮力就小，所以石英砂含量與壓降曲線斜率呈反比。床層穩(wěn)定流化狀態(tài)時，石英砂配比越大，床層壓降越小。試驗結(jié)果表明，采用二元混合加重質(zhì)可降低床層密度，同時流化狀態(tài)的石英砂完全分散，石英砂顆粒的無規(guī)則運動可以切割因磁性聚團的磁鐵礦粉，降低磁鐵礦粉的粘度，因此可以在較低氣速條件下即可達到臨界流化狀態(tài)。

4.3膨脹率

隨著流化氣速逐漸增加，床層氣泡數(shù)量和大小也不斷增大，測量床層高值，作出膨脹率與風速關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3　不同配比加重質(zhì)流化床膨脹率

由圖3可知，床層膨脹率隨氣速的增加而不斷增大，當床層到達穩(wěn)定流化階段后，膨脹率相對穩(wěn)定。結(jié)果表明，在床層初始流化階段，相同氣速時，石英砂配比越小的加重質(zhì)，膨脹率就越小；流化穩(wěn)定階段，膨脹率達到相同的最大值為20%。膨脹率越大，流化床層越度高，空氣率比較大，分選空間越大，易于分選；同時降低了分選密度，提高了精煤質(zhì)量。

4.4穩(wěn)定性

加重質(zhì)流化質(zhì)量決定了床層分選效果。均勻、穩(wěn)定的流化狀態(tài)使床層密度達到穩(wěn)定值，為分選試驗提供良好的分選環(huán)境，減少產(chǎn)物錯配和返混現(xiàn)象，得到理想的分選效果。在不同氣速條件下，流化狀態(tài)床層壓降標準方差如圖4所示。

由圖4可知，標準差值越小，床層就越均勻穩(wěn)定，流化質(zhì)量就越好。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，當氣速為7.37 cm/s時，床層壓降標準差值達到最小，為4.08 Pa。由于低氣速時振動強度占主導(dǎo)作用，而高氣速時氣速占主導(dǎo)作用，在這種情況下，兩種作用效果未達到協(xié)同一致，表現(xiàn)在床層壓降出現(xiàn)波動劇烈。

圖4　床層壓降標準方差

4.5分選效果

4.5.1單因素試驗

在不同氣速、振動強度、加重質(zhì)配比條件下，通過單因素試驗研究二元加重質(zhì)振動流化床對細粒煤分選效果的影響。以氣速為變參，分選6～3 mm、3～1 mm兩個級粒，作出精煤灰分曲線如圖5所示。

圖5　3～1 mm、6～3 mm煤樣在不同流化氣速下的分選結(jié)果

由圖5可知，氣速為7.37 cm/s的分選效果最佳，6～3 mm、3～1 mm粒級精煤灰分分別為18.08%、17.28%，說明在床層最穩(wěn)定時分選效果最佳，但普通流化床對細粒級煤進行分選，效果不理想。

在氣速為7.37 cm/s、振動強度為變參的條件下，對6～3 mm、3～1 mm粒級煤進行分選，得到精煤灰分結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6　6～3 mm煤樣在不同振動強度下的分選指標

圖7　3～1 mm煤樣在不同振動強度下的分選指標

由圖6和圖7可知，6～3 mm粒級煤在振動強度為4.4時，精煤灰分為15.53%；3～1 mm粒級煤在振動強度為2.51時，精煤灰分15.1%。這說明振動強度對分選效果影響十分顯著，由于煤的粒度不同，顆粒浮沉所需床層流化狀態(tài)不同，因此在試驗中分選兩粒級對應(yīng)最佳的振動強度也不同。

以加重質(zhì)配比為變參，在振動強度和氣速最佳條件下，進行試驗得到精煤灰分結(jié)果如圖8所示。

圖8　3～1mm、6～3mm煤樣在不同配比加重質(zhì)下的分選指標

由圖8可知，加重質(zhì)配比為2∶0.3時，分選效果最佳，6～3 mm、3～1 mm粒級煤精煤灰分分別為13.12%和13.46%。試驗結(jié)果表明，石英砂的加入降低了實際分選密度，使精煤質(zhì)量明顯提高。

4.5.2綜合試驗

在最佳試驗條件下，對兩細粒級煤進行分選，作出床層灰分離析曲線圖如圖9所示。

圖9　3～1 mm、6～3 mm粒級煤樣的灰分離析圖

由圖9可知，精煤灰分隨著床層高度不斷增加而降低，第2層與第3層產(chǎn)品的灰分差別相對較大，第3層與第4層煤的灰分值近似，因此將第1層與第2層產(chǎn)品混合成精煤最合理，兩個粒級的灰分離析度分別是3.41和2.80。因此6～3 mm粒級煤樣分選效果較好。綜合試驗分選6～3 mm、3～1 mm粒級煤得到精煤灰分分別是13.22%和13.43%。

細粒級煤樣分配曲線如圖10所示。

圖10　細粒級煤樣的分配曲線

由圖10可知，6～3 mm、3～1 mm兩粒級煤的實際分選密度分別為1.50 g/cm3、1.52 g/cm3；分選精度Ep值分別為0.09 g/cm3、0.13 g/cm3。試驗數(shù)據(jù)表明，二元加重質(zhì)振動流化床分選細粒級煤效果明顯。

5　結(jié)論

（1）在以磁鐵礦粉和石英砂混合物作為固相加重質(zhì)條件下，改變配比可以影響流化床的流化特性，隨著石英砂配比不斷增加，最小流化氣速逐漸減小，在流化穩(wěn)定狀態(tài)下，石英砂配比例越高，則流化床層壓降越小。

（2）單因素試驗結(jié)果表明改變氣速、振動強度和加重質(zhì)配比都影響6～3 mm、3～1 mm兩粒級煤的分選效果。在分選6～3 mm粒級的煤樣時，當氣速、振動強度及加重質(zhì)配比分別為7.37 cm/s、4.4、2∶0.3時，分選效果較好，精煤灰分為13.12%；在分選3～1 mm粒級的煤樣時，各參數(shù)分別為7.37 cm/s、2.51、2∶0.3時，分選效果較好，精煤灰分為13.46%。

（3）在最佳試驗條件下，分選6～3 mm、3～1 mm兩粒級煤樣，上兩層產(chǎn)品組合精煤最合理，實際分選密度分別為1.50 g/cm3、1.52 g/cm3；分選精度Ep值分別為0.09 g/cm3、0.13 g/cm3。

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（責任編輯 陶 賽）

Study on the fluidization and separation characteristics of the tow-spot dense medium vibrated fluidized bed

Chen Wei，Luo Zhenfu，Zhuang Hongqian，Wang Yanan，Huang Ge，Liu Fusheng，Cao Xiaoqiang
（School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining&Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

This paper introduced vibrational energy into the tow-spot dense medium of gassolid fluidized bed，the dense medium is mixture of the magnetite powder and quartz sand of composed of a certain size in different ratios.The characteristics of mass flow of tow-spot dense medium were studied in the mass vibration fluidized bed.The ratio of the dense medium quality，the optimal parameters is determined by sorting the coal of the 6～3 mm，3～1 mm size fractions under the different conditions of fluidized gas velocity，vibration intensity.The results showed that the critical fluidization velocity decreased with the increase of mass ratios of quartz sand.When the gas velocity was 7.37 cm/s，the optimal stability of bed layer was achieved and a standard deviation of bed drop was 4.08 Pa.The values of sorting accuracy（possible deviation Epvalue）under the optimum condition of those two size fractions were around 0.09 g/cm3and 0.13 g/cm3by calculating，respectively，which meant the sorting effect was favorable.

tow-spot dense medium，vibration fluidized bed，separation experiment，fine coal

TD94

A

?國家自然科學基金資助項目（51174203，51134022），國家自然科學基金重點項目、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2012CB214904）

陳偉（1990-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為煤炭干法分選。