深型空氣重介流化床密度均勻性研究

李國豐, 段晨龍, 陸俊宇, 趙躍民, 周恩會

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

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國與消費國，2016年煤炭產(chǎn)量3.41×109t，在全國能源消費總量中占61.3%[1]。隨著國家“供給側(cè)”改革，煤炭去產(chǎn)能化，煤炭供需會逐漸平衡，產(chǎn)量也會大幅下滑，但“富煤、少油、貧氣”的基本國情決定了未來很長一段時間煤炭仍是中國能源主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[2]。然而中國能源分布極度不均，有三分之二以上煤炭資源分布于西北干旱缺水地區(qū)，這使得以水洗為主的選煤技術(shù)難以有效實施，尤其在寒冷季節(jié)，水易結(jié)冰，導(dǎo)致濕法分選無法順利開展，因此對于高效干法分選技術(shù)提出了迫切需求[3-4]。

空氣重介流化床是將氣-固流化應(yīng)用于煤炭行業(yè)的一項高效干法分選技術(shù)，因其具有分選精度高、無水加工的優(yōu)點而得到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[5-6]。目前所應(yīng)用的空氣重介流化床一般指床層高度在400 mm以下的氣-固流化床[7]，而對于床層高度大于400 mm的氣-固分選流化床一般稱為深型空氣重介流化床，簡稱為深床。普通氣-固流化床有效分選上限一般為50 mm，對于50 mm以上的塊煤，為保證充足的分選空間則需要使床層高度至少達到入料粒度上限的4倍才能滿足分選需要[8]，所以也就有了深型空氣重介流化床的提出。

對于深床而言，由于床層高度較高，且加重質(zhì)粒度較大，密度較高，導(dǎo)致床層中氣泡直徑較大，從而使床層密度分布非均勻性加劇，無法形成有效的準散式微泡流化狀態(tài)，致使錯配物占比增加，影響煤炭分選效果[9-11]。所以需要對深床層密度分布結(jié)構(gòu)進行研究，以揭示深床密度空間分布特性，影響因素，從而提高分選精度。對于床層密度空間分布而言，可以分為垂直于水平面的軸向分布以及平行于水平面的徑向分布[12-13]。本研究主要針對深床層密度在徑向空間分布特征，分析操作參數(shù)、布風結(jié)構(gòu)優(yōu)化對床層徑向空間分布的影響，從而找出調(diào)控深床層徑向密度分布的有效方法。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備主要包括羅茲鼓風機、風包、球閥、玻璃轉(zhuǎn)子流量計、流化床模型機、U型壓差計等裝置。如圖1所示：流化床上部為直徑600 mm，高800 mm的有機玻璃柱；下部為流體分布裝置。其中，布風板由兩層多孔板夾5層500目濾布組成，多孔板孔徑4 mm、孔間距6 mm，開孔率為40.31%；為了進行布風室結(jié)構(gòu)對床層徑向空間密度分布特性的優(yōu)化，采用了圖1中所示的2種布風室結(jié)構(gòu)進行對比實驗。

圖1 深型空氣重介流化床實驗系統(tǒng)設(shè)備圖Fig.1 Diagram of deep bed laboratory fluidization system

由于深床具有氣流量大、氣壓高的特點[14-15]，為了更好地將氣流均勻分布于布風板上，應(yīng)首先保證布風室具有充足的空間，同時利用預(yù)布風室結(jié)構(gòu)使氣流均勻地穿過布風板。因此，結(jié)合以往空氣重介流化床預(yù)布風室的設(shè)計經(jīng)驗，將新型預(yù)布風室設(shè)計成圖1中所示結(jié)構(gòu)體。其中，傳統(tǒng)布風室只有1根氣流支管，管道高度200 mm，內(nèi)徑100 mm。而新型布風室擁有4根支管，且每根支管都有風帽，支管內(nèi)徑50 mm，另外4根支管之間分別由一塊擋板隔開，擋板高250 mm，相互間夾角為90°。

1.2 實驗材料

實驗所用加重質(zhì)為磁鐵粉，其主要成分為Fe3O4，粒度為74～300 μm，堆密度約為2.51 g/cm3，真密度約4.54 g/cm3。除磁鐵粉外，實驗中還使用了粒度為500～1500 μm的煤粉顆粒，該煤粉的密度約為1.48 g/cm3，實驗時加重質(zhì)中煤粉的質(zhì)量分數(shù)為10%。實驗用煤樣取自石壕選煤廠原煤中50～150 mm粒級大塊煤，原煤灰分為35.48%(質(zhì)量分數(shù))，其浮沉實驗結(jié)果如表1所示。

由表1可見，原煤中低密度級與高密度級物料占主導(dǎo)地位，中煤含量少且分布較為均勻。所以，如若將分選密度定為中間密度1.80 g/cm3左右時，精煤與矸石最容易分離，分選精度比較高，若分選密度小于1.5 g/cm3或高于2.0 g/cm3時分選比較困難，效率也較低。

表1 原煤浮沉實驗分析Table 1 Float and sink analysis of raw coal

The ash and yield represent those of each density fraction, respectively.

1.3 實驗方法

通過新型布風室下深床流化特性實驗找出不同初始床高下最小流態(tài)化速度(Umf)，分別為7.41、7.87、7.67和7.73 cm/s。對于空氣重介流化床而言最常用的流化數(shù)(N)是1.2～1.8，從中選擇合適的操作氣速范圍，再由流化數(shù)、初始床層高度(Hs)的變化分析床層壓降徑向空間分布非均勻性特征。

圖2為床層壓降測量點示意圖。測量位置為布風板上方50、100、150 mm等每間隔為50 mm的各個截面，當最上端的測量截面距離床層頂部不足50 mm時不再進行測量。這樣即便處于最外端的點依然距離邊壁約17.2 mm，可以避免邊壁效應(yīng)對床層密度波動的影響。

圖2 床層壓降測量點示意圖Fig.2 Schematic diagram of bed density measured positionEvery red point represents one measurement position; x-axis and y-axis have the same meaning with the axes in all nephograms

U型壓差計測量各點時是依次測量的，即用同一個壓差管移動至不同位置測量不同的點。此外，因為各點的壓力具有脈動和周期性，所以在讀數(shù)時不會立刻讀取壓力值，而是針對30 s內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)(每5 s記錄1次)，取它們的平均值作為被測點的壓力值。

床層密度計算過程如下所示：

Δp=ρigh；

(1)

ρi=Δp/gh；

(2)

(3)

床層徑向密度計算取的是不同軸向測試點密度的平均值所構(gòu)成的徑向分布；對于初始床高為600 mm的床層而言，在床層徑向密度分布圖中每一個點都是軸向上的12個點(50、100、150…600 mm)的平均值。

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對于深床流態(tài)化密度分布均勻性采用密度分布標準差Sρ來表征，表達式[16]如下所示:

(4)

對分選效果采用重力選煤過程中最常用的可能性偏差E值來評價。E值計算公式如下所示：

(5)

其中，σ75和σ25分別表示重產(chǎn)物分配率為75%和25%時流化床層的分選密度，g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 布風室結(jié)構(gòu)對床層密度分布均勻性的影響

由于入料粒度上限為150 mm，考慮分選空間的需求，床高為600 mm才能滿足分選需要。因此，在本節(jié)中選擇Hs=600 mm與Hs=680 mm進行不同流化氣速條件下密度均勻性實驗，以探究通過布風室結(jié)構(gòu)改善床層密度分布均勻性的可行性，得到如圖3所示標準差分布曲線，其中Sρ2與Sρ1分別表示傳統(tǒng)布風室與新型布風室作用下的床層密度分布標準差。

圖3 不同布風室及初始床高下床層密度分布標準差曲線Fig.3 Standard deviation curves of density distribution under different air chambers and initial bed heights

由圖3可知，隨著流化數(shù)的增加，無論新型布風室還是傳統(tǒng)布風室作用下的床層密度分布標準差均為先降低后增加，且無論初始床高為600 mm還是680 mm，都有Sρ2>Sρ1，所以，新型布風室可以改善深床的流化效果，在N=1.60時，改善效果最明顯。

當操作氣速Ug=1.6Umf，初始床層高度分別為600 mm與680 mm時，將傳統(tǒng)布風室條件下的流化床床層壓降換算成密度，繪制如圖4所示云圖。由圖4可知，傳統(tǒng)布風室作用下的床層密度呈現(xiàn)四周低中間高的“凸”字形分布，而新型布風室作用下的床層密度分布正好與此相反，呈現(xiàn)四周高中間低的“凹”字形分布。

從密度分布均勻性而言，新型布風室作用下的床層中部區(qū)域密度相近且分布較為平緩，這點從圖4中等值線上也可以看出，中部區(qū)域等值線較為稀疏，而傳統(tǒng)布風室的床層徑向中部區(qū)域等值線分布較為密集。這對于初始床高無論600 mm還是680 mm，分布規(guī)律都是相似的。

2.2 流化數(shù)對床層密度徑向分布特性的影響

這是因為低流化數(shù)時，床層活性較差，且氣流具有往床層中軸部區(qū)域運動的趨勢，使得距離中心軸較遠的位置依然存在密度較高的死床區(qū)域，且分布差別較為明顯；而流化數(shù)越高床層膨脹率越大，床層活性增加，死床區(qū)域消失，所以密度也就越低，高密度區(qū)域開始減少，整體密度分布更加的均勻；但當流化數(shù)進一步增加，床層不僅密度低，且有較為嚴重的大氣泡現(xiàn)象，使得床層密度波動幅度進一步加大。

圖4 不同布風室作用下床層徑向密度波動云圖Fig.4 Nephogram of the bed radial density fluctuation under different air chambers(a)Hs=600 mm, Traditional air chamber; (b) Hs=600 mm, New-style air chamber; (c) Hs=680 mm, Traditional air chamber; (d) Hs=680 mm, New-style air chamber；x-axis and y-axis are the reference axes of the tested points in the fluidized bed

圖5 不同流化數(shù)下床層密度徑向空間分布云圖Fig.5 Nephogram of bed density radial distribution with different fluidization numbersN: (a) 1.45; (b) 1.55; (c) 1.60; (d) 1.70; (e) 1.80；x-axis and y-axis are the reference axes of the tested points in the fluidized bed

當流化數(shù)為1.80時，因為氣速太高，床層已經(jīng)出現(xiàn)局部騰涌現(xiàn)象，盡管該床層整體密度偏低，且軸向平均密度在徑向上波動幅度不大，但該狀態(tài)下，因為床層波動劇烈、返混嚴重已經(jīng)無法滿足煤炭按密度分選的要求。當流化數(shù)為1.60時，床層四周的高密度區(qū)域特征最不明顯，且中部密度分布也比較平穩(wěn)，表明在該流化數(shù)下床層徑向密度分布較均勻，流化質(zhì)量較高。

2.3 初始床高對床層密度徑向分布特性的影響

圖6為不同初始床高條件下流化數(shù)N=1.60時床層密度徑向分布云圖。由圖6可知，隨著初始床高的增加，床層整體密度值越來越高，密度跨度越來越大。這是因為初始床高值越大，在相同氣速條件下，床層膨脹率越低，顆粒間緊密程度越大，導(dǎo)致床層密度越來越高，而且隨著床層高度的增加，氣泡直徑越來越大。密度波動越來越劇烈，從而導(dǎo)致密度跨度增加。

圖6 不同初始床高下床層密度徑向空間分布云圖Fig.6 Nephogram of bed density radial distribution with different initial bed heightsHs/mm: (a) 520; (b) 600; (c) 680; (d) 760；x-axis and y-axis are the reference axes of the tested points in the fluidized bed

由圖6還可見，隨著初始床高的增加，床層中高密度與低密度區(qū)域分布越來越紊亂，密度分布規(guī)律也越來越弱。這是因為對于整個床層而言，布風裝置所影響的區(qū)域是有一定的高度的，隨著初始床高的增加，壓力測試的點數(shù)增多，整個床層的中上部區(qū)域的密度分布所占比重增大，導(dǎo)致受布風裝置影響的區(qū)域所占比重減小，所以才會呈現(xiàn)出隨著床層初始高度的增加，布風裝置對床層密度的影響不再明顯。同時，也與床層穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致密度分布不再均勻有關(guān)。

2.4 分選效果評價

由上可知，當床層高度760 mm時，床層波動過于劇烈，床層密度均勻穩(wěn)定性較差。床層高度680 mm時的壓降分布標準差普遍大于600 mm的壓降分布標準差，選擇600 mm初始床高作為適宜的實驗條件。

而流化數(shù)的選擇不僅要考慮床層均勻性，還要考慮入料的分選密度，因為氣速不同，床層密度也會發(fā)生變化，影響煤炭的分選效果。圖7為床層密度、標準差關(guān)于流化數(shù)的變化曲線。由圖7可知，隨著流化數(shù)的改變，床層密度變化范圍為1.85～1.77 g/cm3。由原煤性質(zhì)可知，當分選密度接近1.80 g/cm3時，分選最容易進行，此時流化數(shù)為1.60，密度分布標準差也達到最低值0.1035 g/cm3，所以分選實驗條件選擇為初始床高600 mm，流化數(shù)1.60，煤粉質(zhì)量分數(shù)為10%，分選時間為30 s。

圖7 床層密度、標準差關(guān)于流化數(shù)的變化曲線Fig.7 Variation curves of bed density and standard deviation on fluidization numberHs=600 mm；New-style air chamber

經(jīng)過分選，對最佳實驗條件下分選得到的精煤、矸石進行不同密度級的分配率計算，得到了-150+50 mm粒級大塊煤的分選分配率曲線，如圖8所示。

圖8 重產(chǎn)物分配率曲線Fig.8 Heavy product distribution ratio curves δ50 represents the density of beneficiation with 50% heavy product distribution ratio；ε is the distribution ratio

由圖8可知，-150+50 mm塊煤在深床中不同布風室下分選的E值分別為0.042和0.048 g/cm3。可以看出塊煤在深床中分選時，在新型布風室下E值較小。且各方案下分選密度分別為1.798和1.809 g/cm3，實際分選密度都在1.80 g/cm3左右。通過對產(chǎn)品浮沉實驗分析，得到精煤產(chǎn)品灰分為16.91%(質(zhì)量分數(shù))，精煤產(chǎn)率為66.09%，矸石灰分為70.388%(質(zhì)量分數(shù))。

3 結(jié) 論

新型布風裝置的引入改善了加重質(zhì)流化質(zhì)量，尤其對于床層密度的徑向分布而言，同時改善了大塊煤的分選效果，主要結(jié)論如下：

(1) 新型布風裝置將床層中流化的高密度區(qū)域由傳統(tǒng)布風室下集中于中軸部區(qū)域的“凸”形分布變?yōu)榉稚⒌剿闹芸拷叡谔幍摹鞍肌毙畏植迹瑫r增加了中軸部區(qū)域的均勻范圍，使得床層流化后的密度均勻穩(wěn)定性得到了較大改善。

(2) 隨著流化氣速的變化，床層中高密度區(qū)域先減少后增加，在超過最穩(wěn)定流化數(shù)1.60時，密度徑向分布變得紊亂，床層穩(wěn)定性變差；隨著初始床高的增加，床層徑向分布高密度區(qū)域面積越來越大，分布規(guī)律也越來越紊亂。

(3) -150+50 mm塊煤分選時各因素最佳組合為：流化數(shù)N=1.60，初始床高Hs=600 mm。在新型布風室下分選效果最好，分選最優(yōu)指標為：精煤灰分16.91%(質(zhì)量分數(shù))，精煤產(chǎn)率66.09%，矸石灰分70.388%(質(zhì)量分數(shù))，可能性偏差為0.042 g/cm3，分選密度為1.80 g/cm3。