基于脈動(dòng)氣流的不同顆粒流化特性研究

(中國礦業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

煤炭是我國的主體能源，且這一格局在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。但我國煤炭資源稟賦差，開發(fā)利用過程中產(chǎn)生了較大的環(huán)境污染，燃煤造成的SO2、煙塵排放量分別占總排放量的85%和70%,這也是近年來我國出現(xiàn)大規(guī)模、大面積霧霾污染的原因之一。我國水資源雖在總量上位居世界第六，但由于人口基數(shù)大，人均年水資源擁有量僅為世界人均水資源量的1/4，且水資源地域分布極為不均。我國煤炭大多分布在水資源短缺地區(qū)，不宜采用濕法分選，尤其褐煤等遇水易泥化的低階煤更不宜采用濕法分選技術(shù)加工提質(zhì)[1]。水資源短缺也是全球性問題，發(fā)展符合全球利益的高效干法選煤技術(shù)迫在眉睫[2]。

近年來，我國干法選煤技術(shù)得到迅猛發(fā)展。復(fù)合式干法選煤技術(shù)采用氣流與振動(dòng)復(fù)合作用方式，用于煤炭的排矸。FGX系列復(fù)合干法分選機(jī)分選效率達(dá)90%以上，可能偏差為0.13～0.2[3-4]。射線分選技術(shù)利用了不同物理性質(zhì)的物料能夠不同程度的吸收射線的原理，由物料透射出的射線強(qiáng)度就能反映出物品物質(zhì)組成。煤和矸石物理性質(zhì)不同，通過射線的照射進(jìn)行數(shù)字化識(shí)別，最終排出矸石，可能偏差為0.05～0.15[5]。中國礦業(yè)大學(xué)對(duì)空氣重介流化床選煤展開了深入研究，采用Geldart B類磁鐵礦粉作為加重質(zhì)，形成密度均勻穩(wěn)定的氣固懸浮體，對(duì)入選煤炭按密度分選，可能偏差達(dá)到0.05～0.08[6]。隨著工業(yè)采煤設(shè)備機(jī)械化、大型化，導(dǎo)致原煤中的細(xì)粒煤含量逐漸增多。國際選煤科技工作者對(duì)細(xì)粒煤干法分選技術(shù)開展了大量的研究工作，開發(fā)出的氣固兩相流細(xì)粒煤分選技術(shù)主要包括空氣重介質(zhì)振動(dòng)流化床細(xì)粒煤分選技術(shù)、振動(dòng)流化床細(xì)粒煤分選技術(shù)、濃相脈動(dòng)流化床分選技術(shù)、振動(dòng)逆流干法分選機(jī)、磁穩(wěn)定重介質(zhì)流化床分選技術(shù)等[7]。加拿大學(xué)者Beeckmans[8]研制了鏈動(dòng)逆流流化床半工業(yè)性選煤裝置，可能偏差值達(dá)0.035 g/cm3，文獻(xiàn)[9]報(bào)道了一種交錯(cuò)進(jìn)氣式的脈動(dòng)流化床來實(shí)現(xiàn)顆粒層的脈動(dòng)流態(tài)化效果。其中脈動(dòng)流化床所用Geldert B類加重質(zhì)分選1～6 mm細(xì)粒煤可能偏差為0.09～0.16[10]，分選精度還有待提高。Geldert B類顆粒粒徑較大，床層膨脹率低，床層密度高，氣泡聚并嚴(yán)重，氣泡隨床高變大，到達(dá)床層表面破裂，顆粒混返，影響流化質(zhì)量[11]。因此迫切的需要一種適用細(xì)粒煤分選的加重質(zhì)，使細(xì)粒物料受到床層整體的浮力作用，降低空氣重介流化床的分選下限，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒煤的高效分選[12]。

本工作采用Geldert A、Geldert B磁鐵礦粉作為加重質(zhì)開展實(shí)驗(yàn)研究，繪制Geldert A與Geldert B顆粒基于脈動(dòng)流化床的最小流化速度與脈動(dòng)頻率關(guān)系圖;研究不同床層高度的壓力波動(dòng)特性；分析密度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差，表征床層顆粒系統(tǒng)的流化效果。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與材料

脈動(dòng)流化床干法分選試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)由鼓風(fēng)機(jī)、穩(wěn)壓罐、流量計(jì)、電動(dòng)蝶閥、變頻器、壓力采集系統(tǒng)，分選流化床等組成。分選流化床是由有機(jī)玻璃制成的直徑200 mm的圓柱體，靜床層高度為100 mm。壓縮空氣由鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)過穩(wěn)壓罐穩(wěn)定輸出氣流，轉(zhuǎn)子流量計(jì)來測量流量，電動(dòng)蝶閥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生流量周期性變化的脈動(dòng)氣流，脈動(dòng)氣流頻率由變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。試驗(yàn)設(shè)置了五個(gè)微壓差傳感器，距離布風(fēng)板距離為20、40、60、80和100 mm，編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#、5#，其量程為2 500 Pa，輸出信號(hào)為0～5 V，激勵(lì)電壓為24 V。數(shù)據(jù)采集器為NI usb-6361-BNC型。采用 Coinv DASP軟件進(jìn)行壓力信號(hào)的采集，并可對(duì)所采集的壓力信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本試驗(yàn)選擇Geldert A、Geldert B類磁鐵礦粉顆粒作為加重質(zhì)，其性質(zhì)列于表1。

1—鼓風(fēng)機(jī)；2—穩(wěn)壓罐；3—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4—手動(dòng)閥；5—變頻器；6—蝶閥；7—流化床；8—壓力傳感器；9—轉(zhuǎn)換器；10—電腦圖1 試驗(yàn)與測試裝置Fig. 1 Testing device

表1 試驗(yàn)用顆粒物理性質(zhì)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 最小流化速度

流化特性曲線中，氣速?zèng)Q定顆粒此時(shí)所處的的流化階段，顆粒所受力一般為重力、浮力、氣體曳力等力的綜合作用，低氣速下，氣體未能打破顆粒原有的受力平衡，氣流給予顆粒的向上的浮力及曳力不足以克服阻力，顆粒處于尚未流化狀態(tài)，此為第一階段。在較高的氣速下，浮力及曳力增大，大于顆粒自身重力便向上運(yùn)動(dòng)，顆粒由緊密壓實(shí)轉(zhuǎn)化為松散狀態(tài)，此為第二階段。如圖2～3所示，在顆粒A流化特性曲線中，第一階段向第二階段過渡過程中產(chǎn)生了突變，且隨著脈動(dòng)頻率增加，突變點(diǎn)逐漸消失。顆粒A在低頻低氣速情況下，床層為固定床，由于氣流穿過床層時(shí)產(chǎn)生能量耗散，下層顆粒有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，上層顆粒基本不動(dòng)，到達(dá)一定氣速后，由于細(xì)顆粒互相粘附，顆粒之間具有較強(qiáng)的作用力，顆粒形成活塞向上運(yùn)動(dòng)，氣體突破床層則床層壓降下降，因此有突變點(diǎn)出現(xiàn)。在脈動(dòng)頻率與氣流的協(xié)同作用下，床層進(jìn)入完全流化，此時(shí)的表觀氣速即為最小流化速度。脈動(dòng)頻率越大，在相同的浮力及曳力作用下，顆粒振蕩作用越強(qiáng)，床層越松散，顆粒之間的空隙越大，氣固接觸率越高，顆粒之間及顆粒與床層邊壁之間作用力越小，則最小流化速度越小[13]。而且流化床階段床層的壓降基本處于穩(wěn)定值，將此時(shí)的顆粒近似的看作處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，曳力與浮力的合力與重力相抵消，方程式表現(xiàn)為：

FD+Fb=FG。

(1)

其中：FD為顆粒所受流體曳力，F(xiàn)b為顆粒所受浮力，F(xiàn)G為重力。

顆粒所受曳力可表示為：

FD=ΔpfA。

(2)

其中:Δpf為床層壓降，A為流化床橫截面積。

浮力可表示為：

Fb=ρgVs=ALρg(1-ε)。

(3)

其中：ρ為空氣密度，Vs為流化床床層的體積，L為流化床床層高度，ε為床層空隙率。

重力為:

FG=mg=ALρsg(1-ε)。

(4)

其中：ρs為顆粒密度，m為顆粒總質(zhì)量。

因此合力方程可表現(xiàn)為：

Δpfg=mg-ρgVs=AL(1-ε)(ρs-ρ)g。

(5)

上述公式又可表示為：

(6)

即流化床床層阻力與單位面積中顆粒總重力相同，因此流化床階段床層壓降基本相同。

圖2 不同脈動(dòng)頻率下氣流速度對(duì)顆粒A床層壓降的影響Fig. 2 Effect of airflow velocity on bed pressure drop of Geldert A particles at different frequencies

隨著脈動(dòng)頻率升高，最小流化速度呈先減小后增大的趨勢，如圖4，顆粒A最小流態(tài)速度為5.68 cm/s，顆粒B為10.0 cm/s，顆粒A更易流化[14]。低頻情況下，氣流的開閉時(shí)間較長，氣流打開階段，床層流化，氣流關(guān)閉階段則床層塌落，且在時(shí)間充足的情況下塌落成為固定床，隨著脈動(dòng)頻率增加，最小流化速度變小，消除臨界流態(tài)點(diǎn)時(shí)顆粒間的“鎖鏈”效果變好[15-16]。當(dāng)脈動(dòng)頻率超過最佳頻率時(shí)，最小流化速度增大，是由于此時(shí)脈動(dòng)的周期性小，整個(gè)床層趨于連續(xù)流化，脈動(dòng)效果變差。

圖3 不同脈動(dòng)頻率下氣流速度對(duì)顆粒B床層壓降的影響Fig. 3 Effect of airflow velocity on bed pressure drop of Geldert B particles at different frequencies

2.2 床層壓力波動(dòng)

試驗(yàn)測量了床層中不同高度處的壓力波動(dòng)，流化床壓力波動(dòng)是氣泡運(yùn)動(dòng)造成的[17]，但流化床內(nèi)其他因素對(duì)其也有影響，壓力波動(dòng)信號(hào)受到這些綜合因素的協(xié)同作用。波動(dòng)形態(tài)和幅值是波動(dòng)現(xiàn)象的重要表征，波形表示壓力波動(dòng)的類型，幅值表征波動(dòng)的強(qiáng)度[18]。圖5是以采集的壓力信號(hào)為原始數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成壓力為0做基線的壓力信號(hào)波動(dòng)圖。從布風(fēng)板到床層表面，波動(dòng)幅值依次減小，周期性減弱。由于脈動(dòng)氣流的強(qiáng)制振動(dòng)能量在床層中衰減，到達(dá)床層表面過程中，能量被顆粒不斷吸收，造成信號(hào)的削弱，且氣體所產(chǎn)生的氣泡在床層表面破裂，引起顆粒動(dòng)蕩混返，產(chǎn)生了除脈動(dòng)頻率所引起的波動(dòng)之外的二次波動(dòng)。

此外，脈動(dòng)氣流開始和結(jié)束時(shí)亦存在二次波動(dòng)[19]，其過程如下：當(dāng)氣流速度大于最小流化速度時(shí)，顆粒受浮力及曳力作用，處于膨脹狀態(tài)；氣流速度衰減至最小流化速度以下時(shí)，升力不足以支撐顆粒運(yùn)動(dòng)，床層底部顆粒開始塌落，儲(chǔ)存在顆粒中的氣體由于慣性會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)上層顆粒仍處于流化狀態(tài)。脈動(dòng)氣流完全關(guān)閉時(shí)，中上層顆粒開始向下塌落，而表面顆粒會(huì)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，仍存在短暫的流化，因此產(chǎn)生了二次波動(dòng)。二次波動(dòng)劇烈，氣泡和附加運(yùn)動(dòng)干擾了此時(shí)的流化狀態(tài)，意味著分選物料在床層中不僅僅按密度沉降，二次波動(dòng)會(huì)加劇其混返程度。

圖4 最小流化速度隨氣流脈動(dòng)頻率的影響Fig. 4 Effect of minimum fluidization velocity on the frequency of air pulsation

(a)20 mm；(b)40 mm；(c)60 mm；(d)80 mm圖5 脈動(dòng)頻率為3.49 Hz時(shí)床層壓力波動(dòng)Fig. 5 Bed pressure fluctuation at 3.49 Hz frequency

2.3 床層密度特性

床層密度的均勻穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)物料有效分選的前提保證。在流化床中床層密度分布不均主要是因?yàn)闅馀莸漠a(chǎn)生造成了床層波動(dòng)。由于脈動(dòng)波在流化床中向加重質(zhì)顆粒傳遞能量及脈動(dòng)對(duì)氣泡產(chǎn)生破碎作用，抑制了氣泡的生成、長大，使床層中氣相流動(dòng)穩(wěn)定，床層密度波動(dòng)變小。為進(jìn)一步研究顆粒A和顆粒B的流化床層的密度是否具有一定均勻穩(wěn)定性及均勻性大小，對(duì)不同操作條件下采集的信號(hào)進(jìn)行密度標(biāo)準(zhǔn)差分析，得到如圖6、圖7所示的標(biāo)準(zhǔn)差與氣速和脈動(dòng)頻率的關(guān)系圖，隨著氣速和脈動(dòng)頻率的增大，標(biāo)準(zhǔn)差均出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在低頻及低氣速狀態(tài)下，床層中的氣泡在床層中產(chǎn)生、兼并、長大、破碎，嚴(yán)重影響了床層的密度穩(wěn)定性；脈動(dòng)頻率增大，氣流的強(qiáng)制振動(dòng)能量抑制了氣泡的產(chǎn)生，使床層平穩(wěn)流化；在高頻及高氣速區(qū)，床層中氣泡產(chǎn)生的頻率越來越快，小氣泡聚并成大氣泡，大氣泡破裂，造成床層擾動(dòng)增大，且湍流下的顆粒也破壞了床層穩(wěn)定性，使密度標(biāo)準(zhǔn)差增大。對(duì)于顆粒A，當(dāng)脈動(dòng)頻率為3.49 Hz，流化數(shù)為1.3時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差最小；顆粒B，脈動(dòng)頻率為5.24 Hz，流化數(shù)為1.3時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差最小。隨著顆粒粒度的增大，密度標(biāo)準(zhǔn)差增大，床層的均勻性變差。顆粒A床層中氣泡平穩(wěn)，波動(dòng)不劇烈，具有較好的流化質(zhì)量,適合流化床分選，物料在其中按密度進(jìn)行分層并為其選擇合適的分選氣速范圍提供依據(jù)。

3 結(jié)論

1) 顆粒受重力、浮力、曳力作用，隨著流速增大，打破受力平衡時(shí)顆粒開始流化，Geldert A類顆粒流化特性曲線在由固定床衍變到流化床狀態(tài)時(shí)有突變點(diǎn)并逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，脈動(dòng)頻率增大，顆粒間靜摩擦力減小而突變點(diǎn)逐漸消失，兩種顆粒最小流化速度均先減小后增大，脈動(dòng)氣流的強(qiáng)制能量有助于降低顆粒最小流化速度。Geldert A類顆粒在低頻狀態(tài)下就可達(dá)到最小流化速度，且最小流化速度的值較Geldert B類顆粒低，Geldert A類顆粒比Geldert B類顆粒更易流化。

圖6 顆粒A密度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差隨氣速與氣流脈動(dòng)頻率的變化Fig. 6 Variation of standard deviation of density fluctuation of Geldert A particles with gas velocity and airflow frequency

圖7 顆粒B密度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差隨氣速與氣流脈動(dòng)頻率的變化Fig. 7 Variation of standard deviation of density fluctuation of Geldert B particles with gas velocity and airflow frequency

2) Geldert A類顆粒流化床層中存在二次波動(dòng)，氣體在床層塌落時(shí)向上運(yùn)動(dòng)使床層表面顆粒有短暫的流化，干擾床層正常流化，加劇顆粒混返。

3) Geldert A類顆粒密度標(biāo)準(zhǔn)差隨脈動(dòng)頻率和氣速的增大呈先減后增的趨勢，最小密度標(biāo)準(zhǔn)差值也較低，因此顆粒A使所分選物料在床層中按密度分層的能力較強(qiáng)，適合細(xì)粒物料的分選。

4) 脈動(dòng)流化床流化特性的研究為深入探討其密度穩(wěn)定性、為干法選煤分選細(xì)粒煤提供了提論基礎(chǔ)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)基于本實(shí)驗(yàn)繼續(xù)研究氣固兩相流的分布，發(fā)展床層穩(wěn)定性理論。