稠密氣固分選流化床介質顆粒團聚特性研究

陽 磊,劉塵旻,呂冠男,董雅妮,席 童,董 良

(1.中國礦業大學 煤炭加工與高效利用教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業大學 化工學院,江蘇 徐州 221116)

氣固流態化技術具有氣固接觸好和質熱傳遞效率高等優點,廣泛應用于石油、化工、能源、冶金、環保、制藥等領域[1-2]。氣固分選流化床是氣固流態化技術在選煤領域的應用與拓展,通過上升氣流使加重質顆粒流化,形成具有似流體特性的床層流化環境,利用入選物料的密度差異,高密度顆粒下沉,低密度顆粒上浮,進而實現分選[3-5]。床層中加重質的流化特性是流化床分選效果的重要影響因素。當潮濕原煤攜帶水相進入分選流化床時,床層中復雜顆粒會相互粘附形成顆粒聚團,導致床層出現鼓泡、溝流等不均勻流化現象,影響床層密度的均勻穩定性,降低分選與干燥效果。

當前,國內外學者對氣固流化床中的顆粒聚團進行了較為全面的研究。從流化床角度,稀相床平均固含率低且具有較強的可視性,相關研究較多。Soong等[6]通過對電容探針測量得到的固含率時間序列進行統計分析,提出稀相床內定義顆粒團聚物的標準。Wu等[7]基于粒子圖像測速(particle image velocimetry,PIV)技術獲得了柔性絲狀顆粒聚團分布信息。Fan等[8]利用聚乙烯顆粒模擬了顆粒在二維內循環流化床中的團聚過程,發現合理的流化空氣分布有利于抑制顆粒團聚。江凱軍等[9]采用濃度光纖探針對氣固逆流式流化床內顆粒團聚特性展開研究,發現表觀氣速和顆粒質量流量的增大有利于大尺寸團聚物的形成。在稀相床中,顆粒多形成聚團,為分散相;氣相與少量顆粒形成稀相床層,為連續相。而在密相床中,氣相多形成氣泡,為分散相;顆粒形成密相床層,為連續相,床層平均固含率高,流體力學行為更加復雜。Mcmillan等[10]對顆粒聚團的組成進行了深入分析,發現顆粒聚團主要由粒徑分布中較細的顆粒組成,極少有粗顆粒單獨組成顆粒聚團的現象。牛犁等[11]使用光纖探針對密相流化床中顆粒聚團的流體力學特性進行了研究,建立了基于弦長計算聚團直徑的數學模型。朱巍[12]對變氣速密相流化床內顆粒聚團特性進行研究,發現隨著表觀氣速的增加,顆粒聚團平均尺寸不變;隨著靜床高度增加,顆粒聚團尺寸整體增大。在煤炭分選領域,介質顆粒聚團的存在加劇了顆粒濃度的不均勻分布,影響床層密度的均勻穩定性,惡化分選過程。因此,有必要針對稠密氣固分選流化床中介質顆粒的團聚特性開展研究。

本研究以分選流化床中磁鐵礦粉與煤粉組成的二元介質顆粒為研究對象,探究水分對0～300 μm介質顆粒流化后表觀黏度的影響,研究煤炭外水含量、介質粒度對顆粒團聚特性的影響,為形成均勻穩定的流化床層提供指導。

1 試驗裝置與材料

1.1 試驗裝置

顆粒粘附形成聚團試驗裝置如圖1所示,燒杯容器置于攪拌器上,與移液槍構成聚團生成裝置,變焦體視顯微鏡、數字相機以及計算機作為圖像采集裝置。試驗時,將試驗顆粒置于燒杯容器中,移液槍加入水分,利用攪拌器使水分分布均勻,從而模擬創造不同水分含量的床層介質;取樣勺移取顆粒團聚物至顯微鏡下進行圖像采集。此外,使用動態圖像顆粒分析系統測量顆粒聚團尺寸,每組聚團尺寸測量3次。為減小水分的蒸發對試驗結果的影響,所有圖像采集均在2 min內完成。

1—移液槍;2—燒杯容器;3—攪拌器;4—試驗顆粒;5—取樣勺;6—顯微鏡;7—數字相機;8—計算機

旋轉流變儀用于測量寬粒級磁鐵礦粉顆粒的表觀黏度。首先分別取粒級為150～300 μm、74～150 μm、0～74 μm的磁鐵礦粉顆粒各100 g置于不同燒杯中,然后移液槍吸取去離子水制成水分含量分別為0.75%、1.0%、1.25%、1.5%、1.75%的樣品顆粒,最后打開旋轉流變儀對樣品進行測試。流變儀平板直徑50 mm,間距2 mm左右;測試溫度為25 ℃,剪切速率0.01～10 s-1。為確保試驗的準確性,進行3組平行試驗,每次試驗在2 min內完成。

1.2 試驗材料

選取粒級為500～1 000 μm煤粉顆粒與粒級為0～300 μm磁鐵礦粉顆粒作為試驗顆粒,其物理性質如表1所示。磁鐵礦粉顆粒主導粒級為150～300 μm,屬于Geldart B類顆粒的范疇,目前該類加重質顆粒應用較為廣泛,采用此類顆粒研究顆粒團聚特性具有代表性。試驗所用煤炭來自新疆能源公司黑山露天礦,該煤炭的煤種為長焰煤,屬于低階煤,其工業分析和元素分析如表2所示。

表2 煤炭的工業分析和元素分析

1.3 評價指標

為準確表征聚團的尺寸特征,采用D10～D90表示聚團尺寸分布的主要范圍,采用D50表示聚團粒度的中值粒徑。此外,引入跨度S衡量聚團尺寸分布的寬窄,S值越大,尺寸分布越寬。S值的計算式[18]:

(1)

式中,D90、D10、D50分別表示分布曲線中累積分布為90%、10%、50%時的聚團等效直徑。

2 結果與分析

2.1 顆粒團聚機理分析

在稠密氣固分選流化床中,顆粒間粘附力的作用是顆粒發生團聚的起因。對于潮濕氣固分選流化床,顆粒間的主要作用力包括范德華力、靜電力以及液橋力。

1) 范德華力。顆粒間距為D,半徑為R的顆粒間范德華力[19]為:

(2)

式中:A為顆粒的Hamaker常數,磁鐵礦粉的Hamaker常數為10×10-20J,煤粉的Hamaker常數為6.1×10-20J。當D取原子間距的數量級10-9m時,則范德華力有最大值為:

FWmax=0.083AR×1018。

(3)

2) 靜電力。顆粒帶電是氣固流化床中的一個重要現象,兩個直徑為d,荷電量分別為Q1、Q2,中心距離為L的顆粒間庫侖靜電力[20]為:

(4)

式中:εr、ε0分別是相對介電常數和真空介電常數,磁鐵礦粉εr=33.7、ε0=8.9×10-12C2/(J·m)。據研究[13],微米級玻璃微珠流化后顆粒表面的電荷密度約為10 μC/m2。當兩顆粒接觸時靜電力最大值:

FEmax=0.26d2。

(5)

該式只用來與其他粒子間力做比較,不用來計算真實工況下的顆粒間靜電力。

3) 液橋力。包括動態液橋力和靜態液橋力,由無量綱毛細管數Ca[21]可判斷兩者的主導地位。若Ca>1,則動態液橋力占主導地位;若Ca≤0.001,則靜態液橋力占主導地位。

(6)

式中:μ是液體黏度,σ是液體表面張力,去離子水μ=9.9×10-4Pa·s,σ=0.073 N/m;v是顆粒速度,取v≤0.6 m/s[14]。計算可得Ca≤0.008,因此靜態液橋力為主導作用力。

靜水壓差ΔP與表面張力σ共同組成靜態液橋力FC[22],表示為:

(7)

(8)

r2=Rsinβ-r1(1-sin(θ+β))。

(9)

式中:r1、r2分別為液橋外輪廓曲率半徑和頸部曲率半徑,β為半填充角,θ為液-固接觸角。

當液體體積較小時,β同樣較小,假設R?r2?r1,則式(7)簡化為:

(10)

假設液橋近似圓柱形,則與液體體積V相關的靜態液橋力FC表示為:

(11)

再假設2r1cosθ?D,則由式(10)可得靜態液橋力FC有最大值為:

FCmax=2πRσ。

(12)

假設加重質顆粒為光滑的球形磁鐵礦粉,密度ρ=4.6×103kg/m3,重力加速度g=9.8 m/s2,液體取去離子水。顆粒間范德華力、靜電力、靜態液橋力和重力的比較如圖2所示。由圖可知,在同一粒徑下,粒子間力大小的排序為:FCmax>FWmax>G>FEmax,FCmax比FWmax大2個數量級以上,因此在濕顆粒的粘附中,液橋力占主導地位,本研究主要從液橋力的角度進行分析。

圖2 顆粒間力比較

由式(11)可得不同粒度下液橋力隨著液體體積的變化規律,如圖3所示。由圖可知,隨著液體體積增大,液橋力呈現先快速增大再緩慢增大,最后趨于恒定的趨勢。此外,隨著顆粒粒徑的增大,液橋力也逐漸增大。

圖3 不同粒度下液橋力隨著液體體積的變化規律

2.2 磁鐵礦粉顆粒的表觀黏度分析

流化床床層表觀黏度反映了氣固兩相系統內摩擦力的大小,是流化床流化性能重要影響因素[15]。不同水分含量(ω)下150～300 μm、74～150 μm及0～74 μm粒度級磁鐵礦粉表觀黏度與剪切速率的關系見圖4。

圖4 不同水分含量下寬粒級磁鐵礦粉顆粒的表觀黏度

如圖4所示。隨著水分含量增加,各粒度級磁鐵礦粉顆粒在相同剪切速率下的表觀黏度均呈現增大的趨勢,這是因為水分的介入改變了磁鐵礦粉顆粒間的粘附力,水分含量越高,顆粒間粘附力就越強,表觀黏度也就越大。此外,相同水分含量下,各粒度級顆粒表觀黏度隨剪切速率的增加呈現逐漸下降趨勢。

不同剪切速率下各粒級磁鐵礦粉顆粒的表觀黏度與水分含量的關系如圖5所示。在各剪切速率下,顆粒表觀黏度均隨著粒度的減小呈現增大的趨勢。當水分含量在0.75%～1.25%時,各粒度級顆粒的表觀黏度隨水分含量的增加變化相對較為平緩;而當水分含量大于1.25%時,表觀黏度增加較明顯,且粒度級小的顆粒該現象更為明顯,這是由于粒度越小,顆粒間內聚力越大,對水分的持有能力越強,導致液橋體積越大,進而液橋產生的粘附力就越強,表觀黏度也就越大。

圖5 寬粒級磁鐵礦粉的表觀黏度

2.3 水分含量、粒度對磁鐵礦粉顆粒間團聚的影響

取150～300 μm、74～150 μm及0～74 μm粒度級、不同水分含量的磁鐵礦粉各10 g進行試驗,得到不同水分含量下磁鐵礦粉顆粒團聚過程圖像如圖6所示[18]。隨著水分含量升高,各粒度級顆粒狀態均從明顯的松散狀態轉變為具有一定形態的顆粒聚集體,再到較大尺寸和結構穩定的顆粒聚團,最后到整個顆粒群的聚團體結構。這是由于顆粒間的液體體積增大,液橋力隨之增大,顆粒間相互粘附的能力增強,粘附量增多,從而逐漸形成穩定結構的顆粒聚團。區別在于,粒級0～74 μm、74～150 μm、150～300 μm顆粒形成穩定聚團所需水分含量分別為0.75%、1.0%、1.25%,即粒度越細的顆粒形成結構穩定的聚團所需的水分含量越少,這是因為粗顆粒內聚力較弱,且形成的聚團尺寸更大,聚團碰撞概率較高,造成聚團外層粘附的顆粒更易脫落;而細顆粒本身具有較強的內聚力,在液橋力的作用下與周圍自由顆粒粘附,粘附后的顆粒不易脫落,且形成的聚團尺寸較小,聚團碰撞概率較低,更易形成穩定結構的顆粒聚團。

1—ω=0%;2—ω=0.75%;3—ω =1.0%;4—ω=1.25%;5—ω=1.5%;6—ω=1.75%

不同水分含量下各粒度級磁鐵礦粉顆粒聚團的尺寸分布情況如圖7所示。各粒度級尺寸分布D10～D90與中值粒徑D50的變化趨勢一致,均隨著水分含量的升高而增加,且聚團尺寸隨粒度的增大而增大,這是由于隨著水分含量增加,顆粒間的液橋力隨之增大,顆粒間相互粘附并形成聚團,聚團的尺寸隨之增大。區別在于,150～300 μm顆粒形成聚團的尺寸在水分含量0.75%～1.75%時略微增大;74～150 μm顆粒形成聚團的尺寸在水分含量0～1.5%時增幅較為均勻,而后尺寸穩定,說明處于動態平衡狀態;0～74 μm顆粒聚團尺寸在水分含量1.5%以上仍明顯增大,這是因為聚團尺寸增大的過程中,粗顆粒的內聚力以及對水分持有能力較弱,加上大尺寸聚團碰撞頻率更高,顆粒更易脫落,聚團的成長性較差,尺寸較早達到動態平衡。相反,細顆粒本身具有較強的內聚力以及水分持有能力,形成的聚團尺寸較小,聚團碰撞概率較低,粘附后的顆粒不易脫落,聚團成長期更長,達到動態平衡的時間較晚。

圖7 不同水分含量下各粒度級磁鐵礦粉顆粒形成聚團的尺寸分布

不同水分含量下磁鐵礦粉顆粒形成聚團尺寸的跨度變化如圖8所示。顆粒粒徑越小,形成的聚團S值越大。這是因為隨著水分含量的增加,粗顆粒聚團尺寸分布逐漸趨于穩定,聚團尺寸分布跨度較小,較快達到動態平衡,故聚團的S值較小;而細顆粒聚團的尺寸分布仍處于波動狀態,聚團尺寸分布跨度較大,細顆粒聚團的成長性更好,達到動態平衡所需時間更久。0～74 μm磁鐵礦粉顆粒的S值隨著水分含量的升高先下降后升高,這是由于在低水分含量時,聚團尺寸較小且粘附牢固,聚團碰撞后不易破碎,聚團尺寸波動大,S值較大;隨著水分含量的升高,聚團尺寸增大,小尺寸聚團的增長速率高于大尺寸聚團,聚團尺寸分布跨度變低,S值減小;隨著水分含量的進一步升高,顆粒間的液橋力進一步增大,較大尺寸聚團粘附周圍自由顆粒及小尺寸聚團的能力進一步提高,聚團尺寸波動變大,聚團尺寸分布跨度變大,S值增大。

圖8 不同水分含量下磁鐵礦粉顆粒形成聚團尺寸分布的跨度變化

2.4 二元加重質顆粒團聚特性

在實際生產中,煤粉具有調節床層密度以及改善流化效果的作用。500～1 000 μm粒級煤粉添加到床層后對床層壓降的影響較小,當添加量為8%～11%時床層流化效果最佳[16]。結合上文分析可知:粒度越小的磁鐵礦粉顆粒形成的聚團成長性更好,這類加重質顆粒在床層中易出現溝流現象,但相比于粒度大的磁鐵礦粉,其床層流化質量好,有利于分選[17]。因此,選取500～1 000 μm煤粉和中間粒級74～150 μm磁鐵礦粉作為試驗材料,煤粉與磁鐵礦粉的總質量為10 g,煤粉與磁鐵礦粉的質量比為1∶9。

不同水分含量下二元加重質顆粒團聚過程圖像如圖9所示[18]。隨著水分含量增加,二元加重質顆粒團聚過程跟磁鐵礦粉顆粒團聚過程一致,且形成較大尺寸和結構穩定的聚團需要的水分含量仍為1.0%,這是由于煤粉的潤濕性較差,在低水分含量下顆粒間液體體積較小,加上煤粉粘附顆粒后的尺寸更大,碰撞頻率更高,聚團外層顆粒易脫落,導致二元加重質顆粒形成穩定結構聚團所需水分與純磁鐵礦粉相同。

(a)ω=0%;(b)ω=0.75%;(c)ω =1.0%;(d)ω=1.25%;(e)ω=1.5%;(f)ω=1.75%

不同水分含量下磁鐵礦粉與二元加重質顆粒聚團的尺寸分布比較如圖10所示。隨著水分含量的增加,D10～D90尺寸分布與中值粒徑D50均呈現增大的趨勢。通過對比圖10(a)、圖10(b)發現,煤粉的添加增大了聚團的尺寸,這是由于煤粉顆粒本身的尺寸大。此外,二元加重質顆粒聚團尺寸在水分含量0～1.5%時略有增加,一方面由于煤粉的潤濕性較差,表面水分吸附難度大,較難形成液橋,不易與磁鐵礦粉顆粒作用形成聚團且聚團結構穩定性差;另一方面,形成的大顆粒聚團在運動過程中碰撞概率較大,導致本身結構就不穩定的聚團很難粘附其他顆粒而生長,故聚團尺寸增大不明顯。而水分含量1.75%時聚團尺寸明顯增大,這是因為隨著水分含量的進一步升高,煤粉表面覆蓋液膜,顆粒間液體體積明顯增大,液橋力增大,煤粉粘附自由顆粒不易脫附,則聚團尺寸明顯增大。

圖10 不同水分含量下顆粒聚團的尺寸分布比較

不同水分含量下顆粒聚團尺寸分布跨度比較如圖11所示。純磁鐵礦粉顆粒聚團S值更大,即尺寸分布更寬,表明聚團的成長性更好。而二元加重質顆粒聚團S值較小,且隨著水分含量的增加,S值波動小,即尺寸分布窄,聚團的成長性較差,這是由于煤粉的疏水特性以及其形成聚團尺寸大、碰撞效率高導致的,表明煤粉參與后的二元加重質顆粒聚團的尺寸波動較小,聚團對水分變化敏感度較低。

圖11 不同水分含量下顆粒聚團尺寸分布的跨度變化比較

3 結論

1) 液橋力是濕顆粒的主導粘附力。隨著液體體積的增大,顆粒間液橋力呈現先快速增大再緩慢增大,最后趨于恒定的趨勢;隨著顆粒粒徑的增大,顆粒間的液橋力也逐漸增大。

2) 水分含量和顆粒粒度是寬粒級磁鐵礦粉表觀黏度的重要影響因素。水分含量越高、顆粒粒度越細,顆粒表觀黏度越大;隨剪切速率的增加,顆粒表觀黏度逐漸下降。

3) 寬粒級磁鐵礦粉顆粒粘附形成聚團均需經歷一個相似的過程,粒度級越大的顆粒形成穩定顆粒聚團需要的水分含量越高。隨著水分含量升高、顆粒粒度增大,各粒度級形成聚團的尺寸分布D10～D90與中值粒徑D50呈現增大趨勢;顆粒粒度越小,形成聚團尺寸分布跨度越寬,聚團成長性更好。

4) 煤粉參與后的二元加重質顆粒形成穩定結構聚團所需水分含量為1.0%,但形成聚團尺寸更大。此外,二元加重質顆粒聚團尺寸隨著水分含量的增加先略有增大,在水分含量1.75%時明顯增大,且尺寸分布窄,表明煤粉參與后的二元加重質顆粒聚團的尺寸波動較小,聚團對水分變化敏感度較低。