非線性電場中電選粉煤灰顆粒分離過程研究

溫曉龍，李海生，2，陳英華，2，王文平，陳 明

(1.中國礦業大學 化工學院；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國平煤神馬集團 一礦土建科，河南 平頂山 467000)

我國的能源結構一直以來都是以煤炭為主，電廠燃煤發電是我國煤炭利用的主要途徑。根據相關的數據統計，2010年我國消耗的煤炭總量己經超過40億t，其中約50%的產量用于火力發電。粉煤灰是煤炭燃燒后的副產物，燃煤的1/3～1/4以粉煤灰形式排放。在我國，2015年粉煤灰的總量就己經達到了6.2億t，此后每年以4%左右的速率增長[1-3]。大量的粉煤灰若不加以處理，不僅會占用大量土地資源，還因為其含有的氧化物以及硅酸鹽類礦物，會對土壤的結構、組成和功能產生影響，造成土地的鹽堿化。而且粉煤灰的粒度和密度較小，若是露天存放，不加管理，極易形成揚塵，造成空氣污染。若排入水系會造成河流淤塞以及水體污染，其中的有毒化學物質也會對人體和生物造成危害[4-5]。

粉煤灰雖然造成諸多環境問題，但它也是一種潛在的資源，其資源化利用意義重大。目前，我國積極開展粉煤灰資源化利用。粉煤灰利用主要是在建材、建工、道路、填筑、農牧林業以及化工、環保等方面。如用于生產水泥，空心砌磚，混凝土等建筑材料；用于建筑回填、充填煤礦塌陷區；在農業領域還用于改良土壤、生產復合肥料；在化工方面用作廢水、廢氣的絮凝劑；粉煤灰成分中的炭粒及一些氧化物還可以回收利用。

粉煤灰資源化利用的最大障礙是其炭含量高。目前濕法分選、干法分選是粉煤灰脫炭的主要方法。濕法分選主要是浮選法[6]，利用此方法進行脫炭，能源消耗大，需要大量水資源，藥劑排放會造成二次污染。在粉煤灰干法脫炭技術領域，摩擦電選具有明顯的技術優勢，它利用粉煤灰中顆粒間的電性質差異進行分選。電選粉煤灰脫炭[7-9]的加工成本低，得到的灰粉產品能夠直接使用，不會造成二次環境污染，而且分選效率高，能夠獲得高純度的炭顆粒。

粉煤灰的運動特性對其電選脫炭效果起決定性作用[10-11]，現有電選機的電極板結構有滾筒式、平行極板式，滾動式電極板可以利用向心力分離非導體礦粒，適用于非導體成分多的粉體；平行電極板的結構簡單，安裝方便，適用范圍廣。由于電廠所用煤種或施加脫硫劑的變化，粉煤灰顆粒的組分、粒度、密度等存在差異[12]，造成顆粒摩擦帶電不均勻，荷質比差異影響了分選效率。對于傳統的平行電極板，其電場內部場強不變，顆粒所受電場力始終恒定。對于荷質比較小的粉煤灰顆粒，在進入高壓靜電場后，運動過程中由于輸送媒介的氣體作用力強于高壓電場力，顆粒跟隨氣流能力強，顆粒在電場力作用下不易發生偏轉，或者雖然發生了偏轉，但來不及被電極板吸附而分離。這部分顆粒只能被氣體輸送帶離電場區域，降低了顆粒分離效率。

因此，可以提出一種非線性電場[13-14]結構，能夠調節極板間距，不但可以改變顆粒所受電場力大小，還可以通過改變氣流通道截面而改變氣固兩相流流速，從而降低帶電顆粒所受氣體力，為荷質比存在差異的粉煤灰顆粒電場分離創造良好條件，實現炭灰顆粒的高效分離[15]。本文即對非線性電場中帶電顆粒運動的數值進行模擬研究，在不同操作條件下探索帶電炭、灰顆粒的運動特征和分選可行性。

1 數學模型

1.1 幾何建模

建立非線性電場的二維模型，其結構尺寸如圖1所示。圖中d1為極板間上端距離，d2為極板間下端距離，L為極板的垂直距離。極板輪廓采用曲線方程來描述，圖中極板對應曲線方程為：

x∈[-0.4，-0.15]∪[0.15，0.4]，y≤0

圖1 非線性電場曲線

1.2 數學模型

1.2.1 顆粒受力

顆粒所受重力FG可表示為：

式中：dp為顆粒直徑，m；ρp為顆粒密度，kg/m3；g為重力加速度，取值9.80 m/s2。

慣性力FI可表示為：

式中：Vp為顆粒運動速度，m/s；t為時間，s。

帶電顆粒所受電場力Fq可表示為：

式中：q是顆粒所帶電荷，C；U為電極板間電壓，V；d為電極板間距，m。

顆粒受到氣體的曳力作用表示如下：

式中：μ為空氣動力粘度，Pa·s；Rep為顆粒雷諾數；CD為球形顆粒的阻力系數，是顆粒雷諾數的單值函數，流體在不同狀態下的阻力系數分別定義為：

結合顆粒的受力情況，由式(1)、(2)、(3)、(4)，根據牛頓運動第二定律可知：

式中：mp為顆粒質量，kg；ap為顆粒加速度，m/s2。

1.2.2 非線性電場

兩極板間的電介質為空氣，左側極板接正電壓，右極板接地，兩極板間在高電壓下形成高壓靜電場。當外加電壓為20 kV時，非線性電場的電場強度分布如圖2所示。

圖2 電場強度分布

由圖2可以看出，非線性電場中上端場強大，隨著極板橫截面積的增大，場強成梯度增加。在非線性電極板的下端電場有明顯的降低。當顆粒進入非線性電場中，帶電荷質比大的顆粒會快速分離，而帶電荷質比小的顆粒在橫截面逐漸增大的非線性電場中，受到水平方向和豎直方向兩個方向的電場分力，水平方向的電場力可以使帶電顆?？焖傧驑O板運動；豎直方向的電場力加速顆粒運動，被電極板吸附或者離開電場進入收集裝置。

2 顆粒運動的影響因素

2.1 荷質比

在相同粒度和速度條件下，探索不同荷質比粉煤灰顆粒的運動行為。粉煤灰密度一般在1.07～2.4 g/cm3，炭顆粒的密度一般為1.6～1.7 g/cm3。選用直徑為74 μm顆粒，粉煤灰中灰顆粒密度為2.2 g/cm3，炭顆粒密度為1.7 g/cm3，選擇荷質比分別為0.01 ，0.05，0.09。以初速度為30 m/s垂直進入非線性電場，兩極板間的電壓為20 kV，右極板接地。

單個顆粒質量為：

根據上式，計算得炭灰顆粒質量和電荷量如表1所示。

表1 不同荷質比的顆粒參數

通過計算，在相同粒度和速度情況下，不同荷質比的帶電顆粒在非線性電場下的運動軌跡如圖3所示。由圖3可知，在極板電壓20 kV時，帶電炭灰顆粒在非線性電場的上端快速分離，其中荷質比為0.05和0.09的顆粒，由于荷質比高而受到電場力作用強，在上端電場顆粒未離開電場區域而被電極板吸附；荷質比為0.01的顆粒，因其荷質比小，受到的電場力弱，顆粒偏轉不明顯，隨著非線性電場橫截面積的增大，顆粒在電場下端受到電極板的吸引作用進入收集裝置。

2.2 速度

在相同粒度和荷質比下，研究不同速度顆粒的運動行為。對于不同入射速度的顆粒，分別選定20 m/s，30 m/s，50 m/s的垂直入射速度，選用直徑為74 μm，荷質比為0.01，進入非線性電場，兩極板間的電壓為20 kV，右極板接地。顆粒的物性參數如表2所示。

表2 不同入射速度的顆粒參數

顆粒隨氣流的作用進入高壓靜電場，現調整不同的入射速度觀察顆粒的運動情況，模擬結果見圖4。隨著入射速度的增大，顆粒的運動軌跡向極板中間偏轉。顆粒速度為20 m/s時，在運動到極板下端時被吸附；顆粒速度為30 m/s時，在極板下端受到吸附，快速離開電場進入收集裝置；當顆粒速度為50 m/s時，顆粒速度過快，受到電場力作用卻來不及偏轉，未能被電極板吸附而進入中礦，造成分選效果不佳。

圖4 不同入射速度的顆粒運動軌跡

2.3 電場強度

為研究不同電場強度對顆粒運動行為的影響，設定非線性電場兩極板間的電壓分別為10 kV，20 kV，30 kV，40 kV，右極板接地。以炭顆粒為例，選擇直徑為74 μm，荷質比為0.01的顆粒，其密度為1.7 g/cm3，以初速度為30 m/s垂直進入非線性電場。通過設定不同的極板電壓來改變非線性電場的電場強度，在帶電炭顆粒相同參數的情況下，得到模擬結果如圖5所示。

圖5 不同極板電壓的顆粒運動軌跡

從圖5可以看出，對于炭顆粒來說，在相同條件下進入不同的電場，隨著極板電壓的增加，在靜電場中顆粒向極板偏轉越快，被電極板吸附。極板電壓為10 kV、20 kV時，炭顆粒受到的電場力作用小，偏轉不明顯，被收集到中礦，使得分選效果降低。

2.4 極板最小間距

選用直徑為74 μm，荷質比是0.01的炭顆粒，以初速度為30 m/s垂直進入非線性電場，極板間電壓為30 kV，右極板接地。調整兩極板的最小間距(即兩極板上端距離)，分別設定為0.2 m，0.3 m，0.4 m，0.5 m，研究其對顆粒的運動行為影響。模擬結果見圖6。

從圖6可以看出，隨著極板間最小距離的增大，顆粒的運動軌跡向極板中間偏轉。其中，對比極板最小間距為0.2 m的顆粒運動軌跡，最小極板間距為0.3 m時，顆粒的分選效果比較好；極板最小間距為0.4 m和0.5 m時，對于74 μm的炭顆粒，分選效果一致，都是在電場力的作用下進入顆粒的收集裝置。

圖6 不同極板最小間距時顆粒運動軌跡

3 結 論

對非線性電場中帶電顆粒運動的研究，探索了灰顆粒和炭顆粒在非線性電場中的分離過程，分析了非線性電場結構的場強分布情況。通過研究顆粒荷質比、顆粒入射速度、電場強度和極板最小間距等因素對顆粒運動軌跡的影響，得出如下結論：

(1)帶電顆粒在非線性電場運動過程中，非線性極板結構不但可以使電場力載荷動態發生變化，還可以調控氣體力載荷作用，為帶電荷質比較小的粉煤灰顆粒分離創造條件，從而提高分選效果。

(2)帶電顆粒分選過程的運動行為主要由其帶電特征、運動狀態和電場參數共同決定。提高顆粒帶電荷質比，降低顆粒入射速度，升高極板電壓，減小極板最小間距，均可為粉煤灰顆粒高效分選創造條件。

(3)帶電荷質比是實現分選的關鍵因素。對于荷質比僅為0.01的帶電顆粒，當入射速度小于20 m/s，極板電壓高于20 kV，極板間最小間距小于0.4 m時，具有較好的分選效果。