內置傾斜板變徑流化床粗煤泥連續分選試驗研究

韓春陽，朱學帥

(1.國家能源集團烏海能源有限責任公司，內蒙古 烏海 016000；2.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083)

隨著采煤機械化程度的提高和煤質的不斷惡化，原煤中小于3 mm細粒煤含量逐漸增加。其中，小于0.25 mm粒級可采用浮選機、浮選柱等設備進行有效分選，而介于重介分選下限和浮選上限之間的粗煤泥在重介和浮選環節均未得到有效分選，若混入重介溢流導致總精煤灰分升高，若進入浮選尾煤則造成資源浪費[1-3]。粗煤泥分選設立獨立的分選環節，配備有效的分選設備，實現精煤產品回收最大化，同時對于提高選煤廠經濟效益、環境保護均具有著重要意義[4-6]。

目前，常用的粗煤泥分選設備主要有液固流化床(TBS)、煤泥重介旋流器、螺旋分選機等，液固流化床具有分選密度低、結構簡單和運行成本低等優點，廣泛應用于煉焦煤選煤廠粗煤泥分選工藝環節[7]。但液固流化床生產過程中易出現高密度細顆粒錯配到溢流，低密度粗顆粒損失到底流的現象，分選精度受限。國內外學者針對液固流化床設備結構優化展開了一系列研究，包括改進排料方式、引入脈動水流和加入傾斜板等。研究表明，采用鐘形排料閥的粗煤泥分選機排料過程連續、穩定，對床層破壞程度小，可改善粗煤泥分選效果[2，8]；采用變頻排料泵、穩壓補水箱、排料分配機構和電動調節閥控制排料，可實現排料過程穩定，并解決了間歇排料易堵塞的問題[9，10]。在傳統分選機內添加阻尼塊，并引入脈動水流，能夠使顆粒充分分散，減少夾帶，強化粗煤泥分選效果[11]。采用變徑柱結合斜面流在分選機內產生變速流場，變速流場可使顆粒按密度分離[12]。Galvin K P[13，14]在分選機內部加入傾斜版，開發了逆流式分選機，增大顆粒沉降面積，縮短沉降時間，促進了顆粒分離。三產品分選機設計內外2個分選室，形成兩段分選，改善了難選煤分選效果，有利于拓寬入料粒度范圍[15，16]。

本文研究了一種內置傾斜板變徑液固流化床，主要分選區結構由直筒結構、變徑結構和傾斜板結構3部分構成，如圖1所示。前期對其分選機理和間斷條件下的粗煤泥分選特性進行研究，表明內置傾斜板變徑液固流化床粗煤泥分選效果顯著提高[17-19]。本文旨在構建內置傾斜板變徑流化床實驗室連續分選系統，探索其在連續條件下的分選特性，為設備的結構及操作參數確定和工業化應用奠定基礎。

圖1 內置傾斜板變徑液固流化床示意

1 試驗物料與系統

1.1 試驗物料

粗煤泥入料來自山西潞安集團李村煤礦選煤廠分級旋流器底流，其主導粒級為1～0.25 mm，大于1 mm和小于0.25 mm含量占比較少，合計產率為3.77%。入料篩分結果如表1所示，浮沉結果見表2，根據表2得到可選性曲線，見圖2。

表1 入料篩分試驗結果

表2 入料原煤浮沉試驗結果

圖2 入料可選性曲線

由表1可知，各粒級灰分隨著粒度減小而增大，此粒度分布特性容易使顆粒在分選過程中發生錯配。由圖2可知，入料中小于1.5 g/cm3密度級為主導密度級，產率為66.98%，不同精煤灰分要求條件下對應的入料可選性等級如表3所示，當精煤灰分要求在8%以下時，可選性等級為中等可選。

表3 入料原煤可選性

1.2 試驗系統

內置傾斜板變徑液固流化床分選試驗系統由給料裝置、循環水裝置和控制裝置構成，如圖3所示。其中，給料裝置由給料斗和入料管組成，調節給料斗閥門開度可控制入料速率；循環水系統由緩沖水箱、循環水桶、流量計、循環管路與循環水泵構成，轉子流量計匹配渦輪流量計可實現上升水速精確控制；控制裝置由PID控制器和壓力傳感器構成，通過壓力示數實時檢測床層密度變化。試驗中入料速率固定為90 kg/h，入料濃度為50%，上升水速為6 mm/s和8 mm/s。6 mm/s水速條件下床層密度為1.15 g/cm3、1.18 g/cm3、1.21 g/cm3和1.24 g/cm3；8 mm/s水速條件下床層密度為1.12 g/cm3、1.15 g/cm3、1.18 g/cm3和1.21 g/cm3。具體操作過程為：上升水流經離心水泵引入到分選機內，入料懸浮液由自重入料倉給入分選機，在上升水流作用下顆粒進行分選，在相應的操作條件下完成分選，收集的溢流和底流進行烘干和化驗，分析分選效果，并進行1～0.25 mm粒級粗煤泥在傳統與內置傾斜板變徑流化床中的對比分選研究。

圖3 粗煤泥連續分選試驗系統

1.3 分選效果評價指標

粗煤泥試驗的分選效果分別用可燃體回收率、脫灰效率、可能偏差Ep來評價。其中可燃體回收率和脫灰效率分別按式(1)和式(2)計算：

式中：ηε——可燃體回收率，%；ηwf——脫灰效率，%；γj——溢流產率，%；Ad，j——溢流灰分，%；Ad，r——入料灰分，%。

可能偏差Ep為設備分選性能評價指標，計算過程如式(3)所示，δ25和δ75分別為分配曲線上分配率為25%和75%的點對應的分選密度。

2 研究結果與討論

2.1 內置傾斜板變徑液固流化床分選結果

不同上升水速和床層密度的條件下，內置傾斜板變徑液固流化床分選試驗效果如表4所示。經浮沉試驗確定不同操作條件下重產物，分配曲線如圖4所示。

表4 分選試驗結果

圖4 不同操作條件下重產物分配曲線

由表4可知，相同上升水速條件下溢流灰分、溢流產率和可燃體回收率均隨隨床層密度的增大而增加；溢流灰分增加的同時底流灰分隨之升高，當精煤灰分為8%時，可獲得較高的精煤產率，為64.20%以上；根據圖4可知，實際分選密度為1.57 g/cm3，底流灰分達到50%以上。

由圖4可知，相同上升水速條件下，隨床層密度增大，分配曲線向右平移，分選密度逐漸增大；相同床層密度條件下，隨床層密度增大，分選密度亦逐漸增大。表5所示為分選密度和Ep值隨操作參數的變化。

表5 床層密度和Ep值隨操作參數變化

從表5可知，適宜的分選密度范圍內，內置傾斜板變徑液固流化床分選效果良好，可實現Ep值小于0.1 g/cm3；Ep值與床層密度之間并非呈正相關關系，不同上升水速條件下變化趨勢存在差異；6 mm/s水速條件下，Ep值隨床層密度增加開始減至趨于穩定小，8 mm/s水速條件下，Ep值隨床層密度增加逐漸增大，可見較低的上升水速有利于提高粗煤泥分選效果。主要原因是水速較低時，床層穩定均勻，加之床層體積濃度增大，顆粒間的沉降速度差增大，促進了顆粒按密度分離。

2.2 2種分選機分選效果對比

相同操作條件下，對傳統和內置傾斜板變徑液固流化床分選結果進行對比，如圖5～6所示。

圖5 2種液固流化床溢流灰分對比

圖6 2種液固流化床底流灰分對比

由圖5可以看出，相同操作條件下，2種分選機溢流灰差異較小；但底流灰分相差較大，內置傾斜板變徑液固流化床底流灰分顯著提高，平均高出約4個百分點，根據灰分平衡法求解產品產率可知，底流灰分高必然使得溢流產率提高，說明2種分選機溢流灰分相近，而內置傾斜板的變徑液固流化床精煤產率提高，預測使新型設備強化按密度分選的原因，具體需結合2種分選機分選精度進一步論證。

圖7所示為2種分選機Ep值對比。從圖中可以看出，2種分選機隨床層密度不同變化趨勢相同，隨上升水速不同，變化趨勢存在差異。相同操作條件下，內置傾斜板變徑液固流化床分選精度顯著提高，分選效果良好，Ep值0.087～0.100 g/cm3，而傳統液固流化床的Ep值位于0.110～0.120 g/cm3，相同操作條件下，前者的分選精度可提高0.020～0.030 g/cm3，可見內置傾斜板變徑液固流化床提高了粗煤泥分選效果。

圖7 2種液固流化床Ep值對比

2.3 不同分選狀態下分選效果對比

連續分選條件下，液固流化床內形成一定濃度的自生介質床層，顆粒在其中做干擾沉降運動，比較間斷與連續分選條件下粗煤泥分選效果，探討自生介質床層對提高分選效果的意義。

間斷分選條件下，入料量少，分選機內顆粒體積分數遠小于10%，其內部為稀相環境，顆粒與顆粒之間碰撞幾率大大減小，可忽略顆粒間的碰撞力，僅有顆粒與流體間的曳力，顆粒完全按照自由沉降速度差異進行分離；連續分選條件下，入料量大，合理控制底流閥可形成體積濃度大于20%的濃相床層，顆粒間碰撞作用大大增加，所有顆粒的沉降速度均降低，但顆粒間的沉降速度差增大，在一定的停留時間內，可完成較好的分層。且床層本身為一種密度高于水的懸浮體，提高了按密度分離的趨勢。

表6定量比較了2種分選機在不同狀態下的分選結果。由于2種狀態下適應的操作參數不同，表6中所列為實際分選密度接近時Ep值變化。根據表6得到圖8所示Ep值變化趨勢。

表6 不同條件下分選效果對比

圖8 不同試驗條件下Ep值

結合表6、圖8可以看出，2種分選狀態下，相比傳統分選機，內置傾斜板變徑液固流化床分選精度均提高；間斷條件下，隨著分選密度增大，2種液固流化床的Ep值基本呈線性增大；連續分選條件下，分選密度低于1.65 g/cm3時，Ep值變化微弱，大于1.65 g/cm3時，Ep值明顯增大。分選密度相近，傳統分選機在連續條件下的Ep值較間斷狀態下降低約0.07～0.10 g/cm3，內置傾斜板變徑流化床Ep值降低約0.05～0.08 g/cm3，說明連續分選條件下，自生介質床層強化了顆粒按密度分離。

3 結 語

(1)溢流灰分、溢流產率、可燃體回收率和實際分選密度與床層密度和上升水速均呈正相關關系；Ep值在不同上升水速條件下的變化趨勢存在差異，水速較低時，Ep值隨床層密度增大先減小后趨于穩定，水速較高時，Ep值隨床層密度的增大而增加，適宜分選密度范圍內，較低水速匹配較高床層密度分選效果良好。

(2)變徑和傾斜板結構強化了顆粒按密度分離。連續分選條件下，相比傳統分選機，內置傾斜板變徑液固流化床分選精度可提高0.02～0.03 g/cm3。

(3)自生介質床層強化了顆粒按密度分離。連續條件下液固流化床分選精度顯著提高，相比間斷分選條件，Ep值可降低0.07～0.10 g/cm3。