細粒煤磁穩定氣固流化床流化特性及分選提質

張 博，宋樹磊，張亞東，趙鵬飛，高天洋，趙躍民

(1.中國礦業大學 煤炭加工與高效潔凈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)

煤炭在世界能源消費結構中占有重要地位，我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國。選煤是提高煤炭利用效率、降低煤炭污染的最有效途徑，2020年我國原煤入選率為74.1%。傳統選煤方法以濕法為主，而我國2/3以上煤炭分布在西部干旱缺水的地區，濕法選煤需消耗大量的水資源，與我國煤炭資源分布現狀相矛盾，因此亟需煤炭的干法高效分選理論與技術研究[1-3]。

空氣重介質流化床干法選煤技術是將氣固兩相流態化技術應用于選煤領域的一種高效分選方法，其特點是以氣固兩相懸浮體作為分選介質，入選物料在流化床中按密度分層，低密度顆粒上浮，高密度顆粒下沉，實現了不同密度和粒度顆粒的分離[4-5]。基于此原理，趙躍民等[6-7]研發了首套模塊式空氣重介質流化床干法選煤示范系統，實現了50～6 mm 級煤炭的高效干法分選。雖然塊煤分選工藝已實現工業化，但細粒煤粒度較小，分選過程中其受到的床層浮力效應較弱，單純依靠重力場進行分選精度較低，尚處于實驗室研究階段[8-9]，因此，為強化細粒煤按密度分層離析趨勢，學者們提出引入外加能量使普通氣固流化床形成外加力場氣固流化床，增強氣固接觸效率，改善床層流態化質量，提高細粒煤在床層中的分選精度，將磁場引入氣固流化床，形成磁場控制下的氣固顆粒系統，即磁場流化床[10-12]。

國內外學者針對磁場流化床的顆粒運動規律、分選特性及流化床內部運動規律進行了系統的研究，揭示了磁場流化床的操作區域及流化特性，構建了流態化相圖用以描述磁場流化床的流化狀態[13];并通過對磁穩定流化床的機理研究，提出了磁場流化床穩定流化的判定準則并借助動力學模擬構建了磁場流化床的氣固兩相流模型[14]，近年來對于磁場流化床的研究多集中于不同條件下磁場流化床的流體動力學分析，通過對不同顆粒條件[15-17]、不同磁場條件[18]、不同操作參數[19-20]下磁場流化床內部顆粒受力和運動的分析，對磁穩定流化床進行了研究[21-22]，對復雜條件下的磁場流化床的氣固兩相流模型進行了完善[23-25]。在前期研究基礎上對磁場流化床煤炭分選效果進行了探究，結果表明磁場流化床可對細粒煤粉進行有效的分選[26]，但對細粒煤磁場流化床分選過程中的磁場分布特性和流化特性研究仍有所欠缺，難以做到細粒煤磁場流化床分選過程中的精準調控。

針對細粒煤磁場流化床分選過程的分選特性問題，筆者采用磁穩定流化床對6～3 mm細粒級煤炭進行了試驗研究。采用Geldart C類磁鐵礦粉加重質替代常規Geldart B類磁鐵礦粉加重質(在流化過程中，C類加重質可產生較小的氣泡，流化效果更好)，研究了細粒煤磁場流化床分選過程中的磁場分布特性和流化特性，并進行了的分選試驗，確定了細粒煤磁穩定流化床分選的最佳操作參數范圍。

1 試驗系統與材料

1.1 試驗系統

本研究采用的磁穩定分選流化床試驗系統如圖1所示，系統由供風裝置、分選流化床和除塵裝置組成。其中供風系統包括羅茨鼓風機和穩壓風包，能夠為磁穩定流化床提供壓力穩定的壓縮空氣。試驗時，通過調節氣速v和電壓U使得流化床床層在氣流和磁場能量的綜合作用下流化，當流化穩定時，利用U型壓力計與流化床邊壁等間距設置的單向開口連接測量床層軸向不同高度壓降，研究床層流化特性。在最佳操作條件下對6～3 mm原煤進行分選試驗，采用可能偏差E值對分選效果進行分析和評定。

圖1 試驗系統組成示意Fig.1 Schematic diagram of experiments system

圖2為分選試驗使用的環形錯流(床層中介質受到的氣流作用并非垂直向上的)磁穩定流化床，床體呈橢圓形，能夠保證床體流化區域中磁場強度的均勻分布。布風板采用傾斜孔設計，孔軸線與水平面夾角為45°，能夠使進入流化床內的氣流具有水平和豎直方向上的分量，使得床層中的磁鐵礦粉在氣流曳力作用下能夠較好流化。

圖2 環形錯流磁穩定流化床結構示意Fig.2 Schematic diagram of annular crossflow magnetically stabilized fluidized bed structure

1.2 試驗材料

本試驗采用磁鐵礦粉的磁性物質量分數為95.72%，磁鐵礦粉的粒度組成如圖3所示，磁鐵礦粉中0.100～0.040 mm 粒級的質量分數為71%，0.130～0.100 mm 粒級占磁鐵礦粉總質量的23%，0.145～0.130 mm 粒級為6%。細粒級磁鐵礦粉含量較大，在本試驗中選用0.074～0.045 mm 粒級磁鐵礦粉作為加重質，用以達成細粒煤的分選條件。

圖3 試驗用磁鐵礦粉粒度分布Fig.3 Particle size distribution diagram of magnetite powder for test

本試驗采用華興礦6～3 mm粒級原煤作為分選入料，表1為原煤浮沉試驗數據。由原煤浮沉試驗可知，原煤中<1.5 g/cm3密度級原煤占52.17%，灰分為11.01%，>1.8 g/cm3密度級原煤占29.89%，灰分為73.57%，煤泥質量分數為7.64%，原煤整體灰分水平較高，矸石含量較大但不易泥化，適于利用磁穩定流化床進行干法分選。圖4為原煤灰分可選性曲線，由圖4可知，當理論精煤灰分為10.0%時，理論精煤產率為43.8%，理論分選密度為1.45 g/cm3，對應的±0.1質量分數為35.6%，屬于難選煤。

圖4 6～3 mm粒級原煤浮沉灰分可選性曲線Fig.4 Size of 6-3 mm and raw coal wash ability curve of ash

表1 6～3 mm粒級原煤浮沉試驗數據Table 1 Size of 6-3 mm coal float test data sheet

2 試驗結果與分析

2.1 磁穩定流化床磁場分布特性

磁穩定流化床床層的流化是依靠外加赫姆霍茲電磁線圈產生磁場，介質顆粒在磁力和氣流曳力共同作用下均勻松散流化。圖5為赫姆霍茲電磁線圈的結構示意，由上下2個部分的線圈組成，線圈結構為類螺線管結構，以確保線圈內部均勻穩定磁場的形成。為便于分析，選取3個代表性較強的平面作為輔助分析，分別為上層線圈與下層線圈的中心平面，以及2層線圈的中間平面。如圖5所示，豎直方向上，由線圈外向上層或下層平面靠近時，磁感線密度增大，對應磁感強度增大，隨后當磁場進一步向中層平面靠攏時，磁場方向發生改變，而由于2層線圈磁感線的交叉，磁感線密度并未發生較大變化，磁場較為均勻。水平方向上，在上層與下層平面上，遠離線圈中心區域的磁感線分布較為稀疏，磁場強度較低，而在中層平面上則相反，磁感線分布更加密集，磁場強度更高。這種磁場分布特征會使線圈中心區域的磁感線分布較為均勻，形成穩定的均勻磁場。

圖5 赫姆霍茲電磁線圈磁感線分布示意Fig.5 Helmholtz coil magnetic line distribution

磁穩定流化床內的磁場分布情況決定了磁穩定流化床床層流化質量，因此，研究床層磁場分布特性，有利于揭示磁穩定流化床散式流化特性。利用磁場探針在離線圈中心半徑為5，10，15，20，25 cm處環繞一周，期間以一定頻率對磁感應強度進行測量，得到磁穩定流化床磁場分布，結果如圖6所示，圖6中測量點序列指在當前環繞半徑下，磁場探針對磁感應強度進行測量的序號。在平面磁場的探測中，上層與下層平面上的磁場強度分布特征較周邊強中心弱，在半徑為150 mm范圍磁場分布穩定，磁感應強度穩定在9 mT左右。中層平面上的磁感應強度分布特征趨勢相反，為中間強周邊弱，但在半徑為150 mm范圍內磁感應強度同樣穩定在9 mT左右。由此可見在線圈中心150 mm范圍內，床層磁場呈圓柱狀均勻分布，利于床層的均勻穩定流化和煤炭的分層離析。

圖6 電磁線圈水平方向磁場分布Fig.6 Horizontal magnetic field distribution diagram of electromagnetic coil

線圈內磁場強度的精確控制是實現磁穩定流化床床層均勻流化，改善床層密度分布的關鍵。因此，為探究外加電壓與磁場強度間的數值關系，分別在不同電壓下用探針探測環繞線圈中心150 mm范圍內的磁場強度。在此范圍內磁場強度分布較為均勻，選取該范圍內磁場強度的平均值作為試驗中的各電壓下磁場強度代表值，圖7為線圈外加電壓與磁場強度的數值關系，可看出磁場強度及磁感應強度與外加電壓呈線性相關，對3者進行線性擬合，得到磁場強度H與電壓之間的線性方程(1)及磁感應強度B與電壓的線性方程(2):

圖7 赫姆霍茲電磁線圈外加電壓與磁場強度的數值關系Fig.7 Relationship between the applied voltage of the Helmholtz electromagnetic coil and the magnetic field strength

H=122.605 61U

(1)

B=0.157 02U

(2)

方程表明通過控制外加電壓能夠實現磁穩定流化床內磁場強度的調控，進而改善床層流化質量，調控細粒煤分選效果。

2.2 磁穩定分選流化床流化特性

磁場作用下流化床的流化特性是決定流化床分選效果的關鍵，壓力波動信號是氣泡特性和顆粒特性等多種因素綜合動態的反映，氣泡運動行為是造成壓力波動的主要原因。通過測量床層壓力波動信號，對其進行功率譜分析，以獲得床層頻域流化信息。圖8為磁穩定流化床不同流化狀態的壓力信號及其功率譜圖。如圖8所示，在磁場強度為定值時，隨著氣速的增加，壓力信號隨時間的波動幅度先降后升，床層壓降Pm幅值可達600 Pa。當v=15.4 cm/s，床層壓降在Pm=300 Pa處波動，且幅值波動較小。表明當氣速超過起始鼓泡速度時，床層內多余的氣體以氣泡的形式進入氣泡相，并在上升的過程中，不斷靠近聚并，形成大氣泡，床層壓力波動程度增加，在外加磁場作用下，磁鐵礦粉在床層中形成磁力鏈，當氣泡上升致使磁力鏈產生偏離，在磁場力作用下磁力鏈具有恢復原來形態的趨勢，因此會對氣泡產生向內的擠壓力，當磁場強度達到臨界值時，氣泡就會破裂，大氣泡被破裂成數量較多的小氣泡，生長和運動行為受到抑制。當氣速增大到v=19.2 cm/s時，床層壓力信號波動劇烈，此時外加磁場對床層氣泡的抑制作用降低。當氣速為定值時，隨著磁場強度的增加，壓力信號隨時間的波動幅度先降后升，當H=9 200 A/m時，壓力信號幅值波動較小。結果表明在低磁場強度下，磁場力并不足以抑制氣泡的生長，而高磁場強度下，床層內部形成了多條密集的直徑較大的“磁力鏈”，致使整個床層近乎于固定，磁力鏈間空隙增大，通入床體內的過量氣體從磁力鏈間的空隙中大量穿過，作用于磁鐵礦粉上的氣流較少，從而致使床層的流化效果隨著氣速的增大逐漸惡化，壓力波動較大。圖8(d),(h)為不同操作條件下，床層壓力波動信號的功率譜圖。如圖8(d)所示，隨著氣速的逐漸增大，壓力波動信號的功率譜幅值逐漸增大，表明隨著氣速的增大，氣泡的尺寸越大，引起的床層壓力波動也越劇烈，床層流化效果變差。同時氣泡產生頻率隨著氣速的增加也呈增大趨勢，當v=15.4 cm/s和19.2 cm/s時，氣泡的產生頻率分別為4.17 Hz和7.35 Hz。隨著磁場強度的逐漸增大，壓力波動信號的功率譜幅值呈降低趨勢，而氣泡產生的頻率呈增大趨勢，氣泡產生頻率分別為5.25 Hz和9.05 Hz。結果表明，隨著磁場強度的逐漸增大，床體對氣泡的抑制作用逐漸增強，磁場對大氣泡產生機率的抑制能力增大，因此過剩氣體以產生頻率較高的微泡形式通過床層。

圖8 磁穩定流化床不同流化狀態下的壓力信號及其功率圖譜Fig.8 Pressure signals and power spectra of magnetically stabilized fluidized beds in different fluidization states

圖9為床層起始流化氣速、起始鼓泡氣速和顆粒帶出氣速的變化規律。由圖9可知，在一定的磁場強度下，床層的起始流化氣速<起始鼓泡氣速<顆粒帶出速度。在磁場上升的過程中起始流化氣速波動較小，起始流化氣速與磁場強度的變化并無特別明顯的相關性，而隨著磁場強度的增強，床層的起始鼓泡流化氣速逐漸從3.25 cm/s增加到10.63 cm/s，磁場強度與起始鼓泡流化氣速呈現正相關，同時顆粒帶出速度隨著磁場強度的增大逐漸由9.13 cm/s增大到17.60 cm/s。在散式流態化過程中，顆粒均勻地分布于床內并伴隨無序運動，氣流以微泡的形式存在，床層只形成乳化相。隨著表觀氣速的逐漸增大，乳化相持續膨脹，床內顆粒間空隙率均勻增大，乳化相間的微泡互相兼并產生大氣泡，致使床層進入鼓泡流態化階段，而隨著磁場強度的增大，床層所受磁場力增強，床層中的磁力鏈對氣泡的切削作用增強，氣泡的兼并行為受到抑制，顆粒同時在磁力和氣流曳力的協同作用下，保持均勻的散式流化狀態，增強了床層流化的均勻穩定性。但隨著磁場強度的進一步增大，致使床層的起始鼓泡流化氣速增大，且在磁場力的作用下，大量被吹起的細粒磁鐵礦粉附著在已經形成的磁力鏈上，增加了顆粒帶出氣速。

圖9 不同磁場強度下各流化速度特征值曲線Fig.9 Curves of characteristic values of fluidization velocities under different magnetic field strengths

流化床床層膨脹率隨著氣速和磁場強度變化的規律如圖10所示。隨著氣速的增加，床層膨脹率逐漸增大，該結果表明，當過量氣體進入到床層時，介質顆粒在氣流曳力的作用下開始逐漸松散、移位、流化，進而床層逐漸膨脹。隨著磁場強度的升高，流化床的床層膨脹率隨之減小，從 0磁場強度下的36.36%減小到16 400 A/m磁場強度下的17.62%。磁力鏈數量增大，在高磁場力的作用下床層逐漸壓實，進入床層中的氣體無法有效破壞磁力鏈體系，因此，隨著磁場強度的增大，進入床層的氣體越難以克服磁力鏈作用下床層介質顆粒形成的阻力，導致床層膨脹率隨磁場強度的增大逐漸減小。

圖10 不同磁場強度下床層膨脹率曲線Fig.10 Curves of bed expansion rate under different magnetic field strengths

流化床從流化狀態回歸到自然狀態時，床層表面會出現輕微的弧度。圖11為不同磁場強度下磁鐵礦粉表面弧度曲線，圖11中黑色曲線是床層表面輪廓曲線，紅色曲線是根據床層輪廓曲線擬合的多項式函數曲線。從圖11中可看出，隨著磁場強度的增加，床層表面的輪廓曲線的弧度也隨之增大，從最低點(0,0)點到最高兩點水平連線間的距離從0磁場強度下的3 mm增大到16 400 A/m下的43 mm。由床層輪廓的擬合曲線可看出，隨著磁場強度的增大，床層輪廓的曲率隨之增大，曲率半徑隨之減小。曲線的彎曲程度越來越大。該結果表明，當床層流化時，由于床層內的磁鐵礦粉形成了磁力鏈，其本身的位置被固定，由于邊壁效應，靠近邊壁的磁鐵礦粉首先被吹起，持續增大磁場強度會強化邊壁效應，使邊壁的磁鐵礦粉形成更高的磁力鏈，因此床層表面的弧度會隨著磁場強度的增大而增加。

圖11 不同磁場強度下磁鐵礦粉表面弧度曲線Fig.11 Curve of the surface of magnetite powder under different magnetic field intensity

流化床床層密度分布的均勻穩定性是評價床層流化效果的重要指標，圖12為不同磁場強度下床層密度變化曲線，由圖12可知，在一定磁場強度下，隨著流化氣速的增加，床層密度波動趨于平穩。結果表明，Geldart C類磁鐵礦粉具有較高的表面能和較大的黏性力，顆粒間的接觸更為緊密，顆粒間作用力強，當氣速較低時，顆粒受氣流曳力的作用懸浮，但由于顆粒間作用力的影響，顆粒被束縛在一定空間內，導致低氣速下的流化穩定性較差，當氣速繼續升高，氣流曳力沖破顆粒間作用力的封鎖，流化效果逐漸改善，故為保證流化效果應盡量選擇較高的操作氣速，而過高的氣速會導致氣泡相的增加，降低床層密度的穩定性，經過試驗在操作氣速v=15.4 cm/s時床層流化效果最穩定。保持操作氣速恒定，隨著磁場強度的增大，床層密度增大且波動減緩，壓降曲線更加平穩。

圖12 不同磁場強度下床層密度變化曲線Fig.12 Bed density change curves under different magnetic field strengths

2.3 磁穩定分選流化床表觀黏度

在分選過程中床層表觀黏度的大小是決定流化床中物料運動規律及沉降、上升速度的重要參數，直接影響礦粒在流化床中的分選時間。采用小球降落法對床層黏度變化規律進行測量。

在無限空間的流體中，如果流體黏度較大而球的直徑較小，小球下落速度較慢，運動過程中不產生漩渦，此時雷諾數Re<1，根據斯托克斯定律，小球受到黏性摩擦阻力。為簡化計算，將磁穩定流化床中的介質看作均勻的黏性流體。小球在磁穩定流化床中沉降主要受到的力有重力、浮力和黏性摩擦阻力，當小球達到勻速沉降階段時，3者受力平衡:

(3)

式中，dp為小球直徑;ρp為小球密度，kg/m3;g為重力加速度;ρb為磁穩定流化床床層密度，kg/m3;μe為磁穩定流化床表觀黏度，Pa·s;v′為小球下落的速度，m/s。

表觀黏度計算式為

(4)

由于小球在磁場流化床中的沉降并非是在無限體積的均勻介質中的自由沉降，因此對式(4)進行修正以后可得

(5)

式中，D為流化床床體直徑。

根據式(5)測得不同狀態下床層的表觀黏度，圖13為一定氣速下的床層表觀黏度和磁場強度的關系，隨著磁場強度的升高，床層表觀黏度呈波動上升狀態。當氣速為8.81 cm/s時，床層的表觀黏度在不同磁場強度下的變化規律最為穩定，呈現出穩定的上升態勢，在此氣速下，流化顆粒的孔隙率適中，在不同性質的顆粒產生定向運動時，由于顆粒間距適中，顆粒間阻力較小，在受到顆粒間阻力作用后，容易完成重新排序，使得床層保持穩定，若氣速過大，顆粒間距過大，氣泡互相兼并，使床層產生過多大氣泡，進而影響床層的均為穩定。該結果表明，隨著磁場強度的升高，在磁場力的作用下，床層內部形成的磁力鏈更加密集且緊固，床層堆積更加密實，床層的流動性降低，表觀黏度隨著磁場強度的升高而持續增大。

圖13 不同磁場強度下磁穩定流化床床層表觀黏度Fig.13 Apparent viscosity curve of magnetically stabilized fluidized bed under a certain gas velocity

圖14為床層表觀黏度隨流化氣速變化規律。隨著流化氣速的升高，床層的表觀黏度逐漸降低，由2.18 Pa·s持續下降至1.58 Pa·s，且在9 200 A/m磁場強度下，床層表觀黏度的變化最為穩定。該結果表明，隨著流化氣速的增大，床層內的細粒磁鐵礦粉床層會在氣流的作用下分散，床層內部孔隙率增大，床層密度降低，床層迅速松散，流化，床層表觀黏度降低。

圖14 不同氣速條件下磁穩定流化床床層表觀黏度曲線Fig.14 Apparent viscosity curve of a magnetically stabilized fluidized bed under a certain magnetic field strength

2.4 磁穩定分選流化床分選試驗

在最佳操作氣速v=15.54 cm/s的條件下對 6～3 mm 細粒煤進行分選試驗研究，采用可能偏差E值作為煤炭分選效果的評價指標。無磁場和不同磁場強度下6～3 mm 細粒煤的產品分配曲線及可能偏差值曲線如圖15，16所示，圖15中，E1為1段分迭可能性偏差;E2為2段分迭可能性偏差;δP1為1段迭的分迭密度，δP2為2段分迭的分迭密度，隨著磁場強度的增高，重產物在中煤和矸石中的分配率增加，輕產物在精煤中的分配率增加，磁穩定流化床的可能偏差值逐漸降低，在無磁場時，2段可能偏差值分別為E1=0.381 g/cm3，E2=0.429 g/cm3。在電壓為75 V，磁場強度為9 200 A/m時分選的可能偏差達到最低，此時2段可能偏差值分別為E1=0.136 g/cm3，E2=0.156 g/cm3。隨著磁場強度的進一步增大，分選的可能偏差開始小幅回升，該結果表明，在低磁場強度下，隨著磁場強度的增大，床層內部形成的磁力鏈更加堅固，氣泡受磁力鏈擠壓難以生成和變大，床層密度更為穩定，分選精度上升;隨著磁場強度的進一步增大，床層內部形成的磁力鏈直徑變大，高度上升，磁力鏈間的空隙急劇增大，氣流從空隙中流出，床層密度發生波動，分選精度下降，故在磁場強度為9 200 A/m，流化氣速v=15.4 cm/s 條件下，磁穩定流化床對 6～3 mm 細粒煤具有最佳分選效果，其2段分選精度E值分別為0.136 g/cm3和0.156 g/cm3。

圖15 不同磁場強度下6～3 mm 細粒煤的產品分配曲線Fig.15 Product distribution curves of 6-3 mm low-quality fine-grained coal under different magnetic field strengths

圖16 不同磁場強度下磁穩定流化床的可能偏差值曲線Fig.16 Curves of potential deviations of magnetically stabilized fluidized beds under different magnetic field strengths

3 結 論

(1)當磁場強度在9 200～7 400 A/m時，床層流化效果較為穩定，并在兩端達到峰值;當磁場強度高于9 200 A/m或低于7 400 A/m時，床層膨脹率減小，起始鼓泡流化氣速及顆粒帶出氣速增大，床層密度可調性減弱，可調范圍大為降低，床層流化效果較差。

(2)隨著操作氣速的升高，床層密度波動逐漸趨于平穩，床層穩定性提升。隨著磁場強度的增大，床層密度增大且波動減緩，壓降曲線更加平穩，床層表面弧度隨之增大。磁穩定流化床床層的表觀黏度隨著磁場強度的升高和流化氣速的降低而持續增大。

(3)磁穩定流化床的分選效果隨著磁場強度的增高先增加后減小，因此，在磁場強度為9 200 A/m，流化氣速v=15.4 cm/s 條件下，磁穩定流化床對 6～3 mm 細粒煤具有最佳分選效果，其兩段分選精度E值分別為 0.136 g/cm3和0.156 g/cm3。