干法重介質流化床多元加重質流化特性與低質煤高效分選

姜永寧，齊 健，巴玉龍，王慶飛，張真興，郭君偉，張 博,3

(1.國家能源集團 新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產國和消費國[1]。我國2/3以上煤炭資源分布在西部干旱缺水地區[2-4]，傳統的濕法分選技術嚴重受限，干法分選逐漸成為研究重點[5-6]。基于氣-固兩相流的流態化干法分選技術是通過上升氣流與加重質顆粒混合形成氣固流化床層，煤由于自身的密度與床層密度的差異呈不同運動狀態：低于床層密度的精煤上浮，高于床層密度的矸石下沉，實現分選[7-9]。干法選煤技術采用空氣代替水[10-11]，無煤泥水污染、成本低、優勢明顯。因此，研究和推廣氣固流化床干法選煤技術具有重要的現實意義。

加重質是干法重介質流化床床層的主要物質，加重質的物性特征與組成決定流化床分選性能[12]。很多學者采用不同加重質開展了干法重介質流化床流化研究，WEINTRAUB等[13-14]采用43～74 μm磁鐵礦粉作為加重質，ZENNOSUKE等[15-16]采用CaCO3、玻璃珠等作為加重質，但流化床密度波動大，分選穩定性差。駱振福等[17]通過加重質改性改良加重質表面潤滑性，采用硬脂酸試劑作為改性劑。唐利剛等[18]拓展了加重質的粒級組成，優化了加重質粒度結構。劉昆侖[19]采用硼鐵礦粉作為加重質，對13～6 mm粒級煤進行有效分選，分選可能偏差E=0.075。

筆者重點研究了二元窄粒級、二元寬粒級及三元加重質在流化床中的流化特性，深入分析加重質性質對干法重介質流化床分選效果的影響，為優化干法重介質流化床中加重質的設計提供參考。

1 試 驗

1.1 分選系統

干法重介質流化床試驗系統如圖1所示，主要分為供風與除塵裝置、流化床和測試裝置。供風裝置由鼓風機、儲氣罐、壓力表、流量計及閥門組成，為流化床提供動能。流化床為礦物提供分選環境，床體長×寬×高為300 mm×50 mm×600 mm。床體的空氣分配器采用2層多孔板中間加2層工業濾布構成，以保證床體供風均勻。測試系統由壓力傳感器和測壓管組成，壓力傳感器安裝于床體側壁上，由測壓管計數。在氣體分布器上部20 mm處的流化床邊壁設置第1個測壓點，依次向上，每隔40 mm增設1個測壓點。試驗過程中流化床產生的粉塵由除塵系統收集，防止污染環境。

圖1 干法重介質流化床分選系統示意Fig.1 Schematic diagram of dry dense mediumfluidized bed separation system

1.2 評價指標

1.2.1床層膨脹率

膨脹率定義為

(1)

其中，θ為床層膨脹率，%；H0為靜床層高度，mm；H為床層高度，mm。在穩定流化區域，床層膨脹率與流化氣速呈正相關關系，膨脹率越大，表明床層密度可調節性越大。

1.2.2床層壓降

床層壓降P的計算公式為

(2)

其中，ρ為水的密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；Δh為U型管的高度差，mm。床層壓降分布即為床層的密度分布。

2 結果和討論

2.1 單一加重質流化特性

硼鐵礦粉、磁鐵礦粉因具有磁性、密度適中，常被用作分選流化床加重質。試驗在靜床高160 mm、風壓0.02 MPa條件下，對74～45、150～74和300～150 μm粒級的磁鐵礦粉及125～74、150～125和300～150 μm粒級的硼鐵礦粉進行流化試驗，考察流化特性和床層密度穩定性，試驗結果如圖2、3所示。

由圖2、3可知，74～45 μm粒級的磁鐵礦粉在氣速1.1 cm/s時，床層壓降達到最大值；氣速增至1.47 cm/s時，固定床逐漸轉化為流化床；氣速在1.96～2.94 cm/s時，床層膨脹率在9.33%～11.33%，床面均勻涌現較小尺寸的氣泡，床層密度波動小，具有較好的流化活性。150～74 μm粒級的磁鐵礦粉在氣速3.67～4.16 cm/s時，床層膨脹率在8.67%～10.00%，床層表面均勻鼓小泡，膨脹率適中，流化效果較理想。300～150 μm粒級的磁鐵礦粉在氣速9.80～12.24 cm/s時，床層膨脹率在4.67%～10.00%，床層密度穩定性好，流化效果較理想。氣速超過12.86 cm/s后，床層壓降驟降，床面劇烈波動，甚至出現噴涌，返混也越發嚴重，流化狀態逐漸惡化。125～74 μm粒級的硼鐵礦粉在氣速為13.18～15.07 cm/s時，床層膨脹率在12.86%～14.29%，床層壓降波動較小，床層密度較穩定，流化效果較理想。150～125 μm粒級硼鐵礦粉在氣速為10.36～12.24 cm/s時，床層膨脹率在16.25%～17.50%，床層壓降波動較小，床層表面均勻鼓小泡，床層密度較穩定，流化效果較理想。300～150 μm粒級硼鐵礦粉在流化氣速為3.58～4.14 cm/s時，床層膨脹率在12.50%～18.75%，流化床活性繼續增大，床層壓降波動較小，床層表面均勻鼓小泡，床層密度較穩定，流化效果較理想。

圖2 磁鐵礦粉與硼鐵礦粉的流化特性曲線Fig.2 Curves of fluidization properties of magnetite powder and paigeite powder

圖3 磁鐵礦粉與硼鐵礦粉的床層膨脹率曲線Fig.3 Curves of bed expanding rate of magnetite powder and paigeite powder

綜上，隨著硼鐵礦粉與磁鐵礦粉粒度降低，帶出加重質顆粒所需的氣速降低，床層生成的氣泡尺寸較小，床層流化均勻性強，密度均勻；反之，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉粒度增大，氣泡兼并形成大氣泡，導致床層流化紊亂，流化質量降低。故在流化床分選過程中應合理控制流化氣速，保證流化效果。

2.2 多元加重質流化特性

以單一硼鐵礦粉與磁鐵礦粉作為加重質流化時，不同粒級組成下均具有良好的流化效果，但加重質粒級范圍窄，制備成本高。基于干擾沉降模型，粒度相近的硼鐵礦粉與磁鐵礦粉難以均勻混合，主要是由于二者密度差異大，導致沉降末速相差較大。在趙嘉博等[7]研究的基礎上，選擇150～125 μm和125～74 μm粒度的硼鐵礦粉，分別與74～45 μm磁鐵礦粉以不同質量分數混合形成二元加重質，研究其流化特性。每組硼鐵礦粉與磁鐵礦粉的質量比均取1∶4、1∶2、1∶1、2∶1和4∶1，試驗結果如圖4所示。

圖4 硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉(mM)混合的流化特性曲線Fig.4 Curves of fluidization properties of paigeite powder mixedwith 74-45 μm magnetite powder(mM)

由圖4可知，150～125、125～74 μm硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉混合后，隨著74～45 μm細粒級加重質質量分數的增加，最小流化氣速降低，流化曲線整體左移。這是由于細粒級加重質占比增大導致混合加重質整體粒度降低，使得最小流化氣速降低。5種不同比例的硼鐵礦粉與磁鐵礦粉混合加重質流化床層壓降波動均較小，流化效果較好。說明在適當氣速范圍內，2種粒級的硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉的質量比可在較大范圍內調整。

在介質制備過程中，窄粒級的硼鐵礦粉產率較低，在實際選煤過程中，制備大量窄粒級的介質較困難，且會造成介質浪費，成本增大。為此，有必要拓寬硼鐵礦粉粒級，對寬粒級二元加重質的流化特性進行研究。根據劉昆侖等[19]研究成果，將硼鐵礦粉150～125 μm和125～74 μm兩個粒級按照7∶3配成組合粒級150～74 μm，將300～150 μm和150～74 μm按照3∶1配成組合粒級300～74 μm。300～74 μm粒級的硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉按質量比1∶10、1∶5、1∶4、1∶2、1∶1、2∶1、4∶1、5∶1和10∶1混合，即硼鐵礦粉質量分數分別為9.09%、16.67%、20.00%、33.33%、50.00%、66.67%、80.00%、83.33%和90.91%，試驗結果如圖5所示。

圖5 300～74 μm硼鐵礦粉(mB3)與74～45 μm磁鐵礦粉(mM)混合的流化特性曲線Fig.5 Fluidization characteristic curve of 300-74 μm paigeitepowder(mB3)mixed with 74-45 μm magnetite powder(mM)

由圖5可知，2個粒級的硼鐵礦粉在9種質量比的流化質量均相對穩定，床層密度波動均較穩定。其中，300～74 μm硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉在不小于1∶1配比下，即300～74 μm硼鐵礦粉質量分數大于50.00%時，床層壓降波動更小，返混現象小，床層密度均勻穩定，尤其是300～74 μm硼鐵礦粉質量分數為80.00%、83.33%和90.91%時，床層密度更加穩定。因此在適當的氣速范圍內，這2個粒級的配比在較寬范圍內調整，均可達到穩定的流化狀態。寬粒級二元加重質混合時，穩定流化后的流化曲線隨細粒級增多而波動加劇，難以形成穩定的分選環境。

在干法重介質流化床干法選煤過程中會混入煤粉，導致床層流化質量變化，這是硼、磁鐵礦粉可否用作多元加重質顆粒的關鍵依據。在保證流化床密度均勻穩定的前提下，300～74 μm硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉質量比設為4∶1，再與小于1 mm煤粉按不同比例混合后流化，研究硼鐵礦粉、磁鐵礦粉、煤粉形成的三元加重質流化特性，結果如圖6所示。

圖6 不同煤粉質量分數的三元加重質流化特性曲線Fig.6 Fluidized curves of three-medium-solids withdifferent coal fines contents

由圖6可知，隨著煤粉質量分數增加，三元加重質的流化曲線逐漸右移，說明隨煤粉質量分數增加，起始流化速度呈增大趨勢，符合不同粒度加重質起始流化速度的變化規律。由于加入的煤粉平均粒度大于硼鐵礦粉和磁鐵礦粉，煤粉質量分數增加相當于增加了三元加重質的平均粒度，使起始流化速度逐漸增大。

2.3 多元加重質臨界流化氣速與混合/分離

對于實際操作的流化床，若使加重質床層在氣流作用下完全流化，操作氣速必須達到起始流化速度Umf。起始流化速度主要受顆粒粒度影響，顆粒密度的影響次之。將床層流化曲線上通過固定態和流化態的曲線進行線性關聯，可得到二元加重質起始流化速度Umf與加權算術平均粒度ds的關系。采用Origin7.5軟件對150～125、125～74及300～74 μm硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉混合后Umf與ds的對應值進行回歸分析，得到其回歸模型和擬合曲線(圖7)。

圖7 硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉混合形成的加重質Umf與ds的關系曲線Fig.7 Regression curves between Umf and ds after the mixing ofpaigeite powder and 74-45 μm magnetite powder

(3)

(4)

(5)

從圖7可以看出，3種粒級的硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉混合后起始流化速度的試驗值與模型曲線吻合很好，說明該回歸模型可用。

為了進一步分析二元加重質在干法重介質流化床中的分布，將各粒級、各質量比的二元加重質流化穩定后，立刻停機，沿床層軸向自上而下，間隔40 mm逐層采樣，檢測每層中硼鐵礦粉的質量分數，并計算相對標準差(δ′)和相對極差(L′)，結果如圖8所示。

圖8 相對標準差及相對極差與硼鐵礦粉質量分數的關系Fig.8 Relationship between δ′ and L′and paigeiteore powder contents

隨硼鐵礦粉含量增加，床層密度降低，干擾沉降等沉比減小，二者粒徑比逐漸超過干擾沉降等沉比，使較多的硼鐵礦粉分布于床層下部。由圖8可知，隨著硼鐵礦粉質量分數增加，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉分層現象相對減弱，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉混合的均勻程度隨硼鐵礦粉質量分數的增加而提高，質量分數達80%時，二者已混合較均勻。實際生產中，可通過改變寬粒級硼鐵礦粉粒度組成來調整硼鐵礦粉在床層中總的分布，改善床層密度均勻穩定性。

根據床層頂部與底部的密度差分析不同煤粉質量分數下的三元加重質流化床密度的均勻穩定性，如圖9所示。

圖9 頂部與底部床層密度差與煤粉質量分數的關系Fig.9 Relationship of density difference between top andbottom beds and pulverized coal content

由圖9可知，煤粉質量分數不超過15%時，床層上、下部的密度差異較小，三元加重質流化床密度均勻；煤粉質量分數達17.5%時，床層密度差驟增，床層紊亂。其原因，一方面，隨著煤粉量增大，流化床黏度明顯增大，使氣固兩相流的穩定性變差；另一方面，流化床中的部分煤粉同時處于被分選狀態，導致分層。煤粉質量分數越大，分層越嚴重，流化狀態越差，密度波動陡增。

2.4 低質煤分選效果

為進一步驗證多元加重質的干法重介質流化床的分選效果，在300～74 μm硼鐵礦粉質量分數為80.00%、流化氣速為5.65 cm/s條件下進行原煤分選試驗。選取13～6 mm粒級原煤，每次試驗的分選時間均為45 s，之后立刻切斷氣流，床層回落靜止后沿軸向自上而下分5層每隔30 mm取樣，底層為第5層，分別計算原煤及加重質的質量和產率，分選結果如圖10所示。

圖10 低質煤分選結果Fig.10 Low quality coal separation results

由圖10可知，13～6 mm原煤經多元加重質流化床分選后可得到灰分10.95%、產率70.90%的精煤，分選效果良好。隨密度升高，矸石中的分配率逐漸升高，精煤中的分配率先增加后降低，在重產物中的分配率逐漸升高。

3 結 論

1)磁鐵礦粉與硼鐵礦粉的流化特性研究表明，300～150、150～74和74～45 μm粒級的磁鐵礦粉和300～150、150～125和125～74 μm粒級的硼鐵礦粉均能達到良好的流化狀態。隨加重質粒度減小，起始流化氣速顯著降低，膨脹性能逐漸增強。

2)二元加重質流化特性表明，150～125、125～74 μm硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉混合流化時，其混合的均勻程度隨硼鐵礦粉質量分數的增加而提高。300～74 μm粒級硼鐵礦粉與74～45 μm粒級磁鐵礦粉在9種不同質量比條件下，床層壓降均較穩定。其中，300～74 μm硼鐵礦粉質量分數超過50.00%時，床層壓降波動更小，床層密度均勻穩定，隨著硼鐵礦粉質量分數增加，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉分層現象相對減弱。

3)隨著煤粉質量分數增加，三元加重質的流化效果逐漸變差。為保證流化床床層密度較好的均勻穩定性，三元加重質中煤粉質量分數不宜超過15%。300～74 μm硼鐵礦粉質量分數為80.00%時，13～6 mm原煤在多元加重質流化床中分選，精煤灰分為10.95%、產率為70.90%，分選效果良好。