干法重介質流化床煤炭顆粒受力特性與分選研究

戴 林，房淑海,李思維，呂冠男，柴學森，段晨龍，周恩會,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(yè)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(yè)大學)，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭是我國主體能源，是國民經濟發(fā)展和工業(yè)生產的能源基礎。選煤是潔凈煤技術的源頭技術，煤炭分選可有效降低原煤灰分、硫分，提高煤炭發(fā)熱量，減輕環(huán)境污染。我國煤炭資源與水資源呈逆向分布，迫切需要發(fā)展不耗水的干法分選技術，實現干旱缺水地區(qū)煤炭分選提質。

干法重介質流化床選煤技術作為一種高效的干法選煤方法，主要適用于6～80 mm煤炭分選，其床層的似流體特性是多相流流化床的特性之一，也是干法重介質流化床應用于選煤領域的關鍵[1-3]。近年來，采用流化床技術對物料進行分選研究已有很多報道[4-7]，但針對分選原煤在流化床中受力的影響因素研究較少。REES等[8]將不同粒度(9.0～13.2 mm)、不同密度(0.90～1.21 g/cm3)的塑料球顆粒放在氣固流化床床層底部沿徑向的不同位置，研究了不同流化氣速下球形顆粒從床層底部上升到床層表面的時間以及該上升過程中的平均速度。GAGER等[9-10]研究發(fā)現，靜止在氣固流化床中的物體上方存在不流化區(qū)域，與物體是否運動無關。當流化氣速與初始流化氣速相等時，浸沒在氣固流化床中的物體上升或下沉，其速度均遠小于初始流化速度。韋魯濱等[11-13]對干法重介質流化床的分選過程進行了試驗和理論研究，將物料分選過程中不能按密度分層的根源歸結為氣固兩相流體的黏度和加重質顆粒與被分選物料間的相對運動，與之對應的即為礦粒受到的黏性曳力和運動曳力。

在此基礎上，筆者深入研究入選煤粒度、密度、浸沒深度與流化氣速對其受力特性的影響規(guī)律，提出各影響因素與煤顆粒綜合受力關系的定量表征方法，確定入選煤炭顆粒各密度組分的遷移路徑與穩(wěn)定分布區(qū)域，為工業(yè)生產中預測分選效果提供依據。

1 試 驗

1.1 試驗系統

試驗裝置如圖1所示。該試驗裝置主要包括流化床分選模塊、供風模塊和數據采集分析模塊3部分。流化床床體長280 mm、寬180 mm、高450 mm。供風模塊主要由壓力表、流量調節(jié)閥、風包、羅茨鼓風機等組成，試驗過程中通過壓力表、玻璃轉子流量計以及流量調節(jié)閥來控制風壓和風量，風包的作用主要是穩(wěn)壓。數據采集分析模塊主要包括壓差傳感器、U型管壓差計、SH5數顯式推拉力計、計算機和玻璃轉子流量計。試驗中，通過壓差傳感器采集床層壓力信號；流化氣速由玻璃轉子流量計檢測計算；采用SH5數顯式推拉力計固定在床體上方，煤顆粒與拉力計連接測量入選顆粒在床層中的綜合受力情況。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

為保證每次測量點在不同流化氣速下位置一致，試驗開始前對流化床做以下設定：根據床層充分流化后的床高(220 mm)，將床層自上而下分為4層，距布風板的距離依次為200、150、100、50 mm。每層均勻分布15個測量點，分別測量不同流化氣速下床層中15×4=60個測點的壓差。

1.2 試驗材料

試驗采用磁鐵礦粉和玻璃微粉作為混合加重質，粒級在0.300～0.074 mm，測得該粒級范圍的磁鐵礦粉和玻璃微粉的堆密度分別為2.36、1.14 g/cm3。玻璃微粉在混合二元加重質的占比為32.4%，二元加重質堆密度為1.93 g/cm3，其粒級組成如圖2所示。

圖2 二元加重質粒級組成Fig.2 Size distribution of binary dense medium particles

分選過程中，采用國家能源集團新疆能源有限責任公司黑山露天煤礦薄煤層低質煤作為入選煤樣。根據GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗方法》，對黑山礦薄煤層80～6 mm粒級原煤進行浮沉試驗，得到9個密度級煤樣，對各密度級原煤進行化驗，繪制可選性曲線，如圖3所示。80～6 mm原煤灰分為46.82%，屬中高灰分煤。理論精煤灰分控制在15%以下時，理論精煤產率為61.87%，理論分選密度為1.76 g/cm3。考慮到實際精煤灰分偏高，將床層密度設為1.73 g/cm3左右。

圖3 原煤可選性曲線Fig.3 Raw coal washability curve

2 結果與討論

2.1 床層密度空間分布規(guī)律

干法重介質流化床床層密度均勻穩(wěn)定性是煤炭有效分選的基礎。基于原煤可選性研究可知，床層密度約為1.73 g/cm3。基于前期研究得到的流化氣速與床層密度關系[14]，設定流化數為1.35，即操作氣速U=7.95 cm/s。通過壓力測量、計算得到不同床高、不同區(qū)域累計60個測點的床層密度，如圖4所示。

不同區(qū)域處床層密度分布相對均勻穩(wěn)定，大部分區(qū)域在1.72～1.73 g/cm3。頂部床層(圖4(a))靠近邊壁處床層密度為1.70～1.72 g/cm3，這是由于氣泡在上升過程中逐漸兼并生長，至床層頂部后破裂時夾帶附近加重質顆粒向上騰涌，騰涌點下方形成凹形床面，導致該區(qū)域床層瞬時密度偏低。騰涌的加重質顆粒回落后，床面凹面和床層密度迅速恢復，不影響煤炭分選。在中部床層區(qū)域(圖4(b)、(c))，床層密度整體分布較均勻，密度波動控制在±0.01 g/cm3以內，是煤炭按密度沉降、分層的主要區(qū)域。在圖4(c)中，靠近床體夾角處密度達1.77 g/cm3，這是由于床體夾角為90°直角，受邊壁效

圖4 床層密度空間分布Fig.4 Horizontal distribution of bed density

應影響，氣流與加重質顆粒與邊壁摩擦阻力大，導致氣體趨于遠離床體邊壁，造成床體夾角處形成小范圍死區(qū)，床層密度增高。在連續(xù)性上升氣流與加重質的橫向隨機遷移作用下，床體夾角死區(qū)受附近加重質顆粒撞擊與氣流曳力沖擊的協同作用會快速松散流化。在底部床層區(qū)域(圖4(d))，床層平均密度接近1.74 g/cm3，略高于上部區(qū)域床層。這是因為底部區(qū)域氣泡較小，加重質顆粒間空隙率低。但整體上，底部區(qū)域床層密度與上部區(qū)域床層密度差值小于0.01 g/cm3，且入選原煤粒度為80～6 mm，粒徑遠大于加重質粒徑，不會影響分選效果。

2.2 入選煤顆粒的受力特征與擾動因素相關性

氣固兩相流中的煤炭顆粒，忽略量級較小的Basset力、Magnus力等，主要受自身重力G、似流體平均密度對礦粒的浮力Ff、氣流曳力Fg以及加重質床層對煤顆粒的介質阻力Fp。其中，氣流曳力相對于煤顆粒自身的重力很小，可忽略。因此，煤顆粒在濃相氣固分選流化床中所受總附加力Ff+p可表示為

Ff+p=Ff+Fp。

(1)

流化的加重質對煤顆粒相對運動產生的介質阻力，可按流體力學曳力的一般表達式計算，即

Fp=CDπ(d/2)2ρbν2/2，

(2)

由于加重質顆粒的運動，與煤顆粒表面撞擊和碰撞也可產生介質阻力。由式(2)可知，起始流化時，加重質顆粒只在原地做微小振動，v≈0，Fp可忽略；流化氣速超出初始流化速度一定值時，加重質顆粒做方向和大小均隨機變化的返混運動，因此，加重質顆粒的運動不可忽略，加重質顆粒沿礦粒表面分布的不對稱使煤顆粒受力不均。影響加重質顆粒運動的主要因素有加重質物性、流化床高徑比等幾何性質以及流化氣速等。

由式(1)、(2)可得煤顆粒在流化床中所受總附加力為

(3)

另外，煤顆粒受床層平均密度的浮力作用，在均勻穩(wěn)定流化的濃相氣固流化床中，煤顆粒密度ρp與床層密度ρb相比，ρp<ρb時，煤顆粒上浮；ρp>ρb時，煤顆粒下沉，從而達到不同密度煤顆粒按密度分層的效果。

試驗中推拉力計測量得到入選顆粒所受拉力F0，煤顆粒在流化床中受力平衡可表示為

G0-F0-Ff-Fp=0，

(4)

式中，G0為自身重力。

除G0和F0外，物料在濃相氣固分選流化床中所受的其他綜合作用力與其自身重力的比值記為表面綜合作用力F[15-16]，即

(5)

影響煤顆粒綜合作用力的主要因素為煤顆粒粒徑、密度、浸沒深度、流化氣速。圖5為入選煤顆粒在流化床中的表面綜合作用力的變化曲線。可知，隨分選顆粒粒徑的增大，顆粒所受表面綜合作用力波動逐漸減小，說明粒徑越大的物料，在流化床中所受床層平均密度的浮力作用增大。隨分選顆粒密度增大，顆粒所受表面綜合作用力波動先減小后增大，低密度顆粒受浮力作用較大，高密度顆粒超過床層分選密度的值越大，重力作用越大，顆粒受床中加重質和氣泡運動的影響越小。隨著浸沒深度增加，表面綜合作用力先逐漸減小至最小(浸沒深度HS=200 mm)后逐漸增大，表明由于床層內部氣泡的兼并生長，導致入選煤顆粒受加重質與氣泡運動的影響存在差異，但其整體波動不大，極值相差10%以內。隨著流化數增大，入選煤顆粒表面綜合作用力呈下降趨勢，表明隨著流化氣速增大，加重質顆粒運動活性增強，氣泡和加重質活動趨于劇烈，煤顆粒受加重質阻力與氣泡曳力作用削弱其沉降動力。

圖5 各因素和表面綜合作用力關系的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of the relationship between various factors and surface comprehensive force

采用非線性擬合的指數函數對入選煤顆粒在流化床中所受平均表面綜合作用力進行回歸分析，得到各因素對表面綜合作用力的回歸方程，見表1(e為交互系數)。采用相關系數R和殘差平方和評價回歸擬合的效果。0≤R≤1，其值越接近1，殘差平方和越小，說明擬合越精確。圖5為各表面綜合作用力關系的擬合曲線，由圖5(a)可知，擬合曲線殘差平方和為2.051 38×10-6，R=0.998 28；由圖5(b)可知，擬合曲線殘差平方和為1.78×10-3，R=0.992 62，接近1；由圖5(c)可知，擬合曲線殘差平方和非常小，為6.958 2×10-6，R=0.985 93；圖5(d)中，試驗點均分布在擬合曲線上，殘差平方和為0，R=0.976 45，非常接近1。綜上，各影響因素與入選煤顆粒表面綜合作用力擬合關聯式相關性高，可作為支撐參數優(yōu)化與煤炭顆粒受力特性預測。

表1 入選顆粒物性特征與操作因素對表面綜合作用力的回歸方程

2.3 入選煤炭顆粒沉降過程擾動因素交互作用

通過單因素試驗可得，影響入選煤顆粒在流化床中受力及運動規(guī)律的主要因素有：顆粒粒徑、密度、物料在流化床中的浸沒深度和流化氣速。煤顆粒密度對分選的影響是固定且單調變化的，本節(jié)主要研究入選煤炭顆粒的粒徑、浸沒深度以及流化數3個因素對入選煤炭顆粒受力影響的交互作用。采用響應曲面法進行試驗設計，基本參數見表2。

表2 試驗參數設計

選用二次方模型對試驗結果進行分析，該模型對各因素的系數估計見表3。方差膨脹因子(fVI)表示容忍度的倒數，其值越大，共線性越嚴重，fVI>10時，表示多重相關性嚴重影響最小二乘的估計值。本模型中的fVI值均小于10。

表3 各因素系數估計

表面綜合作用力F與各因素的數學模型，以因素代碼可表示為

F=0.147+0.038 1A+0.019B+0.016C+0.045A2+0.018B2-

0.016C2-0.034AB+0.029AC-0.011BC，

以實際因素可表示為

0.016N2-0.034dHS+0.029dN-0.011HSN。

基于此關聯式，得出入選煤顆粒表面綜合作用力F的預測值，與實際測量值的比較如圖6所示，可以看出，2者一致性較好。圖7為表面綜合作用力F和各因素的關系。

圖6 測量值和預測值的比較Fig.6 Comparison of predicted values versus measured values

圖7 表面綜合作用力和各因素之間的關系Fig.7 Relationship of values of F and various factors

由圖7可知，在流化數的坐標軸上，入選煤顆粒所受表面綜合作用力的變化趨勢基本相同。隨著流化數增大，F先增大后減小。這主要是因為加重質確定后，被分選物料粒徑及其浸沒深度的變化無法影響床層的流化質量，流化質量僅取決于流化氣速。流化氣速大于初始流化氣速后，隨著流化氣速增大，床層的流化狀態(tài)逐漸達到最佳，但流化氣速超出最佳流化氣速調節(jié)范圍后，由于加重質返混以及氣泡的劇烈活動，使床層穩(wěn)定性受到破壞。

入選煤顆粒粒度一定時，在浸沒深度坐標軸方向上，同一流化數下，隨著浸沒深度增大，F基本不變；氣速條件一定時，小粒徑顆粒F隨著浸沒深度的增加而降低，大粒徑顆粒F隨浸沒深度的增加而增大。綜上，在氣固流化床分選中，除了入選顆粒密度外，對表面綜合作用力影響的顯著性程度依次為入選顆粒粒度、浸沒深度、流化氣速。

2.4 分選效果

通過研究原煤在不同時間下的分選效果，探索實際分選條件下被分選物料充分松散的最短時間及最佳分選時間。根據前文研究結果，分選試驗選取黑山露天煤礦80～6 mm低質煤，操作氣速流化數為1.35，即操作氣速U=7.95 cm/s，原煤分選時間T分別為4、8、12、16、20 s時關閉氣流，床層沉降停止后自上而下逐層取樣測量不同密度煤在床層的分布。為了使各分選時間的分選效果具有可比性，固定原煤入選量為3 kg，每次試驗原煤給入點均為床高200 mm，完成分選后將分選產品分4層分別取出，每次分選試驗重復3次取平均值。

各層物料隨分選時間的變化曲線如圖8所示。各密度級物料在8 s內完成分層，低密度物料(1.3、1.5 g/cm3)在不同分選時間內均處在床層頂部；T>8 s 時，高密度物料(1.9、2.1 g/cm3)在不同分選時間內均處在床層底部，表明煤炭分選過程中低密度物料基本不發(fā)生下沉，而高密度物料在較短時間內迅速沉降，基于物料密度差異有效完成了分選。中等密度物料(1.7 g/cm3)與床層分選密度較為接近，部分進入精煤層，部分處在床層中部、中下部，表明氣固流化床為相似流體，密相較均勻，但稀相由于其成分為氣泡，氣泡運動造成床層密度波動，偏高或偏低于實際分選密度，使中間密度物料在床層中部隨機上浮或下沉。由于床層密度約為1.73 g/cm3，根據不同密度煤顆粒分層情況和實際生產中的可操作性，以H=50 mm為輕重產品分割線，則1.3～1.7 g/cm3煤樣為精煤產品，1.9～2.1 g/cm3煤樣為矸石產品，分選可能偏差E約為0.047 g/cm3。

圖8 不同密度顆粒沿床層分布Fig.8 Distribution of particles of different densities along the bed

3 結 論

1)基于黑山露天煤礦低質煤煤質特征與產品要求，床層密度約為1.73 g/cm3，操作氣速取U=7.95 cm/s；以磁鐵礦粉(0.300～0.074 mm，2.36 g/cm3)與玻璃微粉(組成的0.300～0.074 mm，1.14 g/cm3)二元加重質作為流化介質顆粒可以形成密度均勻的氣固流化床層，床層密度波動控制在±0.01g/cm3以內。

2)各主要影響因素對入選煤炭顆粒受力影響顯著性程度依次為顆粒粒徑、浸沒深度與流化氣速。

3)分選過程中，高于床層密度的煤炭顆粒快速下沉，沉降于40 mm床高以下區(qū)域；低于床層密度的煤炭顆粒沿床層表面附近區(qū)域松散、橫向遷移，分布在160 mm以上床高區(qū)域；中間密度顆粒松散、沉降并行，整體分布于45 mm床高以上的床層區(qū)域，綜合分選時間≤8 s，分選可能偏差E約為0.047 g/cm3。