振動氣固流化床分離低品位粉煤性能

李漢峰

（鄂爾多斯市金通礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

由于優質煤炭資源的減少，低階煤的使用在煤炭工業中變得越來越重要[1]。粉煤是儲量最豐富的低階煤[2-3]。我國的煤炭儲量約為4 萬億t，占全球煤炭儲量的40%～60%。低階煤一般灰分低，硫含量低，揮發分高，活性強。粉煤作為低階煤的主要類型，還具有含水率高、變質等級低的不利特性[4]。這些特性使粉煤容易被水降解，排除了在粉煤分離中潛在的水基選礦技術。

基于重介氣固流化床的干煤選礦技術是近年來研究和應用的熱點。印度使用空氣重介流化床分離器成功地進行了干煤選礦，并取得了一些成果。張福明等[5]人重點研究在氣體分布穩定性、密度分布均勻性、分離介質的動力學行為以及雙層床密度層的形成機制。其操作的主要原理是原料按床層密度分層，根據阿基米德原理，較輕的顆粒（清潔煤）漂浮，較重的顆粒（尾礦）下沉。王振銀等[6]研究人員設計并研究生產40～60 t/h 的選礦設備，該設備可以分離6～50 mm 大小的原煤，其誤差為0.05～0.07 g/cm3[6]。然而，1～6 mm 細粒煤的高效分離很難用傳統的流化床進行。因此，通過將振動能或磁能引入傳統流化床，可以極大提高低品位粉煤分離技術。結果表明，采用新型振動流化床或磁性流化床分離器可以顯著提高1～6 mm 細粒煤的分離效率[7]。且振動氣固流化床（VGFB）已被公認為在煤炭選礦行業具有應用潛力的有效分離裝置。

基于此，本文引入振動能量來研究1～6 mm 大小的粉煤在不同操作條件下的偏析。使用實驗室的振動氣固流化床研究1～3 mm 和3～6 mm 低品位粉煤的分離性能。在致密介質氣固流化床中引入振動能量。該裝置被稱為振動氣固流化床，通過振動能量的傳遞以及振動與氣相的相互作用，可以為干煤選礦提供穩定的流態和均勻的密度分布。

1 試驗方案

1.1 試驗設備

實驗振動氣固流化床系統包括送風和控制系統、振動氣固流化床、床層穩定性測量裝置、振動參數調節和控制裝置[8]。制作了直徑120 mm、高度300 mm 的圓柱形有機玻璃流化床，安裝在振動平臺上。壓縮空氣被推入流化床的空氣室，然后通過位于床底的自行設計的氣體分布器將其輸送到床內。氣體分布器由帶有雙層過濾布的微穿孔板組成，具有良好的氣流分布特性。燃氣分布器開口面積占總面積的比例約為28.26%。采用電子傳輸式密度計測量不同位置的床層密度，床的振動幅度和頻率由振動控制和調節系統控制。選取1～3 mm 和3～6 mm兩種低品位粉煤樣品進行分離性能研究。在床層流態化穩定后，將低品位粉煤送入床層。低品位粉煤的分層是基于床層密度分選機制。對各層分選為精煤、中礦和矸石進行了分析，評價了分選效率，并據此優化了操作參數。

1.2 材料

地區煤礦的低品位粉煤顏色一般為黑至褐黑色，條痕黑褐色，暗淡光澤，部分無光澤或土狀光澤，并見有瀝青光澤的鏡煤和亮煤條帶，在煤層層面上多見絲絹光澤的絲炭，比重小，性脆，硬度2 左右。分選介質需要有穩定的密度，這對形成穩定的床層至關重要，是煤炭高效分選的重要因素。易于回收和再利用是分離介質的附加要求[8]。為保證流化床的流態化質量，降低分離介質的制備成本，本研究選用0.074～0.3 mm 的磁粉作為主要分離介質，其實際密度為4.2 g/cm3，容重為2.56 g/cm3，其磁性材料含量和磁化強度分別為99.79%和77.86 Am2/kg。磁粉的物理性質表明，密度分布適宜，磁性物質含量高，有利于在床層中形成穩定的流態，為選煤提供均勻的分選密度。

1.3 試驗方法

在分離試驗中，通過氣體分布器將壓縮空氣均勻地引入床層，使分離介質流態化。達到穩定流態化后，將粉煤樣品送入床層，分離一段時間。流化指標用于檢驗流化床的穩定性，即最小鼓泡速度與最小流化速度之比（Umb/Umf） 。通常，Umb/Umf值越大，床層的流態化穩定性越好。當空氣供應突然關閉時，床立即變得靜止。靜態床層沿軸向從上到下分為五層，收集每一層的樣品，篩選出粉煤原料樣品，以確定質量分數和平均灰分含量[9]。為評價粉煤樣品的分離性能，提出了一個分離指標：

式中：Ai為第i層煤樣的灰分含量；A0為粉煤的初始灰分含量；n為總層數；γi為第i層煤樣的質量分數。S值越大，煤樣的偏析效率越好。

2 結果與討論

2.1 分離時間

當低品位粉煤樣品進入流化床時，需要一定的時間來保證分離效率。因此，分離時間T是影響低品位粉煤樣品分離性能的重要操作因素參數。在Hs=80 mm、U=1.4Umf、K=1.8 的最佳條件下，選取T=30 s、45 s、60 s、75 s、90 s、105 s、120 s、135 s 作為試驗分離時間，考察其對分離效率的影響。

圖1（a）為T=45 s、75 s、105 s 時3～6 mm 大小的低品位粉煤樣品在不同層位灰分的分布情況。H為相對床層高度，從床層頂部到底部分別為5 層（L1～L5），H分別為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。產品灰分分層不同，最上面三層（L1～L3）灰分小于13%，可以認為是精煤；中間層（L4）產物灰分為23%，與進料煤灰分相近，因此，L4 的產品可以認為是中等；底層（L5）灰分含量大于58%，可認為脈石[10]。

圖1 分離時間對煤粉分離效果的影響

圖1（b）為不同粒度粉煤隨分離時間增加的分離結果（Hs為靜態床層高度）。當分離時間T＜ 90 s 時，1～3 mm 和3～6 mm 粉煤樣品分離指標S值逐漸增大。當T=90 s 時，3～6 mm 和1～3 mm 大小的粉煤樣品S值最大，分別為0.65 和0.62。因此，在90 s 后可以達到最佳的分離效率。T＞ 90 s 時，隨著分離時間的增加，S值基本穩定，無明顯變化。因此，分離結果清楚地表明，在足夠的分離時間內，可以獲得良好的分離性能。在本研究中，分離時間T應調整為至少90 s。

靜態床層高度Hs是決定流化床處理能力和分離性能的關鍵參數。因此，在T=100 s、U=1.4Umf）、K=1.8的最佳條件下，通過驗證粉煤樣品的分離效率，確定了合適的靜態層高范圍。

圖2（a）為Hs=50 mm、70 mm、90 mm 時3～6 mm 粉煤樣在層內不同層間灰分分布情況。上面三層（L1～L3）中灰分小于13%的產品為精煤，中間層（L4）中灰分含量約為25%的產物為粉煤。底層（L5）灰分大于59%的產品為脈石。但不同靜態床層高度Hs下，最小流化速度Umf值不同。試驗結果表明，當Hs=50 mm、70 mm、90 mm 時，Umf分別為4.6 cm/s、6.2 cm/s、7.3 cm/s。

圖2 粉煤分離靜態床層高度變化曲線

圖2（b）為不同尺寸、不同靜態層高的粉煤的偏析結果。在30～80 mm 范圍內，隨著Hs的增加，分離S逐漸增大，分離S達到峰值后突然下降，Hs在80～150 mm 范圍內持續增加。這是因為過低的層高不能為粉煤提供足夠的分離空間，導致分離效率降低。但是，如果選擇過高的床層高度，上升氣泡在通過垂直床層時的運動距離會顯著增加。較大氣泡的強烈動力學行為促進了分離介質的回混和聚集，對粉煤的分離產生了負面影響。因此，粉煤產品的再混合發生在不同的層，進一步導致粉煤良好的分離。因此，靜態床層高度Hs應保持在70～90 mm 之間，有利于實現明顯的離析效果。在此條件下，1～3 mm 和3～6 mm 粉煤分離S值分別超過0.63和0.65。Hs=80 mm 時，3～6 mm 和1～3 mm 粉煤S峰值分別為0.68 和0.64。

2.2 振動幅度和頻率

在T=100 s、Hs=80 mm、U=1.4Umf的最佳條件下，選取不同K值（1.0～2.4）考察其對偏析效率的影響。

圖3（a）為K=1.5、1.8、2.0 層 中3～6 mm 大小的粉煤樣品在不同層間灰分的分布情況，說明在不同層間得到了三種不同的產物。S值為0.52、0.66和0.64，表明當K值為1.5～2.0 時，偏析性能較好。

圖3 粉煤分離振動幅度和頻率變化

圖3（b）為不同大小的粉煤在不同振動強度下的偏析結果。兩種大小粉煤樣品的離析度S在K＞ 1.7時逐漸超過0.6，在K=1.8 時達到峰值，然后下降（K＞ 2.0 時尤其迅速）。以振動強度K=1.8 為最佳偏析參數，此時1～3 mm 和3～6 mm 大小的粉煤樣品偏析度最大，分別為0.62 和0.66。因此，隨著各層產物灰分分離程度的降低，粉煤的整體離析性能變差。這種現象的原因可以用振動能量在流化床間隙間的傳遞特性來解釋。通過在流化床中引入振動能量，提高了分離效率。當振動強度K＜ 1.7 時，振動能量不足以使整個床層松動。在這些條件下，粉煤的分離也是不完全的。當振動強度增加到較高水平（K＞ 2.0）時，細分離介質填充層的固結程度較低，細顆粒更容易被激活，流態化氣體更容易通過床層，阻力更小。同時，在較高振動強度下，由于小氣泡的強烈融合，床層容易過度膨脹，產生過多的大尺寸氣泡。氣泡越大，氣相與細小介質顆粒的相互作用越強，導致床層湍流越劇烈，壓降和床層密度波動越大。因此，高振動強度（K＞ 2.0）不利于形成穩定的流化床，其床層膨脹小，活性微氣泡分布均勻，床層壓降穩定，床層密度一致。

2.3 粉煤樣品的外部水分

粉煤是一種外部水分較高的低階煤。粉煤樣品的外部水分（Mf）含量是影響分離效率的重要參數。如果粉煤樣品含有過高的外部水分，則不能實現有效的分離。這是因為水分的滲入會嚴重影響流態化質量，水分會增強細分離介質的顆粒團聚，使氣固兩相的有效相互作用惡化。因此，在T=100 s、Hs=80 mm、U=1.4Umf、K=1.8 的最佳條件下，考察并分析了外部粉煤樣品水分對其離析性能的影響。

通過烘箱干燥不同時間可以得到不同外部水分的粉煤樣品。圖4 為不同體積的粉煤在不同外部水分條件下的分離結果。

圖4 不同粒度粉煤的分離指標（S）隨外界含水率（Mf）的變化

對于3～6 mm 的粉煤，S保持在0.65～0.66 范圍內，Mf＜ 2.5%。相反，當Mf超過2.5%時，偏析效率顯著降低。因此，對于3～6 mm 大小的粉煤，應將Mf干燥至2.5%以下再進行分離。在1～3 mm 大小的粉煤樣品中，Mf＜ 2.0%的外部含水量同樣適合分離。當Mf＜ 2.0%時，分離指標S略有下降，但當Mf超過2.0%時，分離指標S顯著下降。因此，對于1～3 mm 大小的粉煤，Mf也需要干燥到低于2.0%才能獲得良好的分離。在進行分離實驗之前，粉煤樣品需要干燥。

3 結論

1）分離時間足夠、靜層高度適宜、外部含水率較低時，1～6 mm 粉煤的分離性能較好。表面氣速和振動強度對粉煤分離效率有顯著影響。當分離時間≥90 s、靜態床層高度≥80 mm、表面氣速U=（1.4～1.5）Umf、振動強度K=1.8 時，可獲得最佳的分離效果。

2）在DMGS 流化床中引入振動能量，改善了1～6 mm 細粒低階煤的分離性能。振動增強了流動性和床層活性，促進了細介質顆粒的均勻分散。因此，通過振動能量的傳遞以及振動與氣相的有效相互作用，振動氣固流化床可以提供穩定的流態化狀態和均勻的密度分布。