多粒級加重質(zhì)流化特性的實(shí)驗(yàn)研究

丁淑芳， 韋魯濱， 全金峰， 李子文， 陳俊濤

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.中國礦業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

空氣重介質(zhì)干法分選原理是，利用氣－固流化床的似流體性質(zhì)，以氣－固兩相混合物作為分選介質(zhì)，以微細(xì)顆粒作為固體加重質(zhì)，在流化床中形成一種具有一定密度的均勻穩(wěn)定的氣－固懸浮體，即流化床層[1－2]，實(shí)現(xiàn)固體物料的分選。固體顆粒的性質(zhì)直接影響流化質(zhì)量，如顆粒的密度、粒度及其分布，顆粒的形狀及表面特性等[3－4]。根據(jù)顆粒分類法[5]，粒徑不同旳顆粒組成的多組分物料比單一粒度組成的物料表現(xiàn)出更好的流化行為[6－7]。因此，筆者根據(jù)顆粒的性質(zhì)及級配原則，將不同粒級的加重質(zhì)顆粒混合，拓寬加重質(zhì)的粒級范圍，研究多組分顆粒的流化特性，以利于形成均勻穩(wěn)定的流化床層，提高分選效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置是由有機(jī)玻璃制成的截面積為200 mm×200 mm的正方形斷面體構(gòu)成的，系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、流化床床體和數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)組成，如圖1所示。動力系統(tǒng)由空氣、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)包組成。鼓風(fēng)機(jī)提供風(fēng)源，利用控制閥門調(diào)節(jié)進(jìn)入裝置的風(fēng)量及風(fēng)壓，并經(jīng)風(fēng)包穩(wěn)壓后進(jìn)入布風(fēng)板，氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計及調(diào)速閥門控制。檢測系統(tǒng)由U形壓差計組成，用于測定床層壓。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of model

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粒度分析

實(shí)驗(yàn)采用的加重質(zhì)是磁鐵礦粉。根據(jù)文獻(xiàn)[8－9]，選用粒級分布差別較大的加重質(zhì)A和D按不同比例混合，放入實(shí)驗(yàn)裝置后，選擇合適的氣速，使床層處于最佳流化狀態(tài)[10]。具體方法是，以加重質(zhì)A為主，加入加重質(zhì)D配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的混合加重質(zhì)Ⅰ。混合物的總重約為14.4 kg。保證實(shí)驗(yàn)所用的加重質(zhì)總量基本不變，每次實(shí)驗(yàn)從已混合的加重質(zhì)中取出一定量的試樣，然后按比例計算出所需加的量。依次配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、30%、40%、50%的混合加重質(zhì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

將級配后的多粒級加重質(zhì)(以加重質(zhì)Ⅱ?yàn)樵嚇?放入實(shí)驗(yàn)裝置中，調(diào)節(jié)氣速，使其完全流化，然后緩慢降低氣速，并調(diào)至零，使實(shí)驗(yàn)的初始條件處于同一水平，測得靜床高度為15.0 cm。床層初始化后重新將氣速調(diào)至實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，流化10 min，待到沿床高各測壓點(diǎn)的壓差值無變化時，記錄此時的流化床高和各鄰近點(diǎn)的壓差值，然后，突然關(guān)閉氣源，使床內(nèi)的流化顆粒迅速“凍結(jié)”，待氣體全部釋放后，將床中的物料自上而下分五層取樣，余下最后一層。每一層試樣均經(jīng)天秤稱重，并計算產(chǎn)率值。根據(jù)粒度分析結(jié)果，確定125 μm為分級粒度，對采樣后的試樣進(jìn)行縮分和篩析，篩上產(chǎn)物為粗顆粒(＞125 μm)，篩下產(chǎn)物為細(xì)顆粒(＜125 μm)，選取流化后、均勻鼓泡以及床層返混現(xiàn)象明顯時的氣速作為實(shí)驗(yàn)氣速，分別為6.60、8.68、12.15 cm/s。由于床層“凍結(jié)”后，各氣速下的固定床與其相應(yīng)的流化床床高相差很大，為正確描述床層流化時各氣速下磁鐵礦粉粒度沿床高的分布情況，對床高進(jìn)行無因次化處理。

1.2.2 流化特性分析

將混合加重質(zhì)物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別放入流化實(shí)驗(yàn)裝置中，調(diào)節(jié)風(fēng)壓、風(fēng)速，使流化床層處于最佳的流化狀態(tài)，流化一定時間后，利用降低流速的方法測定床層密度，通過壓差計讀取床層的壓降，研究其流化特性。

1.2.3 分選實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取當(dāng)量直徑為13 mm且分有七個密度級(分別為 1.3～1.4，1.4～1.5，1.5～1.6，1.6～1.7，1.8～1.9，1.9～2.0，2.0～2.1 g/cm3)的示重塊，每個密度級的示重塊取20粒。分選氣速仍按由大到小的方式調(diào)節(jié)。由于氣速剛達(dá)到起始流化速度時，床層活性很小，絕大多數(shù)示重塊均分布在床層上部，因此，實(shí)驗(yàn)分選時的最小操作氣速將大于起始流化速度。一般選擇床層已經(jīng)充分膨脹，肉眼只觀察到床層表面局部鼓泡為開始分選氣速。參考文獻(xiàn)[5]在5.00、5.33、5.67、6.94 cm/s氣速下進(jìn)行分選實(shí)驗(yàn)。在各氣速下將示重塊散布在流化床中，加入示重塊的分選時間分別為60、90、120 s，然后突然關(guān)閉氣閥，使床層迅速“凍結(jié)”。待其靜止后，沿床層高度自上而下分三層采樣，采樣后通過格篩將示重塊與加重質(zhì)顆粒分離，記錄下各層不同密度級的示重塊數(shù)目，重復(fù)兩次，然后進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理時取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度組成

表1給出了多粒級加重質(zhì)的粒度分布，其中，w為細(xì)粒級顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x為各粒級的數(shù)量百分比。

計算時，顆粒的粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差定義為無因次粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差。細(xì)顆粒作用因子是表征粒度比體系中顆粒平均粒徑小的顆粒作用大小的無因次因子。為了更準(zhǔn)確地衡量細(xì)顆粒作用因子，利用粒度累積分布曲線計算細(xì)顆粒作用因子Fd。采用平均粒徑ˉdp、粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差Sd和細(xì)顆粒作用因子Fd表征磁鐵礦粉的粒度組成情況，如表2所示。

表1 多粒級加重質(zhì)的粒度分布Table 1 Particle size distribution of multi-size fraction dense medium %

表2 多粒級加重質(zhì)的粒度分布參數(shù)Table 2 Particle size distribution parameters of multisize fraction dense medium

從表1、2可以看出，級配后加重質(zhì)顆粒形成寬粒級分布，粒度分布范圍較寬，加重質(zhì)Ⅲ的主導(dǎo)粒級43～300 μm，約占97.768%，粒級分布均勻，流化性能比較好，能夠保證床層均勻穩(wěn)定性，有利于分選。隨著細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，平均粒徑逐漸減小，粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差增加，細(xì)顆粒作用因子整體趨勢增加。

2.2 粒度分布

研究流化后加重質(zhì)沿床高的粒度分布情況，分析床層的均勻性和穩(wěn)定性，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，其中，w'為粗粒磁鐵礦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，k為無因次床高。從圖2可以看出，隨著氣速的增大，粗粒磁鐵礦粉沿床高的粒度分布曲線逐漸趨于平緩，說明流化后底部粗粒含量較低，混合程度趨于完全。根據(jù)顆粒沉降理論及重介分層理論，顆粒按各自的干擾沉降速度分層，會造成粗而重的顆粒沉積在底部，細(xì)而輕的顆粒分布在上層，隨著氣速的增大，顆粒本身會產(chǎn)生粒度離析，但當(dāng)顆粒完全流化后，流化生成的大量氣泡以及尾渦運(yùn)動夾帶加重質(zhì)顆粒，又致使其趨于相互混合。而且，隨著流化氣速的增大，粗細(xì)顆粒在床內(nèi)的混合程度增加，沿床高的分布逐漸趨于均勻。這就說明多粒級加重質(zhì)在流化床內(nèi)完全流化后具有較好的流化特性，能形成均勻穩(wěn)定的流化床層，為獲得良好的分選效果提供一定的基礎(chǔ)。

圖2 加重質(zhì)Ⅱ中粗粒(＞125 μm)磁鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時沿流化床高的粒度分布Fig.2 Fluidized bed particle size distribution when coarse magnet(＞125 μm)content of dense mediumⅡis 80%

2.3 流化特性

圖3是寬粒級加重質(zhì)的床層密度分布與流化氣速的關(guān)系曲線。文中對級配后多粒級加重質(zhì)的主要流化特性參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果如表3所示，其中，vbf為開始流化速度，vtf為最終流化速度，ρb為床層密度，ρd為堆密度，R為床層膨脹率。

從圖3、表3可以看出，隨著流化氣速的增加，各混合加重質(zhì)的流化床層的平均密度逐漸增大，達(dá)到最大后，又隨著氣速的增大，逐漸下降，然后又逐漸趨于穩(wěn)定。而且，隨細(xì)顆粒添加比例的增加，顆粒

圖3 寬粒級加重質(zhì)的床層密度分布與流化氣速的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between density distribution and gas velocity offluidization with multi-sizefraction dense medium

表3 多粒級加重質(zhì)的主要流化特性參數(shù)Table 3 Main fluidization characteristic parameters of multi-size fraction dense medium

的平均粒徑減小，起始流化速度降低，床層膨脹率也在降低，并在一定的流化氣速范圍內(nèi)達(dá)到良好的流化狀態(tài)。可見，若要得到均勻穩(wěn)定的流化床以適合分選，加重質(zhì)粒度必須控制在一定的范圍內(nèi)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，以加重質(zhì)A主導(dǎo)，添加加重質(zhì)D的質(zhì)量不宜超過50%，且30%為最佳。這是由于磁鐵礦粉中含有適量的細(xì)顆粒時，細(xì)粒子能起到類似于潤滑劑的作用，減少了非正常流化現(xiàn)象，床層的均勻性要比相同粒徑的磁鐵礦粉所形成的床層均勻性好。可見，較寬粒級組成的混合加重質(zhì)作為分選介質(zhì)，能夠保證流化床層的均勻穩(wěn)定，有助于改善流化質(zhì)量，提高分選精度。

2.4 分選效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證多粒級分布加重質(zhì)的流化床有助于改善分選效果，選取不同密度不同顏色的柱狀示重塊代替煤，利用上述加重質(zhì)進(jìn)行分選實(shí)驗(yàn)。

選取分配密度ρ50和可能偏差值Ep作為分選效果的評定指標(biāo)。以分選密度為橫坐標(biāo)，沉物在本密度物中所占百分比(ε)為縱坐標(biāo)繪制各層累積沉物分配曲線。為了增強(qiáng)不同條件下分選效果的可比性，將第一層中的示重塊作為輕產(chǎn)物，其余兩層作為重產(chǎn)物。圖4是以第一層作為輕產(chǎn)物的沉物分配曲線。表4給出了各氣速下沿床高各層產(chǎn)物的分選密度 ρ50和 Ep值。

圖4 不同氣速、時間條件下以第一層為輕產(chǎn)物的沉物分配曲線Fig.4 Distribution graph of taking first floor material as float with different gas velocity and different time

表4 不同氣速下沿床高各層產(chǎn)物的分配密度ρ50和Ep值Table 4 Distribution density ρ50and Epvalues of each product along bed high with different gas velocity

由圖4和表4可知，分選時間是影響分選效果的因素之一。各分選氣速下，分選時間為60 s時，均無法計算Ep值，說明在較短的分選時間內(nèi)分選效果不好，無法進(jìn)行評價。這是由于分選時間太短，示重塊來不及沉降所致。隨著氣速和分選時間的增加，Ep值相應(yīng)地減小。在其他操作參數(shù)均不變的情況下，增加分選時間至90 s時，氣速為5.00 cm/s的Ep值為0.080，氣速為6.94 cm/s的 Ep值為0.090，氣速為5.67 cm/s的Ep值為0.030，分選密度為1.92 cm/s，基本接近床層的密度，適合流化床分選。這是由于流化床在進(jìn)行分選時，分選不僅要考慮操作氣速，還必須考慮分選的時間，分選時間的長短決定錯配效應(yīng)。分選時間為90 s時，分選密度下降，可能偏差值Ep總體有所下降，床層密度基本穩(wěn)定，適合分選，其效果最佳。將分選時間增至120 s，可觀察到床層膨脹，流動性能較好，雖然此時的加重質(zhì)顆粒的混合程度加強(qiáng)，但床層較不穩(wěn)定，形成的床層密度較大，可能偏差值Ep也增大，無法保證分選效果。

圖5給出了各氣速條件下分選時間為90 s時的沉物分配曲線。

圖5 各氣速條件下分選90 s時的沉物分配曲線Fig.5 Distribution graph of fall out with separation time 90 s and different gas velocity

從圖5可知，流化床在適合分選氣速范圍內(nèi)分選效果最佳，即氣速為5.67 cm/s時，Ep值為0.030，分選效果最好，可見，寬粒級分布加重質(zhì)顆粒具有良好的流化特性和分選特性。

3 結(jié)論

(1)在一定粒度范圍內(nèi)，細(xì)粒級寬分布的顆粒有利于改善流化質(zhì)量。隨著細(xì)粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合加重質(zhì)顆粒的完全流化速度降低，床層的膨脹率也降低。寬粒級分布加重質(zhì)，隨著氣速的增大，沿床高的粒度組成沒有發(fā)生任何變化，底部粗粒含量較低，混合程度趨于完全?；旌虾蟮募又刭|(zhì)隨著氣速的增大不產(chǎn)生粒度離析，且沿床高的分布是均勻的。

(2)粒度不同的兩種加重質(zhì)配比，粗顆粒中細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過50%，且30%為最佳。

(3)較寬粒度范圍的加重質(zhì)具有良好的流化特性和分選特性，在適合分選氣速范圍內(nèi)，床層穩(wěn)定，能取得較好的分選效果。在氣速為5.67 cm/s，分選時間為90 s時，流化床的分選精度較高，Ep值為0.030。

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