采用Design-Expert優(yōu)化高硫煤搖床脫硫?qū)嶒?yàn)研究

岳增川

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2.朝陽(yáng)師范高等專科學(xué)校 生化工程系，遼寧 朝陽(yáng)122000)

0 引言

高硫煤是指硫含量大于3.0%的煤。在燃燒過(guò)程中，高硫煤中的硫會(huì)以SO2和SO3的形式進(jìn)入大氣中，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，但通過(guò)煤炭的燃前脫硫可以有效的降低這一危害[1]。我國(guó)煤炭中硫主要以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎送膺€有少量的有機(jī)硫和硫酸鹽硫[2]。目前，煤炭的燃前脫硫主要以脫除煤中黃鐵礦為主，黃鐵礦與煤中可燃體組分密度差異明顯，因此，可以通過(guò)重選的方法將之分離脫除。

搖床是一種常用的粗顆粒礦物重選設(shè)備，它通過(guò)分選床面的往復(fù)搖動(dòng)和橫向水流的沖洗作用使礦物按照密度和粒度實(shí)現(xiàn)分選，對(duì)于粒級(jí)為2～0.125 mm的高硫煤具有較好的脫硫效果[3]。但影響搖床分選效果的因素比較多，如入料濃度、沖水量、橫向坡度、沖程、沖次等，沖水量和橫向坡度共同決定橫向水流的流速，沖程和沖次綜合決定著床面運(yùn)動(dòng)的速度與加速度，各因素之間的交互作用影響密切，使得搖床分選過(guò)程調(diào)控難度較高[4]。因此本文利用Design-Expert軟件中的Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對(duì)高硫煤搖床脫硫?qū)嶒?yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于煤炭脫硫完善度的二次方修正模型，同時(shí)利用二維等高線準(zhǔn)確分析了各因素之間的交互作用，求得搖床分選過(guò)程中的最佳操作參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用Dino lite AM3111T便攜式數(shù)碼顯微鏡、ZEISS M1m顯微分光光度計(jì)對(duì)煤樣中無(wú)機(jī)硫的分布與賦存狀態(tài)進(jìn)行了分析，同時(shí)利用島津IFAffinity-1S型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)煤樣中的有機(jī)硫進(jìn)行了分析，測(cè)試范圍：4500～400 cm-1，掃描次數(shù)：32次，樣品與KBr比例：1比160，分辨率：4 cm-1；數(shù)據(jù)間隔：1.929 cm-1。通過(guò)篩孔尺寸為2、0.9、0.45、0.3、0.15 mm的標(biāo)準(zhǔn)套篩和由苯、四氯化碳、三溴甲烷按一定比例配制的密度為1.3、1.4、1.5、1.6、1.8 g/cm3的有機(jī)重液對(duì)實(shí)驗(yàn)所用高硫煤煤樣進(jìn)行了粒度和密度分析。全硫、黃鐵礦硫、灰分的測(cè)定分別參照GB/T214-1996《煤中全硫的測(cè)定方法》、GB/T215-1996《煤中各種形態(tài)硫的測(cè)定方法》、GB/T212-1991《煤的工業(yè)分析方法》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

搖床分選實(shí)驗(yàn)選用 RK/LY-1100×500變頻搖床，給礦濃度為150 g/L，實(shí)驗(yàn)參數(shù)主要包括沖水量、橫向坡度、沖程、沖次等四個(gè)因素。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design-Expert軟件中的Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案按四因素、三水平對(duì)該搖床脫硫?qū)嶒?yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)因素及水平見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素及水平

以脫硫完善度作為正交實(shí)驗(yàn)響應(yīng)值R，其表達(dá)式為

式中，R為脫硫完善度，%；γp為精煤產(chǎn)率，%；Spf為入料全硫硫分，%；Spp為精煤全硫硫分，%；Af為入料灰分，%

2 煤樣性質(zhì)分析

由煤中黃鐵礦的數(shù)碼顯微照片與煤巖顯微照片(圖1)可知，煤樣中無(wú)機(jī)硫主要以黃鐵礦的形式存在，多數(shù)黃鐵礦顆粒單體解離度較高，且顆粒粒度較大，這部分黃鐵礦通過(guò)可重選較易脫除。但少量黃鐵礦以細(xì)小片狀或散點(diǎn)狀形態(tài)嵌布于有機(jī)質(zhì)中，該部分黃鐵礦很難通過(guò)重選法直接脫除[5-6]。由煤泥紅外光譜譜圖(圖2)可知，551 cm-1為-S-S-、-SH，為煤中有機(jī)硫的主要來(lái)源，914、1032.7 cm-1為高嶺土等粘土類無(wú)機(jī)礦物，含量較多，為煤中灰分的主要來(lái)源[7]。

圖1 煤中黃鐵礦的數(shù)碼顯微照片與煤巖顯微照片 圖2 煤樣的紅外分析譜圖

由煤樣粒度和密度分析結(jié)果(表2、3)可知，該煤樣全硫硫分高于3%，屬于高硫煤；煤樣粒度在2～0.15 mm之間，主導(dǎo)粒級(jí)為0.9～0.45 mm，煤樣的灰分與硫分均隨粒級(jí)的降低而升高；-1.4 g/cm3與+1.6 g/cm3密度級(jí)樣品含量較高，煤中可燃體組分與無(wú)機(jī)礦物組分解離較為充分，樣品中黃鐵礦硫含量占全硫的90%以上，可知該煤樣較適合通過(guò)搖床進(jìn)行重選脫硫。

綜合以上分析可知：該樣品可通過(guò)重選較易的脫除多數(shù)硫分，但由于有機(jī)組分中含有部分細(xì)小片狀或散點(diǎn)狀分布的黃鐵礦，以及有機(jī)硫的存在，進(jìn)一步深度脫硫比較困難。

表2 煤樣粒度分析表

表3 煤樣密度分析表

3 搖床分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Box-Behnken實(shí)驗(yàn)方案總共包含29組實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見表4。

表4 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

3.2 回歸模型的建立與分析

通過(guò)對(duì)線性、2FI、二次方程、三次方程模型的方差、擬合缺陷比較以及四種模型的綜合統(tǒng)計(jì)分析，最終發(fā)現(xiàn)二次方程模型的F值最大，Prob>F值最小，可知該擬合模型較其他三種模型能更為顯著，可以較為準(zhǔn)確的反映脫硫完善度與各因素之間的關(guān)系。由實(shí)際值表示的脫硫完善度方程為：

R=-98.26+6.95 A+29.74 B-0.05 C+10.41 D-0.98AB+0.01 AC+0.05 AD-0.01 BC-0.08 BD-0.01 CD-0.71 A2-2.28 B2+0.00017C2-0.31D2

表5為編碼條件下的二次方程模型各項(xiàng)參數(shù)估計(jì)與置信度分析。各項(xiàng)參數(shù)估計(jì)值的絕對(duì)值大小與各因素對(duì)響應(yīng)值的影響程度呈正比[8]，由此可知單因素對(duì)脫硫完善度影響程度的大小順序?yàn)椋築>A>D>C，各因素交互作用對(duì)脫硫完善度影響程度的大小順序?yàn)椋篈B>AC>BC>BD>CD>AD。各項(xiàng)參數(shù)估計(jì)值的正負(fù)代表各項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值的效應(yīng)方向，據(jù)此可知，AC、AD、C2為正效應(yīng)，其他項(xiàng)均為負(fù)效應(yīng)。

表5 編碼條件下的二次方程模型參數(shù)估計(jì)與置信度分析

根據(jù)所選定的模型，作出了內(nèi)在學(xué)生化殘差預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的關(guān)系圖。如圖3所示，29組預(yù)測(cè)值與實(shí)際值呈直線對(duì)應(yīng)關(guān)系，可見該模型擬合效果較好，預(yù)測(cè)值較為可靠。

圖3 內(nèi)在學(xué)生化殘差預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比

3.3 響應(yīng)面分析

圖4為因素間二階交互作用的響應(yīng)面等高線圖，圖中除各圖對(duì)比分析的兩因素外，另外兩因素取值一定，為實(shí)驗(yàn)中各因素0水平的對(duì)應(yīng)值。該圖可以直觀地反映各因素及其交互作用對(duì)脫硫完善度R的影響結(jié)果[9]。依次分析AB、AC、AD、BC、BD、CD因素的二階交互作用響應(yīng)面等高線圖可知：當(dāng)因素A取值小于7 L·min-1時(shí)，響應(yīng)值R隨因素B取值變化而產(chǎn)生的單步長(zhǎng)變化幅度非常大，且等高線均為橢圓形，可知AB因素交互作用對(duì)響應(yīng)值R的影響非常顯著，且在AB交互作用下因素B的影響顯著性高于因素A；當(dāng)因素C取值小于351次·min-1時(shí)，響應(yīng)值R隨因素A取值的增加而先增后減，變化幅度較為顯著，可見AC交互作用對(duì)響應(yīng)值R的影響較為顯著，且以因素A為主導(dǎo)；AD因素交互作用響應(yīng)面等高線變化幅度較小，可見AD因素交互作用對(duì)響應(yīng)值R的影響顯著性較低，但就單因素而言因素A的影響顯著性高于因素D；當(dāng)因素B取值確定時(shí)，因素C取值對(duì)響應(yīng)值R基本無(wú)影響，但BC因素交互作用對(duì)響應(yīng)值R影響具有較高的顯著性；因素D取值在10.6～15.2 mm時(shí)，響應(yīng)值R隨因素B取值的增加而先增加后減小，BD因素交互作用對(duì)響應(yīng)值R的影響具有一定顯著性且以因素B為主導(dǎo)；CD因素交互作用對(duì)響應(yīng)值R的影響顯著性較低，但因素D響應(yīng)值R的影響顯著性明顯高于因素C。綜合來(lái)看，響應(yīng)面分析所得的單因素與各因素交互作用對(duì)脫硫完善度影響程度的大小順序與回歸模型參數(shù)估計(jì)值所確定的結(jié)果是一致的，即橫向水流的流速對(duì)脫硫完善度影響程度的顯著性要高于床面的運(yùn)動(dòng)速度與加速度。

圖4 因素間二階交互作用響應(yīng)面等高線圖

此外，因素間二階交互作用的響應(yīng)面等高線圖還可以預(yù)測(cè)取得最佳脫硫完善度R時(shí)的各影響因素的取值范圍[6]。綜合分析圖4可知，各影響因素的最佳取值范圍應(yīng)為：因素A取值低于5.35 L·min-1，因素B取值在3.8～4.9°之間，因素C低于351次·min-1，因素D取值在12.5～14.0 mm之間。

3.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

以脫硫完善度為優(yōu)化指標(biāo)，目標(biāo)為其最大值，軟件所推薦的前7個(gè)優(yōu)化方案見表6。

表6 推薦優(yōu)化參數(shù)方案

結(jié)合搖床各操作參數(shù)的實(shí)際操作精度，在軟件所推薦的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩組較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與由回歸模型計(jì)算所得的理論值見表7。

表7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明實(shí)際脫硫完善度與理論脫硫完善度基本一致，可見軟件所建立的二次方模型準(zhǔn)確可靠。最終確定最佳實(shí)驗(yàn)條件為：沖水量5.1 L·min-1，橫向坡度4.5°，沖次325次·min-1，沖程取值13 mm，此時(shí)脫硫完善度為41.79%。

4 結(jié)論

(1)利用顯微鏡和紅外光譜儀，結(jié)合篩分和浮沉實(shí)驗(yàn)，分析了煤樣中硫分的分布規(guī)律與賦存狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)該樣品中硫分以黃鐵礦硫?yàn)橹?，且單體解離度較高，可通過(guò)搖床重選脫除大部分硫分，但進(jìn)一步深度降硫比較困難。

(2)通過(guò)Design-Expert 系統(tǒng)中的Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了高硫煤的搖床脫硫?qū)嶒?yàn)，以脫硫完善度為響應(yīng)值，建立并優(yōu)化了其與沖水量、橫向坡度、沖程、沖次之間的二次方模型。

(3)分析了因素對(duì)響應(yīng)值的影響顯著程度，其中，單因素對(duì)脫硫完善度影響程度大小順序?yàn)椋篈(橫向坡度)>B(沖水量)>C(沖程)>D(沖次)，各因素交互作用對(duì)脫硫完善度影響程度大小順序?yàn)椋篈B>AC>BC>BD>CD>AD。

(4)以脫硫完善度為優(yōu)化指標(biāo)，目標(biāo)為其最大值，得到最佳試驗(yàn)條件：沖水量5.1 L·min-1，橫向坡度4.5°，沖次325次·min-1，沖程13 mm，此時(shí)脫硫完善度為41.79%。優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果吻合良好。