干法重介質(zhì)流化床多元加重質(zhì)流化特性與低質(zhì)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(guó)家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]。我國(guó)2/3以上煤炭資源分布在西部干旱缺水地區(qū)[2-4]，傳統(tǒng)的濕法分選技術(shù)嚴(yán)重受限，干法分選逐漸成為研究重點(diǎn)[5-6]?；跉?固兩相流的流態(tài)化干法分選技術(shù)是通過上升氣流與加重質(zhì)顆?；旌闲纬蓺夤塘骰矊?，煤由于自身的密度與床層密度的差異呈不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：低于床層密度的精煤上浮，高于床層密度的矸石下沉，實(shí)現(xiàn)分選[7-9]。干法選煤技術(shù)采用空氣代替水[10-11]，無煤泥水污染、成本低、優(yōu)勢(shì)明顯。因此，研究和推廣氣固流化床干法選煤技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

加重質(zhì)是干法重介質(zhì)流化床床層的主要物質(zhì)，加重質(zhì)的物性特征與組成決定流化床分選性能[12]。很多學(xué)者采用不同加重質(zhì)開展了干法重介質(zhì)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(zhì)，ZENNOSUKE等[15-16]采用CaCO3、玻璃珠等作為加重質(zhì)，但流化床密度波動(dòng)大，分選穩(wěn)定性差。駱振福等[17]通過加重質(zhì)改性改良加重質(zhì)表面潤(rùn)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(zhì)的粒級(jí)組成，優(yōu)化了加重質(zhì)粒度結(jié)構(gòu)。劉昆侖[19]采用硼鐵礦粉作為加重質(zhì)，對(duì)13～6 mm粒級(jí)煤進(jìn)行有效分選，分選可能偏差E=0.075。

筆者重點(diǎn)研究了二元窄粒級(jí)、二元寬粒級(jí)及三元加重質(zhì)在流化床中的流化特性，深入分析加重質(zhì)性質(zhì)對(duì)干法重介質(zhì)流化床分選效果的影響，為優(yōu)化干法重介質(zhì)流化床中加重質(zhì)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 分選系統(tǒng)

干法重介質(zhì)流化床試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要分為供風(fēng)與除塵裝置、流化床和測(cè)試裝置。供風(fēng)裝置由鼓風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐、壓力表、流量計(jì)及閥門組成，為流化床提供動(dòng)能。流化床為礦物提供分選環(huán)境，床體長(zhǎng)×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(yè)濾布構(gòu)成，以保證床體供風(fēng)均勻。測(cè)試系統(tǒng)由壓力傳感器和測(cè)壓管組成，壓力傳感器安裝于床體側(cè)壁上，由測(cè)壓管計(jì)數(shù)。在氣體分布器上部20 mm處的流化床邊壁設(shè)置第1個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，依次向上，每隔40 mm增設(shè)1個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。試驗(yàn)過程中流化床產(chǎn)生的粉塵由除塵系統(tǒng)收集，防止污染環(huán)境。

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

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(wěn)定流化區(qū)域，床層膨脹率與流化氣速呈正相關(guān)關(guān)系，膨脹率越大，表明床層密度可調(diào)節(jié)性越大。

1.2.2床層壓降

床層壓降P的計(jì)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(jié)果和討論

2.1 單一加重質(zhì)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(zhì)。試驗(yàn)在靜床高160 mm、風(fēng)壓0.02 MPa條件下，對(duì)74～45、150～74和300～150 μm粒級(jí)的磁鐵礦粉及125～74、150～125和300～150 μm粒級(jí)的硼鐵礦粉進(jìn)行流化試驗(yàn)，考察流化特性和床層密度穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2、3可知，74～45 μm粒級(jí)的磁鐵礦粉在氣速1.1 cm/s時(shí)，床層壓降達(dá)到最大值；氣速增至1.47 cm/s時(shí)，固定床逐漸轉(zhuǎn)化為流化床；氣速在1.96～2.94 cm/s時(shí)，床層膨脹率在9.33%～11.33%，床面均勻涌現(xiàn)較小尺寸的氣泡，床層密度波動(dòng)小，具有較好的流化活性。150～74 μm粒級(jí)的磁鐵礦粉在氣速3.67～4.16 cm/s時(shí)，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(jí)的磁鐵礦粉在氣速9.80～12.24 cm/s時(shí)，床層膨脹率在4.67%～10.00%，床層密度穩(wěn)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(dòng)，甚至出現(xiàn)噴涌，返混也越發(fā)嚴(yán)重，流化狀態(tài)逐漸惡化。125～74 μm粒級(jí)的硼鐵礦粉在氣速為13.18～15.07 cm/s時(shí)，床層膨脹率在12.86%～14.29%，床層壓降波動(dòng)較小，床層密度較穩(wěn)定，流化效果較理想。150～125 μm粒級(jí)硼鐵礦粉在氣速為10.36～12.24 cm/s時(shí)，床層膨脹率在16.25%～17.50%，床層壓降波動(dòng)較小，床層表面均勻鼓小泡，床層密度較穩(wěn)定，流化效果較理想。300～150 μm粒級(jí)硼鐵礦粉在流化氣速為3.58～4.14 cm/s時(shí)，床層膨脹率在12.50%～18.75%，流化床活性繼續(xù)增大，床層壓降波動(dòng)較小，床層表面均勻鼓小泡，床層密度較穩(wěn)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(zhì)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(qiáng)，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(dǎo)致床層流化紊亂，流化質(zhì)量降低。故在流化床分選過程中應(yīng)合理控制流化氣速，保證流化效果。

2.2 多元加重質(zhì)流化特性

以單一硼鐵礦粉與磁鐵礦粉作為加重質(zhì)流化時(shí)，不同粒級(jí)組成下均具有良好的流化效果，但加重質(zhì)粒級(jí)范圍窄，制備成本高?；诟蓴_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(dǎo)致沉降末速相差較大。在趙嘉博等[7]研究的基礎(chǔ)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(zhì)量分?jǐn)?shù)混合形成二元加重質(zhì)，研究其流化特性。每組硼鐵礦粉與磁鐵礦粉的質(zhì)量比均取1∶4、1∶2、1∶1、2∶1和4∶1，試驗(yàn)結(jié)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(xì)粒級(jí)加重質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，最小流化氣速降低，流化曲線整體左移。這是由于細(xì)粒級(jí)加重質(zhì)占比增大導(dǎo)致混合加重質(zhì)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(zhì)流化床層壓降波動(dòng)均較小，流化效果較好。說明在適當(dāng)氣速范圍內(nèi)，2種粒級(jí)的硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉的質(zhì)量比可在較大范圍內(nèi)調(diào)整。

在介質(zhì)制備過程中，窄粒級(jí)的硼鐵礦粉產(chǎn)率較低，在實(shí)際選煤過程中，制備大量窄粒級(jí)的介質(zhì)較困難，且會(huì)造成介質(zhì)浪費(fèi)，成本增大。為此，有必要拓寬硼鐵礦粉粒級(jí)，對(duì)寬粒級(jí)二元加重質(zhì)的流化特性進(jìn)行研究。根據(jù)劉昆侖等[19]研究成果，將硼鐵礦粉150～125 μm和125～74 μm兩個(gè)粒級(jí)按照7∶3配成組合粒級(jí)150～74 μm，將300～150 μm和150～74 μm按照3∶1配成組合粒級(jí)300～74 μm。300～74 μm粒級(jí)的硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉按質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.09%、16.67%、20.00%、33.33%、50.00%、66.67%、80.00%、83.33%和90.91%，試驗(yàn)結(jié)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(gè)粒級(jí)的硼鐵礦粉在9種質(zhì)量比的流化質(zhì)量均相對(duì)穩(wěn)定，床層密度波動(dòng)均較穩(wěn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50.00%時(shí)，床層壓降波動(dòng)更小，返混現(xiàn)象小，床層密度均勻穩(wěn)定，尤其是300～74 μm硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.00%、83.33%和90.91%時(shí)，床層密度更加穩(wěn)定。因此在適當(dāng)?shù)臍馑俜秶鷥?nèi)，這2個(gè)粒級(jí)的配比在較寬范圍內(nèi)調(diào)整，均可達(dá)到穩(wěn)定的流化狀態(tài)。寬粒級(jí)二元加重質(zhì)混合時(shí)，穩(wěn)定流化后的流化曲線隨細(xì)粒級(jí)增多而波動(dòng)加劇，難以形成穩(wěn)定的分選環(huán)境。

在干法重介質(zhì)流化床干法選煤過程中會(huì)混入煤粉，導(dǎo)致床層流化質(zhì)量變化，這是硼、磁鐵礦粉可否用作多元加重質(zhì)顆粒的關(guān)鍵依據(jù)。在保證流化床密度均勻穩(wěn)定的前提下，300～74 μm硼鐵礦粉與74～45 μm磁鐵礦粉質(zhì)量比設(shè)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(zhì)流化特性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的三元加重質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，三元加重質(zhì)的流化曲線逐漸右移，說明隨煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，起始流化速度呈增大趨勢(shì)，符合不同粒度加重質(zhì)起始流化速度的變化規(guī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加相當(dāng)于增加了三元加重質(zhì)的平均粒度，使起始流化速度逐漸增大。

2.3 多元加重質(zhì)臨界流化氣速與混合/分離

對(duì)于實(shí)際操作的流化床，若使加重質(zhì)床層在氣流作用下完全流化，操作氣速必須達(dá)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(tài)和流化態(tài)的曲線進(jìn)行線性關(guān)聯(lián)，可得到二元加重質(zhì)起始流化速度Umf與加權(quán)算術(shù)平均粒度ds的關(guān)系。采用Origin7.5軟件對(duì)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(duì)應(yīng)值進(jìn)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(zhì)Umf與ds的關(guān)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(jí)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(yàn)值與模型曲線吻合很好，說明該回歸模型可用。

為了進(jìn)一步分析二元加重質(zhì)在干法重介質(zhì)流化床中的分布，將各粒級(jí)、各質(zhì)量比的二元加重質(zhì)流化穩(wěn)定后，立刻停機(jī)，沿床層軸向自上而下，間隔40 mm逐層采樣，檢測(cè)每層中硼鐵礦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(δ′)和相對(duì)極差(L′)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差及相對(duì)極差與硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉分層現(xiàn)象相對(duì)減弱，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉混合的均勻程度隨硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)80%時(shí)，二者已混合較均勻。實(shí)際生產(chǎn)中，可通過改變寬粒級(jí)硼鐵礦粉粒度組成來調(diào)整硼鐵礦粉在床層中總的分布，改善床層密度均勻穩(wěn)定性。

根據(jù)床層頂部與底部的密度差分析不同煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的三元加重質(zhì)流化床密度的均勻穩(wěn)定性，如圖9所示。

圖9 頂部與底部床層密度差與煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship of density difference between top andbottom beds and pulverized coal content

由圖9可知，煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過15%時(shí)，床層上、下部的密度差異較小，三元加重質(zhì)流化床密度均勻；煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)17.5%時(shí)，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(wěn)定性變差；另一方面，流化床中的部分煤粉同時(shí)處于被分選狀態(tài)，導(dǎo)致分層。煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，分層越嚴(yán)重，流化狀態(tài)越差，密度波動(dòng)陡增。

2.4 低質(zhì)煤分選效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證多元加重質(zhì)的干法重介質(zhì)流化床的分選效果，在300～74 μm硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.00%、流化氣速為5.65 cm/s條件下進(jìn)行原煤分選試驗(yàn)。選取13～6 mm粒級(jí)原煤，每次試驗(yàn)的分選時(shí)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(jì)算原煤及加重質(zhì)的質(zhì)量和產(chǎn)率，分選結(jié)果如圖10所示。

圖10 低質(zhì)煤分選結(jié)果Fig.10 Low quality coal separation results

由圖10可知，13～6 mm原煤經(jīng)多元加重質(zhì)流化床分選后可得到灰分10.95%、產(chǎn)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(chǎn)物中的分配率逐漸升高。

3 結(jié) 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(jí)的磁鐵礦粉和300～150、150～125和125～74 μm粒級(jí)的硼鐵礦粉均能達(dá)到良好的流化狀態(tài)。隨加重質(zhì)粒度減小，起始流化氣速顯著降低，膨脹性能逐漸增強(qiáng)。

2)二元加重質(zhì)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(shí)，其混合的均勻程度隨硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高。300～74 μm粒級(jí)硼鐵礦粉與74～45 μm粒級(jí)磁鐵礦粉在9種不同質(zhì)量比條件下，床層壓降均較穩(wěn)定。其中，300～74 μm硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50.00%時(shí)，床層壓降波動(dòng)更小，床層密度均勻穩(wěn)定，隨著硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，硼鐵礦粉與磁鐵礦粉分層現(xiàn)象相對(duì)減弱。

3)隨著煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，三元加重質(zhì)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(wěn)定性，三元加重質(zhì)中煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過15%。300～74 μm硼鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.00%時(shí)，13～6 mm原煤在多元加重質(zhì)流化床中分選，精煤灰分為10.95%、產(chǎn)率為70.90%，分選效果良好。