濃相液固流化床粗煤泥連續(xù)分選影響研究

摘 要：為探索實際生產過程中液固流化床粗煤泥分選行為，采用自行設計的液固流化床，在濃相床層條件下，進行了連續(xù)分選試驗，考察了床層質量濃度與上升水速對液固流化床分選行為的影響規(guī)律。結果表明：液固流化床連續(xù)分選條件下，較高的床層質量濃度與較低的上升水速相結合，形成濃相床層，有利于提高懸浮液密度，顯著提升分選效果;床層質量濃度在33.00%～36.50%條件下，上升水速為8.50 ～12.50 mm/s時，均可以實現(xiàn)1.00～0.25 mm粗煤泥的有效分選，可能偏差E值介于0.119～0.140 g/cm3之間;在床層質量濃度35.56%、上升水速10.50 mm/s條件下，精煤產率72.91%，可能偏差E值0.119 g/cm3。

關鍵詞：濃相;液固流化床;連續(xù)分選;床層質量濃度;上升水速

中圖分類號：TD94

文獻標志碼：A

隨著現(xiàn)代化采煤技術的應用和煤質的不斷惡化，粗煤泥含量不斷增加，直接采用重選、浮選均難以達到理想的分選效果，選煤廠需對粗煤泥進行單獨分選[1]。目前常用的粗煤泥分選設備有液固流化床分選機、螺旋分選機、煤泥重介旋流器等，液固流化床分選機因其處理量大、設備結構簡單、分選效果較好等特點廣泛應用于粗煤泥分選實踐 [2-4]。

實際生產中，液固流化床分選粗煤泥是在入料濃度大于40%、床層濃度較高狀態(tài)下進行連續(xù)性濃相分選 [5-6]。然而，目前實驗室對液固流化床分選粗煤泥的研究主要采用間歇式設備分選，床層濃度較低，和實際分選并不完全相符。HONAKER等研究發(fā)現(xiàn)床層濃度對液固流化床分級粒度和可能偏差影響顯著[7];ZHU等發(fā)現(xiàn)連續(xù)入料條件下，低水速分選粗煤泥，床層濃度增大，分選精度有所提高[8];GALVIN等對原煤進行了低流化速率試驗，通過提高懸浮液密度，發(fā)現(xiàn)粗煤泥的分選效果有顯著提高[9];LIU等根據(jù)煤顆粒密度的不同，利用低水速與高床層密度相結合，可進一步提高粗煤泥的分選效果[10];戚向前等對流化床中濃度與傾斜通道顆粒運動做出了研究，發(fā)現(xiàn)高濃度對顆粒運動有一定影響[11];賀長營等考察了床層容積濃度及上升水速對床層內部流化特性的影響[12]。以上研究均表明床層濃度對粗煤泥分選過程影響顯著，筆者采用自行設計的液固流化床，直接將床層質量濃度作為變量，協(xié)同上升水速操作參數(shù)，進行濃相連續(xù)分選粗煤泥試驗，探究液固流化床分選過程的影響規(guī)律，以期為工業(yè)生產中液固流化床操作參數(shù)調控提供參考。

1 試驗

1.1 入料性質

本試驗中的粗煤泥粒度控制在1.00～0.25 mm常用分選范圍[13-14]，進行濃相液固流化床連續(xù)分選，入料粒度分析如表1所示，可選性曲線如圖1所示。

由表1可知，入料粒度主要分布于0.90～0.75 mm，0.75～0.63 mm，0.50～0.35 mm 3個粒度級，占物料的76.21%;隨著顆粒粒度降低，灰分先減小再增加，但分布較為均勻，其值介于17.00%～27.00%之間。由圖1可知，依據(jù)基元灰分曲線形狀和δ±0.1鄰近物曲線密度大于1.70 g/cm3物料占總物料的15.50%，故煤樣屬于中等可選煤;密度小于1.50 g/cm3含量較大，低密度煤樣較多，占總物料的72.91%。

1.2 分選裝置

本試驗采用液固流化床分選裝置，由入料槽、液固流化床分選機、轉子流量計、水箱、渦輪流量計、離心泵、流體分布器和PID控制器等組成，其中液固流化床分選柱采用邊長12.00 cm、高度67.00 cm的矩形柱體狀結構;流體分布器采用并排布水管，開孔率為25.00%結構。試驗裝置如圖2所示，流體分布器如圖3所示。

該流體分布器由分布在流體內的并排帶孔平行布水支管和兩根主布水管組成，帶孔平行布水支管之間有一定間隙，極為方便底流排料，還解決了常規(guī)布水器易堵孔問題，故而該流體分布器不僅結構簡單還具有較好的流體穩(wěn)定性和均勻性[15]。

1.3 試驗方法

為了解床層濃度和上升水速對濃相液固流化床粗煤泥分選的影響，在試驗前檢查設備情況，將壓力傳感器接通電源，開啟離心水泵，上升水經(jīng)流量計和流體分布器引入液固流化床分選機內，調控上升水速，待上升水速達期望值并趨于穩(wěn)定后，入料槽連續(xù)給料，并控制入料質量濃度為50.00%，入料速率80.00 kg/h，物料沿入料管均勻給入分選機內，隨著分選機內干擾流化床層的形成，輕產物經(jīng)溢流口排出，隨壓力傳感器示數(shù)達到期望值后，將此信息傳遞給PID控制器控制底流閥門開關，重產物經(jīng)錐形段從底流口排出，最后對溢流和底流產物進行取樣、化驗、分析。

在探究床層質量濃度對液固流化床粗煤泥分選影響時，設定上升水速為10.50 mm/s，控制床層壓力值6.80～7.60 kPa，進行連續(xù)性分選試驗;在探究上升水速對濃相液固流化床分選影響時，通過控制上升水速4.50～55.00 mm/s，壓力傳感器示數(shù)達到7.25 kPa，此時床層質量濃度35.00%～36.00%范圍下，進行連續(xù)性分選試驗。

質量百分濃度公式：

H=M1/M×100%（1）

式中，M1為溶液含煤質量，g;M為溶液總質量，g;H為質量百分濃度，%。

本試驗采用入料粒度0.25～1.00 mm粒度級粗煤泥分選，通過精煤灰分、產率、可燃體回收率、脫灰效率和可能偏差E值等指標來分析分選效果。

精煤產率公式：

γj=Ay-AwAj-Aw×100%（2）

式中，γj為精煤產率，%;Ay為原煤灰分，%;Aj為精煤灰分，%;Aw為尾煤灰分，%。

可燃體回收率公式：

ηε=γ（100-Aj）100（100-Ay）×100%（3）

脫灰效率公式：

ηwf=γj100-Ay×Ay-AjAy×100%（4）

式中，ηε為可燃體回收率，%;ηwf為脫灰效率，%;γj為精煤產率，%;Aj為精煤灰分，%;Ay為原煤灰分，%。

可能偏差E值計算公式：

E=δ75-δ252（5）

式中，E為可能偏差，g/cm3;δ25 、δ75為分配率為25%和75%所對應的分選密度，g/cm3。

為了進一步分析影響分選效果的因素，從干擾床層密度ρ、床層懸浮液濃度q、固體容積濃度λ、質量百分濃度H、等沉比e0之間關系進行分析。

ρ=q（δ-1）1 000δ+1（6）

H=qq+1 000（1-λ）×100%（7）

λ=VgV×100%（8）

式中，q為床層懸浮液濃度，g/L;ρ為干擾床層密度，g/cm3;δ為床層固體顆粒平均密度，g/cm3;λ為固體容積濃度，%;Vg為懸浮液內固體顆粒所占體積，L;V為懸浮液中固體與液體所占體積總和，L。

e0=d1d2=ψ1（δ2-ρ）ψ2（δ1-ρ）gt;1（9）

式中，e0為等沉比;d1、d2為粗輕顆粒粒徑和細重顆粒粒徑，mm;ψ1、ψ2為粗輕顆粒阻力系數(shù)和細重顆粒阻力系數(shù);δ1、δ2為粗輕顆粒密度和細重顆粒密度，g/cm3。

2 試驗結果與討論

2.1 床層質量濃度對液固流化床粗煤泥分選影響研究

現(xiàn)場液固流化床連續(xù)分選粗煤泥時，其床層質量濃度通常處于非最佳分選濃相狀態(tài)，并且目前實驗室是處于間斷、稀相狀態(tài)下的研究偏多，與現(xiàn)場實際并不相符，為進一步探究適宜分選床層質量濃度，為工業(yè)分選粗煤泥提供一定的參考價值。以下通過控制上升水速和床層壓力，形成不同的床層質量濃度，在不同床層質量濃度下，液固流化床分選粗煤泥試驗結果如表2所示，床層質量濃度與床層壓力關系如圖4所示，床層質量濃度與精煤產品指標關系如圖5所示。

如圖4所示，隨著床層壓力不斷提升，床層質量濃度呈不斷增加的指數(shù)模型分布，其擬合公式如式（10）所示：

y=41.207-4.836×1012×0.022 55x（10）

式中，x為床層壓力值，kPa;y為床層質量濃度，%。

該模型能通過床層壓力值較精確預測床層質量濃度，相比通過懸浮液濃度分析床層情況，該方式省略了對體積的測量，對現(xiàn)場實際更方便簡潔。

由圖5可知，隨著床層質量濃度不斷增加，當床層濃度小于20.00%時，精煤產率、可燃體回收率、脫灰效率均偏低;當濃度趨于20.00%～36.50%時，溢流灰分緩慢增加，但均低于7.00%，當床層濃度33.00%～36.50%時，溢流產率、可燃體回收率、脫灰效率均呈現(xiàn)先增加后略微降低趨勢;當濃度為35.00%左右時，精煤產率、可燃體回收率、脫灰效率均出現(xiàn)極大值，此時精煤產率高達72.50%，可燃體回收率86.00%，脫灰效率63.00%;當床層質量濃度大于36.50%時，精煤灰分急劇增加，脫灰效率逐漸降低。表明分選床層濃度不宜過高也不宜過低。分析原因可能是當床層濃度過低時，床層松散度較大，顆粒干擾阻力較小，由于上升水速較低，大部分顆粒受力向下，下沉作為底流;床層濃度過高時，床層中顆粒干擾阻力增大，懸浮液流動性減弱，導致分選效果變差。

床層質量濃度影響連續(xù)分選效果，其本質是影響了顆粒運動行為。下文對某一操作條件下的床層沿軸向取樣，通過不同床層質量濃度分選，按分選柱從上往下每隔10 cm取一個樣，共六個取樣點，分析得到不同濃度下懸浮液濃度與軸向床層取樣位置的關系如圖6所示。通過圖6分析得，隨著床層取樣高度的增大，懸浮液濃度不斷減小;而在同一取樣位置取樣時，隨著床層質量濃度的增大，懸浮液濃度不斷提高，當床層質量濃度30.00%～35.00%時，懸浮液濃度變化尤為明顯。分析原因可能是軸向從上往下顆粒密度逐漸增大導致懸浮液濃度逐漸增大，軸向同一位置隨著床層濃度的增大，顆?？紫堵蕼p小，懸浮液濃度不斷增加。

為進一步分析床層質量濃度對粗煤泥分選影響，對不同床層濃度下產品的E值進行分析，得到圖7。

根據(jù)圖7可知，可能偏差隨著床層濃度增大，E值呈現(xiàn)先增大再減小再增大的趨勢，當床層質量濃度35.00%時，E值出現(xiàn)極小值，此時E值為0.119 g/cm3，當床層濃度低于33%時，E值雖低但精煤產率也偏低，不符合實際生產情況。表明床層質量濃度在35.00%左右時，分選效果較好。分析原因可能是，當床層濃度較低時，由于顆粒空隙率較大，床層穩(wěn)定性較差，分選效果較差;當床層濃度達到一定濃度后，水和粗煤泥組成的懸浮體密度不斷增加，提高了顆粒干擾沉降的等沉比，增強了顆粒按密度分選的效果;當床層濃度過高時，可能偏差有所增加，可能是隨著濃度增加，床層過于緊密，顆粒在床層內的置換受到影響，使其分選精度又降低。

2.2 上升水速對濃相液固流化床粗煤泥分選影響研究

實驗室中對液固流化床分選粗煤泥通常采用較高的上升水速，且處于間歇式、稀相狀態(tài)下研究，與現(xiàn)場濃相、連續(xù)分選并不相符。下面是探究上升水速對濃相液固流化床連續(xù)分選粗煤泥影響試驗，不同上升水速下濃相液固流化床分選粗煤泥試驗結果如表3所示。對表3中的數(shù)據(jù)作圖分析，得到精煤灰分、產率、可燃體回收率、脫灰效率隨上升水速關系，如圖8所示。

由圖8可得，在此濃相狀態(tài)下，隨著上升水速不斷增加，精煤灰分、產率、可燃體回收率均不斷增加，脫灰效率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，當上升水速小于12.5 mm/s時，精煤產率增加趨勢明顯;當水速大于12.5 mm/s時，精煤產率、可燃體回收率均隨著水速增加其增長趨勢有所下降;在10.5 mm/s上升水速條件下精煤產率高達72.91%，可燃體回收率86.44%，此時精煤灰分只有6.87%，當達到較高水速55 mm/s時，精煤產率達79.63%，但此時精煤灰分為10.60%;隨著上升水速的不斷增大，脫灰效率在水速等于10.50 mm/s時，達到最大值63.09%。上述結果表明如想得到灰分小于8.00%、產率大于70%精煤產品，那么上升水速不宜過低或過高。分析原因可能是上升水速過低時，使得大部分顆粒受向下作用力，上升水速小于干擾沉降速度，顆粒向下運動，精煤產率偏低;上升水速過高時，使得床層空隙率增大，床層穩(wěn)定性下降，較多高密度顆粒受力向上，錯配較多，精煤灰分偏大。

為進一步探究上升水速對濃相液固流化床分選粗煤泥的影響，通過可能偏差E值和精煤產率進一步衡量上升水速對濃相液固流化床分選粗煤泥的影響。

如圖9所示，隨著上升水速的不斷增加，可能偏差E值總體呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢。當水速等于10.50 mm/s時，精煤產率可觀且E值達最小值，為0.119 g/cm3;另外，在水速小于12.50 mm/s時，E值介于0.119～0.161 g/cm3之間，相對較小;當上升水速大于12.50 mm/s時，可能偏差E值明顯增大;在低水速時精煤產率和E值均偏低，不宜實際分選。表明在較低水速時E值較低，此時分選精度高，精煤產率可觀。究其原因可能是過低水速時，許多顆粒并未達到流化水速，直接成為底流產品，使得底流參精過多，分選精度有所降低;當較高上升水速時，部分高密度顆粒達到流化水速，顆粒按密度分選作用削弱，分選精度下降。

3 結論

1）液固流化床連續(xù)分選粗煤泥時，較高的床層質量濃度與較低的上升水速相結合，形成濃相床層，有利于提高床層懸浮液的濃度和密度，強化物料按密度分選，此時精煤產率和分選精度均可觀，顯著提升粗煤泥分選效果。

2）同一上升水速，不同床層壓力下，床層質量濃度隨著床層壓力呈現(xiàn)一條不斷增大的指數(shù)變化趨勢;當床層質量濃度達33.00%～36.50%濃相狀態(tài)范圍內，分選效果明顯提高，此時精煤灰分介于6.50%～7.00%，可能偏差E值介于0.119～0.140 g/cm3，精煤產率70.00%～72.91%，可燃體回收率80.00%～86.50%，脫灰效率62.00%～63.50%。

3）在同一床層質量濃度范圍條件下，液固流化床在接近8.50～12.50 mm/s 較低上升水速時，均可以實現(xiàn)1.00～0.25 mm粗煤泥的有效分選，此時，精煤灰分偏低、可能偏差E值較低、精煤產率可觀;在入料粒度1.00～0.25 mm下，上升水速等于10.50 mm/s時，精煤灰分6.87%，精煤產率72.91%，可燃體回收率86.44%，脫灰效率63.09%，可能偏差E值0.119 g/cm3。

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（責任編輯：于慧梅）

Study on Influence of Continuous Separation of Coarse Slime in

Dense-phase Liquid-solid Fluidized Bed

WEI Lubin， LI Yue， WU Jingying， ZHAI Shihua， YANG Qi， DU Xingquan， ZHU Xueshuai*

（School of Chemical and Environmental Engineering， China University of Mining and Technology （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract：

In order to explore the separation behavior of coarse coal slime in the actual production process， a self-designed liquid-solid fluidized bed was used to carry out continuous separation experiments under the condition of dense-phase bed. The effects of bed mass concentration and upflow water velocity on the separation behavior of liquid-solid fluidized bed were investigated. The results show that： under the condition of continuous separation in liquid-solid fluidized bed， the combination of higher bed mass concentration and lower upflow water velocity forms a dense-phase bed， which is beneficial to increase the density of suspension and significantly improve the separation effect. When the bed mass concentration is 33.00%～36.50% and the upflow water velocity is 8.50～12.50 mm/s， the effective separation of 1.00～0.25 mm coal slime can be achieved， and the possible deviation E value is between 0.119～0.140 g/cm3. Under the condition of bed mass concentration 35.56% and upflow water velocity 10.50 mm/s， the cleaned coal yield is 72.91%， and the possible deviation E value is 0.119 g/cm3.

Key words：

dense-phase; liquid-solid fluidized bed; continuous separation; bed mass concentration; upflow water velocity

韋魯濱，男1962年生，博士，博士后，中國礦業(yè)大學（北京）教授、博士生導師。中國煤炭工業(yè)技術委員會委員，中國煤炭學會資深會員，北京市科委煤炭領域專家，中國礦業(yè)大學（北京）礦物加工工程學科學術帶頭人。承擔國家及省部級項目20余項，其中，主持完成國家自然科學基金面上項目5項，國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）1項。發(fā)表學術論文180多篇，其中，90余篇被SCI、EI收錄。獲國家科技進步二等獎1項，省部級科技獎勵7項。出版專著3部，授權專利20余項。