介尺度視角下干法重介流態(tài)化分選過(guò)程強(qiáng)化

周晨陽(yáng)，賈穎，趙躍民，張勇，付芝杰，馮昱清，段晨龍

（1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221116； 2 加拿大 西安大略大學(xué)顆粒技術(shù)研究中心，加拿大 安大略省倫敦N6A 5B9； 3 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；4加拿大 英屬哥倫比亞大學(xué)生物與化學(xué)工程系，加拿大 不列顛哥倫比亞省溫哥華V6T 1Z3；5澳大利亞 聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織，澳大利 亞墨爾本VIC3168）

引 言

氣候變化是人類面臨的全球性問題，“碳達(dá)峰、碳中和”已成為世界各國(guó)的共識(shí)，未來(lái)新能源與傳統(tǒng)能源呈現(xiàn)包容式發(fā)展的趨勢(shì)，加快能源消費(fèi)方式的轉(zhuǎn)變已成為現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。煤炭是我國(guó)最主要的一次能源，是保障能源供應(yīng)的基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，煤炭資源的清潔、高效、低碳排放利用對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書等文件中指出要推進(jìn)煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動(dòng)煤炭等化石能源清潔高效利用，采取有力措施持續(xù)提升能源利用效率，加快能源消費(fèi)方式轉(zhuǎn)變[1-2]。選煤作為煤炭潔凈加工利用的源頭技術(shù)，有助于促進(jìn)煤炭資源的合理利用，是煤炭轉(zhuǎn)化為潔凈煤燃料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和必要途徑[3-8]。我國(guó)2/3 以上的煤炭資源分布在西部干旱缺水地區(qū)，水資源短缺問題嚴(yán)重，難以完全依賴于濕法分選技術(shù)對(duì)上述地區(qū)的煤炭資源進(jìn)行燃前分選。因此，研究高效的干法選煤技術(shù)有助于彌補(bǔ)現(xiàn)有濕法分選技術(shù)的不足，推動(dòng)我國(guó)煤炭資源的高效潔凈利用[9-14]。

干法重介流態(tài)化分選將氣固流態(tài)化理論拓展應(yīng)用于煤炭分選領(lǐng)域，已發(fā)展成為典型的干法分選技術(shù)之一。近年來(lái)，干法重介流態(tài)化分選已成為研究的熱點(diǎn)之一，Mak 等[15-17]先后研究了流化氣速、床層高度、流化時(shí)間和加重質(zhì)種類對(duì)流化質(zhì)量的影響。Sahu 等[18-22]研究了分選流化床中床層膨脹特征與操作氣速之間的關(guān)聯(lián)。Oshitani 等[23-27]開展了關(guān)于入選礦物在流化床中運(yùn)動(dòng)行為的研究，開發(fā)了適用于測(cè)量干法重介流化床中入選礦物受力的裝置，利用入選礦物示蹤顆粒分析了操作條件對(duì)顆粒停留位置的影響。前人的研究主要集中在氣固兩相流態(tài)化的流型及與之關(guān)聯(lián)的物性和結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，對(duì)形成穩(wěn)定的氣固兩相流的分選流態(tài)化研究很少，具有多相、多尺度、多物質(zhì)組分特性的分選流化床中的分選調(diào)控機(jī)制尚不清楚，制約了干法分選氣固流化床設(shè)備的穩(wěn)定可靠性及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的大型化。

氣固分選流化床是典型的氣固兩相流動(dòng)系統(tǒng)，含有顆粒聚集組成的乳化相與氣體兼并形成的氣泡相，兩相間伴隨著氣體交換等現(xiàn)象，氣固兩相分布也處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在氣固分選流化床中，氣泡相是典型的非均勻結(jié)構(gòu)，在介觀尺度上表現(xiàn)為氣泡的形成、聚并和破碎，演變過(guò)程影響加重質(zhì)顆粒的均勻混合，對(duì)煤炭顆粒按密度的離析行為產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致氣固相間運(yùn)動(dòng)行為具有多態(tài)性和非線性的特點(diǎn)。因此，在介尺度視角下，開展干法重介流態(tài)化分選的研究，有助于理解分選過(guò)程中氣泡行為演變規(guī)律，分析分選過(guò)程中氣泡的形成和抑制機(jī)理，為提出介尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控方案提供理論基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭分選的穩(wěn)態(tài)調(diào)控具有重要意義。

1 關(guān)鍵科學(xué)問題

干法重介流態(tài)化分選將氣固流態(tài)化理論拓展應(yīng)用于煤炭分選領(lǐng)域，工作原理為壓縮空氣為流化氣體，采用磁鐵礦粉和煤粉作為加重質(zhì)，形成密度均勻穩(wěn)定的似流化床層，密度小的精煤上浮，密度大的矸石下沉，從而實(shí)現(xiàn)煤炭的按密度分選[28-32]。干法重介流態(tài)床是典型的氣固兩相流動(dòng)系統(tǒng)，屬于鼓泡流態(tài)化的研究范疇，最基本的特征是顆粒聚集的乳化相與氣體聚集的氣泡相共存，氣泡運(yùn)動(dòng)行為導(dǎo)致床層的表觀密度、壓降信號(hào)等關(guān)鍵參數(shù)在時(shí)間和空間上表現(xiàn)為非線性變化特點(diǎn)[33-34]。氣泡的運(yùn)動(dòng)行為既影響加重質(zhì)顆粒的均勻分布，又干擾煤炭顆粒在流化床中按密度進(jìn)行的離析行為。因此，在流化床分選煤炭顆粒過(guò)程中，削弱氣泡的擾動(dòng)是改善床層流化質(zhì)量重要的途徑，也是強(qiáng)化煤炭顆粒密度離析的關(guān)鍵。從流態(tài)化角度分析，氣泡的存在決定了氣固分選流化床是一個(gè)多尺度、非線性的瞬態(tài)系統(tǒng)，在宏觀尺度上表現(xiàn)為壓力信號(hào)和床層密度的非線性波動(dòng)，在介觀尺度上表現(xiàn)為氣泡的形成、聚并和破碎，在微觀尺度上表現(xiàn)為介質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)與碰撞。因此，典型介尺度問題之一：非均勻氣泡結(jié)構(gòu)的演變與微觀尺度顆粒行為、宏觀尺度兩相分布等的關(guān)聯(lián)機(jī)制，如何削弱氣泡的擾動(dòng)是實(shí)現(xiàn)流態(tài)化分選過(guò)程強(qiáng)化的關(guān)鍵難題，如圖1所示。

在工業(yè)應(yīng)用中，隨著宏觀尺度上的設(shè)備變大，床層中氣泡明顯變大，顆粒返混劇烈，床層中易出現(xiàn)溝流等不正常流化現(xiàn)象，流型的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致流化床操作穩(wěn)定性變差，會(huì)惡化顆粒的分選效果，而目前的反應(yīng)器放大仍然依賴于逐級(jí)放大試驗(yàn)研究，忽略了流動(dòng)和分選行為的雙向耦合[35]。在分選系統(tǒng)的逐步放大過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)放大過(guò)程中存在著流場(chǎng)行為的轉(zhuǎn)變機(jī)制，使得在單元分選系統(tǒng)的理論模型及試驗(yàn)結(jié)論產(chǎn)生偏差，而氣泡結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律是研究的核心之一，也是造成流態(tài)化分選系統(tǒng)產(chǎn)生放大效應(yīng)及影響分選系統(tǒng)放大過(guò)程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。然而，前期的研究主要利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的分選設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，缺乏對(duì)工業(yè)放大過(guò)程中氣泡演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，制約了對(duì)工業(yè)分選系統(tǒng)密度調(diào)控的穩(wěn)定性。由于干法分選流態(tài)化放大過(guò)程中氣泡運(yùn)動(dòng)行為難以直接觀察，對(duì)顆粒相運(yùn)動(dòng)以及流場(chǎng)行為的影響尚不明確，影響因子不斷增加，是造成原有理論模型及試驗(yàn)結(jié)論可能產(chǎn)生偏差的原因之一，具體表現(xiàn)在直接對(duì)分選系統(tǒng)進(jìn)行放大，加重質(zhì)顆粒宏觀返混嚴(yán)重，分選穩(wěn)定性變差，了解放大過(guò)程介尺度結(jié)構(gòu)演變的關(guān)聯(lián)機(jī)制，有助于實(shí)現(xiàn)流態(tài)化連續(xù)性分選過(guò)程的高效精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制。因此，在逐級(jí)放大過(guò)程的研究中，需要考慮第二個(gè)關(guān)鍵的介尺度問題：如圖2 所示，放大過(guò)程中氣泡結(jié)構(gòu)演變規(guī)律與分選系統(tǒng)尺度的關(guān)聯(lián)機(jī)制，是理解放大過(guò)程中流型轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，也是提升工業(yè)級(jí)分選系統(tǒng)煤炭分選穩(wěn)定性的核心，為放大過(guò)程的分選穩(wěn)定調(diào)控奠定理論基礎(chǔ)。

圖2 單元設(shè)備向工業(yè)設(shè)備放大過(guò)程的介尺度問題Fig.2 The mesoscale problem in the scale-up of unit equipment to industrial equipment

2 研究進(jìn)展

2.1 單元分選設(shè)備中介尺度結(jié)構(gòu)的演變

氣泡是單元?dú)夤塘鲬B(tài)化分選設(shè)備中的典型介尺度結(jié)構(gòu)，研究濃相流態(tài)化分選過(guò)程中氣泡的演變過(guò)程，是了解分選過(guò)程中氣固兩相作用方式的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步建立多相氣固流動(dòng)模型的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)介尺度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)氣固流態(tài)化分選過(guò)程中氣泡運(yùn)動(dòng)的行為開展了大量的研究，涉及氣泡識(shí)別、數(shù)值模擬、兩相分布理論等內(nèi)容，為理解單元設(shè)備中介尺度結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理提供理論依據(jù)。

2.1.1 介尺度結(jié)構(gòu)的識(shí)別及行為觀測(cè) 氣固干法分選流態(tài)化屬于鼓泡流態(tài)化的研究范疇，流化過(guò)程中床層為多氣泡共存的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，氣泡在床層上升的過(guò)程中互相作用，且聚并、破裂行為頻繁。在氣固分選流化床中，捕捉研究單個(gè)氣泡在床層中的運(yùn)動(dòng)演化規(guī)律較為困難，張亞東[36]提出了干法分選流化床中氣泡識(shí)別的方案及算法，如圖3所示，基于高速動(dòng)態(tài)攝像機(jī)采集二維流化床中氣泡的運(yùn)動(dòng)影像，利用Matlab 對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化處理，并將處理后氣泡輪廓用光斑覆蓋以計(jì)算出氣泡的等效直徑，進(jìn)而對(duì)比分析相鄰兩幀氣泡圖像的演變規(guī)律。目前，采用Matlab 語(yǔ)言作為編程環(huán)境標(biāo)定單個(gè)氣泡所占像素?cái)?shù)值，充分利用計(jì)算資源，提高識(shí)別和提取合格氣泡圖像的計(jì)算效率，利用光斑計(jì)數(shù)方法計(jì)算氣泡等效面積的精度不低于88.6%，避免了氣泡生長(zhǎng)、聚并和破裂導(dǎo)致獲取的氣泡運(yùn)動(dòng)圖像的失真。

圖3 非均勻介尺度結(jié)構(gòu)圖像采集處理流程[36]Fig.3 Image acquisition process of inhomogeneous mesoscale structure[36]

通常情況下，氣固分選流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究結(jié)論多為二維流化床成像測(cè)試獲取，氣泡運(yùn)動(dòng)與床層壓降波動(dòng)的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)研究較少。因此，在上述氣泡捕捉的基礎(chǔ)上，Dong 等[37-38]創(chuàng)新性地提出了將高速動(dòng)態(tài)攝像技術(shù)與壓降傳感器結(jié)合對(duì)氣泡進(jìn)行識(shí)別的方案，利用高速動(dòng)態(tài)攝像機(jī)采集氣泡上升過(guò)程中聚并、破裂等動(dòng)態(tài)演變行為的圖像，并采用壓力傳感器同步在線測(cè)量氣泡演變動(dòng)態(tài)行為的響應(yīng)壓降信號(hào)。利用數(shù)字圖像處理和信號(hào)分析相耦合的方法，對(duì)不同氣泡運(yùn)動(dòng)行為圖像及其響應(yīng)壓降信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，準(zhǔn)確識(shí)別和提取氣泡運(yùn)動(dòng)、聚并和破裂引起的壓降信號(hào)，定量研究了床層中氣泡形狀、尺寸、數(shù)量分布等特征參數(shù)的演變規(guī)律。如圖4 所示，由氣泡運(yùn)動(dòng)引起的壓降信號(hào)可以清楚地顯示出來(lái)，a 代表氣泡云頂接觸傳感器，b 和c 分別代表氣泡通過(guò)傳感器及氣泡的合并，d 代表氣泡的破裂行為，這些氣泡的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出不同程度的壓降信號(hào)波動(dòng)，反映了壓力信號(hào)與氣泡運(yùn)動(dòng)行為間的響應(yīng)關(guān)系，為理解介尺度結(jié)構(gòu)的演變與宏觀尺度上壓力波動(dòng)的關(guān)聯(lián)奠定了理論基礎(chǔ)。

圖4 流化床中壓力信號(hào)與氣泡運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)[37-38]Fig.4 The correlation between pressure signal and bubble motion in fluidized bed[37-38]

考慮到二維流化床的寬度較窄，氣泡上升過(guò)程中會(huì)受到床層邊壁的擠壓作用，難以完全反映流化床中氣泡生長(zhǎng)特征，段晨龍等[39-40]采用電容層析成像技術(shù)(ECT)對(duì)三維干法分選流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了利用ECT 對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)行為捕捉的思路和方法，如圖5所示，開發(fā)了適用于氣泡捕捉的Landweber 算法，確定了氣泡相和乳化相的邊界閾值，實(shí)現(xiàn)了三維流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)行為的在線實(shí)時(shí)捕捉。進(jìn)一步地，研究人員將ECT 獲取的多個(gè)氣泡峰值面積進(jìn)行平均化處理，獲取了床層中氣泡尺寸的信息；再通過(guò)比較兩個(gè)不同高度傳感器平面的固相平均分?jǐn)?shù)含量，可以對(duì)氣泡上升速度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干法重介流化床中氣泡的非侵入式測(cè)試。

圖5 電容層析成像技術(shù)捕捉氣泡行為示意圖[39-40]Fig.5 The method of bubble motion capture using ECT[39-40]

2.1.2 介尺度結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 結(jié)合上述流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)行為的識(shí)別方案，Sun 等[41-42]選用磁鐵礦粉、河沙、煤粉、石英砂等顆粒組成單一或者二元加重質(zhì)，開展了氣固分選流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)行為的研究。研究結(jié)果如圖6 所示，分析了不同介質(zhì)組成的床層中氣泡的兼并行為，可以看出整體上氣泡上升過(guò)程中兼并頻率逐漸加大，氣泡數(shù)目沿著床層上升高度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，尺寸較大的氣泡沿床層高度分布呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。相比于單一磁鐵礦粉介質(zhì)，二元介質(zhì)流化床中氣泡的兼并頻率相對(duì)減小，床層中氣泡的尺寸也得到了一定的抑制，例如尺寸大于10 cm 的氣泡在二元加重質(zhì)流化床中明顯減少，說(shuō)明二元介質(zhì)顆粒的選擇是降低氣泡擾動(dòng)的一種有效途徑，也為采用優(yōu)化介質(zhì)改善流化行為提供了理論依據(jù)。

圖6 單一或二元加重質(zhì)顆粒流態(tài)化系統(tǒng)中氣泡運(yùn)動(dòng)行為[41-42]Fig.6 Bubble evolution in fluidized bed using sole and binary dense medium[41-42]

段晨龍等[39-43]進(jìn)一步研究了氣固分選流化床中氣泡生長(zhǎng)以及上升速度的變化規(guī)律，如圖7所示，研究結(jié)果表明氣泡尺寸會(huì)隨流化氣速的增大而增大，而氣泡尺寸的增大速率會(huì)隨流化氣速的增大而降低，氣泡尺寸增大趨勢(shì)也會(huì)逐漸趨于平緩。結(jié)果表明自床層中部向上區(qū)域，氣泡尺寸基本維持穩(wěn)定，氣泡兼并、破裂行為較少。隨著氣速和床層高度的增加，氣泡運(yùn)動(dòng)速度和氣泡尺寸呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于單一加重質(zhì)的氣泡尺寸預(yù)測(cè)模型：

圖7 氣泡運(yùn)動(dòng)行為變化規(guī)律及模型的誤差分析[39]Fig.7 The variation of bubble movement behavior and error analysis of the relevant correlations[39]

二元加重質(zhì)的氣泡尺寸預(yù)測(cè)模型：

氣泡上升速度模型：

式中，Db為氣泡尺寸；φ為單一加重質(zhì)中氣泡尺寸修正系數(shù)；U為操作氣速；Umf為最小流化速度；h為氣泡位置；AD為布風(fēng)板的小孔尺寸；Ub為氣泡運(yùn)動(dòng)速度。

2.1.3 介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)微觀顆粒運(yùn)動(dòng)的影響 模擬鼓泡流態(tài)化中氣固兩相流動(dòng)是建立和驗(yàn)證數(shù)值模型的常用手段，有助于更深層次理解氣固分選流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)對(duì)床層密度以及加重質(zhì)顆粒引起的影響。針對(duì)氣固干法分選流化床，Wang 等[44-47]利用歐拉-歐拉方法模擬了加重質(zhì)的流化行為，并詳細(xì)研究了關(guān)鍵子模型的選取對(duì)流動(dòng)結(jié)果的影響。如圖8所示，研究結(jié)果顯示Syamlal 曳力模型可用于加重質(zhì)流化行為的模擬，發(fā)現(xiàn)床層膨脹度相對(duì)較小，氣泡數(shù)量較少但分布均勻，床層中的氣泡會(huì)對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，可以看出床層中顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在兩個(gè)旋渦流，這種旋渦流產(chǎn)生的灣流效應(yīng)會(huì)使得顆粒在床層中部上升，而在壁面附近聚集并不斷沿著壁面下降。

圖8 干法分選流化床的歐拉-歐拉模擬結(jié)果示意圖[47]Fig.8 The Euler-Euler simulation method for dry separation fluidized bed[47]

Zhang 等[48-49]利用歐拉-拉格朗日的方法深入研究了流化過(guò)程中氣泡運(yùn)動(dòng)行為對(duì)加重質(zhì)顆?；旌虾头蛛x的影響，如圖9 所示。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣泡對(duì)于顆粒的分層混合影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面，當(dāng)兩種顆粒發(fā)生分層時(shí)，即小顆粒在床層上部而大顆粒在床層下部，由于下部的顆粒堆積濃度較小易形成氣泡將大顆粒夾帶至床層表面導(dǎo)致分層發(fā)生；當(dāng)氣速較高時(shí)，床層中氣泡大且運(yùn)動(dòng)速度快，大顆粒和小顆粒都受到氣泡夾帶上升，從而引起顆粒混合。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在氣泡的頂部和下部區(qū)域氣固之間作用力以及氣流曳力較大，而在氣泡運(yùn)動(dòng)的兩側(cè)以及內(nèi)部區(qū)域的顆粒受到的氣固之間作用力明顯變小，而乳化相中顆粒受到的碰撞力要明顯大于氣泡相中顆粒受到的碰撞力，為理解介尺度結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為與微觀尺度顆粒間運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)提供了理論依據(jù)。

圖9 氣泡對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)行為的作用及力學(xué)分析[48-49]Fig.9 Effect of bubble behavior on particle motion and related mechanical analysis[48-49]

張勇[49]在考察氣泡對(duì)介質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)影響的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬研究了介尺度結(jié)構(gòu)對(duì)入選煤炭顆粒分選過(guò)程的影響。采用EMMS-DPM 方法模擬流化環(huán)境，采用DEM 方法模擬入選煤炭的分選過(guò)程。研究結(jié)果顯示，由于氣泡尾渦具有較強(qiáng)的夾帶能力，精煤和矸石顆粒可被夾帶至床面或上層，氣泡運(yùn)動(dòng)引起的全床返混運(yùn)動(dòng)又會(huì)造成部分精煤顆粒下沉至床層底部。如圖10 所示，氣泡與周圍的介質(zhì)顆粒之間相互作用而形成環(huán)形運(yùn)動(dòng)，煤顆粒受到氣泡運(yùn)動(dòng)的誘導(dǎo)效應(yīng)，造成煤炭顆粒受到不平衡的碰撞力，如靠近氣泡的顆粒A 在重力方向上受到介質(zhì)顆粒接觸力達(dá)到了0.421（與重力無(wú)量綱化），說(shuō)明受到介質(zhì)顆粒非平衡碰撞力導(dǎo)致氣泡尾渦對(duì)顆粒夾帶。

圖10 氣泡與顆粒的相互作用(綠色箭頭為介質(zhì)顆粒的速度矢量)[49]Fig.10 The interactions of bubbles and particles(the green arrows represent velocity vector of fine medium particles)[49]

2.1.4 介尺度結(jié)構(gòu)的兩相分布的關(guān)聯(lián) 氣固干法重介分選流化床中介觀尺度下氣泡相的總體積與宏觀尺度上床層膨脹有直接的聯(lián)系，影響著對(duì)床層膨脹與床層密度的有效預(yù)測(cè)。付芝杰等[50-51]研究發(fā)現(xiàn)選擇的加重質(zhì)為Gledart B 類加重質(zhì)，氣泡的兼并頻率較大，現(xiàn)有的兩相分布理論很難精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)氣固分選流化床的膨脹特征。因此，根據(jù)氣泡運(yùn)動(dòng)行為特征，開展了Gledart B 類加重質(zhì)流化床中兩相分布理論的基礎(chǔ)研究。如圖11所示，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩相理論修正參數(shù)Y值與顆粒性質(zhì)和流化條件密切相關(guān)，隨著顆粒阿基米德數(shù)的增大而減小，并隨著表觀氣速的升高而略有增大。究其原因，兩相理論修正參數(shù)Y值表征床層內(nèi)氣泡相體積流率與超過(guò)臨界流化的氣流體積流率的比值，即超出臨界流化后的上升氣流被分配進(jìn)入氣泡相的比例。在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了兩相理論的修正相關(guān)系數(shù)，構(gòu)建了適用于分選流化床中的氣固兩相理論模型，揭示了床層中介尺度結(jié)構(gòu)與宏觀尺度上床層膨脹行為的關(guān)聯(lián)機(jī)制，為后續(xù)床層的密度精準(zhǔn)調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。其中，修正參數(shù)Y的預(yù)測(cè)模型：

圖11 兩相理論修正參數(shù)Y的校驗(yàn)示意圖[50-51]Fig.11 The proposed correlation for predicting the correction factor Y of two phase theory[50-51]

干法分選流態(tài)化的兩相理論預(yù)測(cè)：

式中，Ar為顆粒的阿基米德數(shù)；Ug為操作氣速；Gb為以氣泡形式流出床層的氣體流量；A為流化床的截面積。

2.2 分選系統(tǒng)放大過(guò)程中介尺度結(jié)構(gòu)的演變

數(shù)值模擬是研究分選系統(tǒng)放大機(jī)制的有效途徑，為了研究放大過(guò)程中介觀尺度的關(guān)聯(lián)機(jī)制，通過(guò)數(shù)值模擬演化多相流流化系統(tǒng)，將實(shí)際過(guò)程轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化、尺度放大和結(jié)構(gòu)調(diào)控，并逐漸發(fā)展成為虛擬過(guò)程工程（virtual process engineering）[52-53]，已成為流態(tài)化理論和工程應(yīng)用的重要分支。然而，在濃相氣固分選流化床中，磁鐵礦粉粒度較細(xì)，實(shí)際系統(tǒng)中的顆粒數(shù)目以億計(jì)數(shù)，需要尋找一種高效的粗粒化模型來(lái)減小計(jì)算量，提高計(jì)算效率。為了解決離散顆粒軌道模型計(jì)算成本高、效率低的問題，粗?；Ｐ褪且环N有效的解決途徑，使用直徑比真實(shí)顆粒直徑大的顆粒來(lái)代替體系中小顆粒，系統(tǒng)內(nèi)所需要計(jì)算的顆粒數(shù)目大量減少，從而有效降低計(jì)算量，有助于協(xié)助實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)別的分選機(jī)數(shù)值模擬。

2.2.1 粗粒化模擬與多尺度分析 在干法分選流化床中，利用Geldart B 類磁鐵礦作為流化介質(zhì)，考慮到其粒度較細(xì)，計(jì)算量巨大，張勇[49]首先比較了常見的粗?；Ｐ蛯?duì)濃相氣固分選流化床的模擬效果，與試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型可靠性。如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)粗?；嚷试酱髸r(shí)，氣泡的形態(tài)和結(jié)構(gòu)越不清晰。粗?；嚷瘦^大時(shí)，PSM 模型和CGM 模型中的氣泡形態(tài)已經(jīng)變得模糊，而對(duì)于EMMS-DPM 模型，在較高的粗?；嚷?，氣泡的形態(tài)相對(duì)較為明顯，尾渦可以辨識(shí)。盡管EMMS-DPM 模型相比于PSM 和CGM 模型所需計(jì)算顆粒數(shù)目更多，但是對(duì)其計(jì)算效率影響并不十分顯著。在三種模型中，EMMS-DPM 模型從效率和精度對(duì)比中較其他模型有明顯優(yōu)勢(shì)，采用EMMS-DPM 模型對(duì)介質(zhì)顆粒進(jìn)行粗?；?，為進(jìn)一步了解放大過(guò)程中介尺度結(jié)構(gòu)的演變提供了一條有效的途徑。

圖12 不同粗?；嚷誓M的氣泡行為與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[49]Fig.12 Comparison of bubble behavior results between simulation and experimental methods at different coarse-grain ratio[49]

2.2.2 放大過(guò)程中介尺度結(jié)構(gòu)的演變特征 針對(duì)氣固流態(tài)化分選過(guò)程中多相、多尺度、多組分的特點(diǎn)，在多粒徑曳力模型和粗?；Ｐ偷幕A(chǔ)上，Zhang 等[54]加入了權(quán)函數(shù)插值算法，建立了EMMSDPM-DEM 多尺度計(jì)算模型，用于研究放大過(guò)程中介尺度結(jié)構(gòu)的演變特征。如圖13所示，在工業(yè)流化床放大過(guò)程中流化床長(zhǎng)度增加對(duì)于精煤和矸石顆粒分離度影響不大，說(shuō)明床層尺寸增加沒有引起較為明顯的尺度效應(yīng)，而隨著床層的堆料高度增加，會(huì)給床層中氣泡的長(zhǎng)大提供空間，影響床層密度的穩(wěn)定性，需要提高入料原煤粒度的上限，闡明了放大過(guò)程中介尺度結(jié)構(gòu)演變與煤炭分選行為的關(guān)聯(lián)特性，為后續(xù)工業(yè)化過(guò)程的密度穩(wěn)定調(diào)控奠定了理論基礎(chǔ)。目前，氣固流態(tài)化分選的放大研究已取得了突破性的研究進(jìn)展，但開發(fā)的粗粒化模擬仍然存在一定的瓶頸，難以真正實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)選煤流化床的模擬。針對(duì)濃相氣固流態(tài)化分選的模擬研究，粗?；Ｐ驮诓粩鄡?yōu)化的同時(shí)，出現(xiàn)了基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的多流體模型，比如動(dòng)態(tài)多尺度方法是利用區(qū)域間耦合并使用高效率的方法模擬整個(gè)模擬域，再使用高精度模擬方法對(duì)精細(xì)模擬的子區(qū)域進(jìn)行模擬，例如在有效計(jì)算區(qū)域?qū)⑦B續(xù)介質(zhì)法和CFDDEM 方法結(jié)合使用，也可實(shí)現(xiàn)顆粒流DEM 方法和粗?；疍EM 方法的雙向耦合等[55-56]。因此，在不斷優(yōu)化粗粒化模擬模型的基礎(chǔ)上，探討粗粒化模型與基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的多流體模型結(jié)合的數(shù)值模擬方法可以為未來(lái)分選過(guò)程放大模擬的研究提供借鑒。

圖13 氣固流態(tài)化干法分選放大過(guò)程介尺度結(jié)構(gòu)演變示意圖[54]Fig.13 The relation of mesoscale evolution during the scale-up of gas-solid fluidized[54]

2.3 介尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控及分選過(guò)程強(qiáng)化

目前，普通的空氣重介質(zhì)流化床主要采用磁鐵礦粉(0.15～0.30 mm) 和煤粉顆粒(-1 mm)作為二元加重質(zhì)，根據(jù)顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于Geldart B/D 類顆粒[57-58]。加重質(zhì)流化時(shí)基本沒有乳化相膨脹現(xiàn)象，主要通過(guò)改變煤粉顆粒含量，調(diào)節(jié)加重質(zhì)的平均密度，再通過(guò)調(diào)節(jié)操作氣速控制氣泡相比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)流化床層密度的穩(wěn)定調(diào)控，如圖14 所示。然而，由于選用的Geldart B 加重質(zhì)粒度較粗，床層中氣泡兼并頻率較高，在上升過(guò)程中會(huì)生長(zhǎng)成較大的氣泡，對(duì)床層密度的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，如何在介觀尺度上抑制氣泡生長(zhǎng)，改善顆粒流化質(zhì)量成為實(shí)現(xiàn)煤炭高效分選的關(guān)鍵因素。

圖14 Geldart B類加重質(zhì)流態(tài)化分選系統(tǒng)的密度調(diào)節(jié)機(jī)理示意圖Fig.14 The regulation principle of separation density using Geldart B dense medium in fluidized bed system

針對(duì)氣固流態(tài)化分選穩(wěn)定性調(diào)控的難題，從外來(lái)能量引入與優(yōu)化加重質(zhì)的選擇方面開展了研究，致力于抑制氣泡生長(zhǎng)，改善顆粒流化質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)煤炭分選的過(guò)程強(qiáng)化。外來(lái)能量主要可以分為振動(dòng)能量與脈動(dòng)能量，相關(guān)研究考察了外來(lái)能量對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)聚并與分散的影響，揭示了外來(lái)能量對(duì)煤炭分選的過(guò)程強(qiáng)化機(jī)制。優(yōu)化加重質(zhì)的選擇則是提出了選用Geldart A 類的磁鐵礦粉作為主要的加重質(zhì)，Geldart C 超細(xì)煤粉作為外來(lái)添加劑，將兩種顆粒混合組成新型的微細(xì)加重質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Geldart B/D 類二元加重質(zhì)，考察介尺度結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)從優(yōu)化加重質(zhì)層面對(duì)煤炭分選效率的提升。

2.3.1 外來(lái)能量對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控 對(duì)于振動(dòng)重介質(zhì)分選流化床，氣泡均勻分散是實(shí)現(xiàn)有效分選的基礎(chǔ)，散式流態(tài)化床層是最理想的分選床層。如圖15 所示，張亞東等[36,59-61]研究發(fā)現(xiàn)適宜振動(dòng)頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)引入床層的振動(dòng)能量逐漸增大，促進(jìn)了顆粒群的松散，使得多余的氣體能夠以微氣泡的形式更均勻地通過(guò)床層，氣泡平均尺寸范圍降低為1.12～2.45 cm 之間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)床層中氣泡的兼并，削弱了氣泡的影響，加強(qiáng)了床層密度的均勻穩(wěn)定分布。Dong 等[62-67]進(jìn)一步研究了外加脈動(dòng)能量激勵(lì)下氣泡運(yùn)動(dòng)行為，研究發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)氣流的引入可以有效減小氣泡的尺寸，并提出了氣泡-顆粒間相互作用的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖16 所示，將流化床層進(jìn)行分層，各層看作剛體，各層之間受到氣泡的彈性作用，當(dāng)各層的厚度離散越小時(shí)，層數(shù)越多，越能反演床層的涌動(dòng)。建立了脈動(dòng)流化床多自由度線性振動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)模型，揭示了脈動(dòng)氣流強(qiáng)化提高顆粒流化質(zhì)量的機(jī)理。

圖15 振動(dòng)流化床中氣泡尺寸分布[36]Fig.15 Bubble size distribution in vibration fluidized bed[36]

圖16 脈動(dòng)流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)行為和氣泡-顆粒間作用機(jī)理[62-63]Fig.16 The bubble behavior and bubble-particle interaction in gas-vibro fluidized bed[62-63]

2.3.2 微細(xì)加重質(zhì)對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控 相比于粒度較粗的Geldart B/ D 類顆粒，Geldart A 類顆粒的粒度或密度較小，顆粒懸浮所需要的氣流速度較低，床層中乳化相的分布比例較高，有助于提高床層密度調(diào)控的穩(wěn)定性。然而，單一的Geldart A類細(xì)粒磁鐵礦粉作為加重質(zhì)時(shí)，床層密度的穩(wěn)定調(diào)節(jié)范圍較窄(1.90～2.10 g/cm3)，難以適用于細(xì)粒煤分選密度調(diào)控范圍的全部要求(1.30～2.10 g/cm3)。Geldart C 類超細(xì)顆粒的引入，可以有效提高Geldart A 類細(xì)粒顆粒的流化質(zhì)量，促進(jìn)顆粒的乳化相散式膨脹，抑制氣泡的生長(zhǎng)，優(yōu)化床層中乳化相與氣泡相的分配比例[68-69]。因此，周晨陽(yáng)[29]提出了選用Geldart A 類的磁鐵礦粉與Geldart C 超細(xì)煤粉混合組成新型的微細(xì)加重質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氣固流化床對(duì)細(xì)粒煤的分選過(guò)程強(qiáng)化，如圖17 所示。研究結(jié)果表明,氣泡在微細(xì)加重質(zhì)流化床中的兼并頻率較低，上升過(guò)程中的尺寸變化較小，氣泡尺寸較為穩(wěn)定，明顯小于Geldart B 類加重質(zhì)的流化床中，提高了床層的乳化相和總體膨脹，提高了床層密度的穩(wěn)定調(diào)控范圍，實(shí)現(xiàn)了氣固流化床對(duì)煤炭分選的過(guò)程強(qiáng)化。

圖17 微細(xì)加重質(zhì)氣固流態(tài)化氣泡行為和膨脹特征[29]Fig.17 The bubble behavior and expansion characteristics in fluidized bed using the fine dense medium[29]

2.4 干法重介流態(tài)化分選系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用

如圖18所示，床層的平均密度一方面受加重質(zhì)顆粒性質(zhì)的影響，另一方面受乳化相和氣泡相的比例控制。實(shí)際分選過(guò)程中，由于原煤密度組成存在差異，需要改變介質(zhì)組成以及調(diào)節(jié)兩相的分配比例，實(shí)現(xiàn)床層密度的穩(wěn)定調(diào)控，以保證煤炭的高效分選。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[70-74]調(diào)整操作氣速、床層高度、介質(zhì)配比等因素實(shí)現(xiàn)了工業(yè)分選過(guò)程的密度穩(wěn)定調(diào)控，結(jié)合氣固流化床中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律、兩相分布理論和煤炭干法分選試驗(yàn)，建立了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的分選密度調(diào)控模型[39]：

圖18 氣固流態(tài)化分選密度調(diào)節(jié)原理示意圖[39]Fig.18 Principle of density regulation for dry fluidization beneficiation[39]

式中，ρbed為氣固流化床的床層密度；ρdrag為由床內(nèi)上升氣流對(duì)分選礦物曳力作用產(chǎn)生的密度。

如圖19所示，研究團(tuán)隊(duì)又相繼開發(fā)了新型裝配式耐磨抗堵布風(fēng)結(jié)構(gòu)，提高了床層布風(fēng)的均勻性，解決了布風(fēng)裝置易堵塞帶來(lái)的氣泡兼并等難題；研制了加重質(zhì)內(nèi)循環(huán)裝置，可以使分選機(jī)外介質(zhì)循環(huán)量減少80%以上，提高了床層流化的穩(wěn)定性，減輕了系統(tǒng)負(fù)荷。我國(guó)流態(tài)化干法選煤研究先后歷經(jīng)了實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)試驗(yàn)、半工業(yè)分選試驗(yàn)、工業(yè)性試點(diǎn)試驗(yàn)和工業(yè)化分選應(yīng)用四個(gè)階段，已成功將流態(tài)化干法分選技術(shù)應(yīng)用于煤炭分選加工工業(yè)[70]。目前，分選系統(tǒng)已在新疆寬溝煤礦建造完成了模塊式干法選煤廠，系統(tǒng)處理能力為50 t/h，可以有效分選6～100 mm 塊狀原煤煤炭，生產(chǎn)灰分低于3.5%的超低灰精煤，作為活性炭制造原料，分選數(shù)量效率為90%，可能偏差為0.05～0.08 g/cm3，噸煤加工介質(zhì)損耗小于0.5 kg，實(shí)現(xiàn)了流態(tài)化干法選煤的工業(yè)化應(yīng)用。

圖19 干法重介流態(tài)化分選工業(yè)系統(tǒng)及過(guò)程強(qiáng)化途徑[70]Fig.19 The industrial system of dry fluidization beneficiation and related methods of process intensification[70]

3 結(jié) 論

氣固流態(tài)化干法分選技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，為我國(guó)干旱缺水地區(qū)煤炭的清潔利用提供了一條切實(shí)可行的途徑。理解介尺度結(jié)構(gòu)的形成與演變是實(shí)現(xiàn)流態(tài)化分選過(guò)程強(qiáng)化的基礎(chǔ)，本文從介尺度視角梳理了單元分選設(shè)備和系統(tǒng)放大過(guò)程中兩個(gè)層次的關(guān)鍵問題。針對(duì)單元設(shè)備層次的介尺度結(jié)構(gòu)，相繼開發(fā)了氣泡識(shí)別的測(cè)試技術(shù)以及識(shí)別算法，利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究結(jié)合的方式獲取了氣泡結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，建立了可用于預(yù)測(cè)氣泡運(yùn)動(dòng)行為的數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)演變過(guò)程的闡釋。針對(duì)工業(yè)系統(tǒng)放大過(guò)程中介尺度結(jié)構(gòu)的演變機(jī)制，提出了適用于干法分選流態(tài)化的粗?；M方案，并加入了權(quán)函數(shù)插值算法，建立了EMMS-DPM-DEM 多尺度計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)分選流化床的數(shù)值模擬，揭示了分選機(jī)尺寸放大和床層高度放大對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)演變的影響，為研究分選系統(tǒng)的放大機(jī)制提供了有效途徑。針對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控，從引入外來(lái)能量與優(yōu)化加重質(zhì)的選擇方面開展了研究，考察了振動(dòng)與脈動(dòng)能量對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)聚并與破裂的影響，分析了Geldart A 類的磁鐵礦粉與Geldart C 超細(xì)煤粉組成的微細(xì)加重質(zhì)對(duì)介尺度結(jié)構(gòu)的改善特性，實(shí)現(xiàn)了介尺度結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。在上述研究的基礎(chǔ)上，建立了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的分選密度調(diào)控模型，改善了工業(yè)分選裝置相結(jié)合的方式，削弱了工業(yè)分選過(guò)程中氣泡兼并帶來(lái)的不利影響，提升了分選系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了6～100 mm 塊狀原煤煤炭的有效分選，對(duì)解決我國(guó)干旱缺水地區(qū)煤炭提質(zhì)具有重要的意義。