柱式流化床去除噴吹煤中煤系黃鐵礦過程模擬

于艷輝,史長亮

(1.永城職業(yè)學院 機電工程系,河南 永城 476600;2.河南理工大學 化學化工學院,河南 焦作 454003)

0 引 言

2021年中國消費近49.8億t標準煤,占一次能源消費總量的56.8%,中國以煤為主要能源結(jié)構的形式依然沒有改變。煤炭在消費過程中,僅電煤消費占比達60%以上,然而煤炭在燃燒過程中不可避免的產(chǎn)生氣體污染、粉塵危害、固廢堆積等環(huán)境問題,尤其是燃煤過程中產(chǎn)生的SO2是亟需解決的環(huán)境熱點問題[1-2]。

為提高煤炭清潔化利用效率,燃前高梯度磁選脫硫技術是一項能耗低、工藝簡單的綠色分選技術,該技術可與現(xiàn)有磨粉噴吹工藝系統(tǒng)中的流化床進行關聯(lián),可深度脫除占比20%左右、密度大、粒度粗的富集回粉中的煤系黃鐵礦,煤系黃鐵礦的流化床富集及高梯度磁選技術研究意義重大[3-4]。陳清如等[5]、焦紅光等[6-7]、鐵占續(xù)等[8]、駱振福等[9]、ZHANG等[10]、ORDER等[11]從高梯度磁選機研發(fā)、煤粉磁性強化技術研究以及磁選過程機理、不同地域煤粉磁性質(zhì)等方面進行大量工作,證實了高梯度磁選脫除煤系黃鐵礦的可行性以及煤系黃鐵礦初步富集效率影響的重要性,但基于現(xiàn)有流化床對煤系黃鐵礦去除的技術研究較少。李桂春等[12]針對某電廠回粉開展流態(tài)化分選試驗,<0.22 mm黃鐵礦在流化床底部富集且全硫含量在15%以上,灰分高達72.3%,證實流化床可脫除大部分黃鐵礦;HYUNG等[13]通過設計360°入料口結(jié)構優(yōu)化柱形分選腔體,從而有效提高了分選粒度上限;GURUPRASAD等[14]研究了針對流化床流場特性可適用的Urans、Les和混合Les / Rans模型的優(yōu)缺點,為流場模型的優(yōu)選提供參考;SOUZA等[15]采用歐拉-拉格朗日方法和單向耦合方法進行了數(shù)值模擬,評估了入口管道長度對流場和分離效率的影響,結(jié)果表明入口導管長度為筒體直徑的1.5倍時,其對流化床性能影響較小;WASILEWSKI等[16]提出在柱形腔體內(nèi)部設計倒錐體結(jié)構,模擬驗證了該結(jié)構可強化流化床的富集效率;DEHDARINEJAD等[17]、常明等[18]、魏培等[19]指出流化床分選礦物過程,對其分選性能影響至關重要的關鍵參數(shù)包括粒度、氣體流速、顆粒負載量、分選時間等。但對基于數(shù)值模擬手段研究不同粒級對流化床分選過程影響特性的研究仍不充分,通過優(yōu)化流化床分選結(jié)構、借助合理流態(tài)化計算模型、限定各關鍵參數(shù)值,有助于明確煤系黃鐵礦富集過程的微觀運動特性,從而為燃前磁選凈化技術提供借鑒。

筆者設計了柱式流化床結(jié)構,選取煤基質(zhì)及煤系黃鐵礦單體構成的混合物作為研究對象,模擬了不同粒度、流化速度以及混合比影響下顆粒群跡線信息,以煤系黃鐵礦高的富集效率作為評價目標,分析去除過程,研究結(jié)論對于改善高梯度磁選入料質(zhì)量,豐富噴吹燃煤脫硫技術體系具有積極意義。

1 試 驗

1.1 試驗原料

柱形流化床去除試驗中的煤系黃鐵礦選用貴州松河礦,煤基質(zhì)選用經(jīng)浮沉后的<1.3 kg/m3浮沉凈煤;圖1(a)中的黃鐵礦成分特征峰較明顯,經(jīng)測試全硫質(zhì)量分數(shù)22.4%;圖1(b)主要是高嶺石組分,其含碳量為70%;按照GB/T 217—2008《煤的真相對密度測定方法》測定煤系黃鐵礦與浮沉凈煤的真密度分別為3 900、1 200 kg/m3。

圖1 試驗樣品XRDFig.1 XRD diagram of experimental samples

1.2 自制柱形流化床

自制柱形流化床如圖2所示,氣流從一次進風口進入聚風區(qū)并向風選管內(nèi)通入穩(wěn)定氣流,在整個分選區(qū)域內(nèi)的一次錯配區(qū)煤系黃鐵礦和煤基質(zhì)開始分離,二次錯配區(qū)再次強化煤系黃鐵礦和煤基質(zhì)的分離,最終煤基質(zhì)被帶入氣流緩沉區(qū)從輕產(chǎn)物收集口收集,煤系黃鐵礦在重產(chǎn)物收集口收集。

圖2 自制柱形流化床 Fig.2 Self-developed column fluidized bed

1.3 研究方法

對整個流體域進行四面體結(jié)構網(wǎng)格劃分,畸變度平均值為0.22,最高值為0.79,生成68 105 個單元、103 813 個節(jié)點,保證計算精度(圖(3));選擇了7萬、14萬、29萬3種不同數(shù)量的網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性驗證,得到柱形流化床風選管中軸線上在不同網(wǎng)格數(shù)量下速度分布(圖3(c)),當網(wǎng)格數(shù)量超過7萬后,風選管中軸線上的速度分布無較大變化,綜合考慮計算效率和計算精度,選擇7萬網(wǎng)格進行模擬計算;選用Realizablek-epsilon RANS模型,使用DPM對粒子運動軌跡進行計算[20];球形度選取,對粗顆粒和中等顆粒使用Spherical drag law,對細粒度顆粒使用Non-spgerical drag law,且Shape factor設置為0.65;模擬邊界條件和模擬參數(shù)具體情況見表1;通過考察模擬中粒子運動軌跡(藍色顆粒為煤基質(zhì);紅色顆粒為煤系黃鐵礦)及分選后收集輕產(chǎn)物的硫分、礦物成分評價分選效率,并對輕產(chǎn)物的模擬產(chǎn)率和分選產(chǎn)率比較,證實模擬技術的可行性。

表1 模擬邊界條件和顆粒屬性Table 1 Simulate boundary conditions and particle propertie

圖3 模擬設置Fig.3 Simulation settings

2 結(jié)果與討論

2.1 流化場特性

圖4(a)為流化速度1.0 m/s時流化床內(nèi)速度分布云圖,與注入風口對應的1處速度為0.78 m/s,之后流化速度有所削弱并流經(jīng)分選區(qū)域內(nèi)所含測點2、3、4、5處,其模擬值分別為0.58、0.59、0.63、0.52 m/s;采用智能壓力風速風量儀(型號:DP2000)由連接口進入風選管內(nèi)(圖4(b))并對各測點實測,實測值與理論值誤差均小于5%(圖4(c)),證實模擬條件設置合理。

圖4 速度1.0 m/s時流化床流速特性Fig.4 Velocity characteristics of fluidized bed at 1.0 m/s

2.2 粒度對于煤系黃鐵礦去除的影響

在風速1.0 m/s條件下,對磨礦工藝中常見主導粒度分別為0.150、0.125、0.106、0.090、0.074 mm的混合顆粒在柱形流化床中的分離過程進行模擬,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粒度影響下粒子軌跡Fig.5 Particle trajectory under the influence of different particle size

由圖5可知,0.15 mm混合顆粒全部從重產(chǎn)物收集口排出,0.074 mm混合顆粒大多數(shù)從輕產(chǎn)物收集口排出,分離效果較差;而0.090～0.125 mm混合顆粒,煤基質(zhì)與煤系黃鐵礦分別在輕產(chǎn)物收集口與重產(chǎn)物收集口富集,風速1.0 m/s適于該粒級的分選,為進一步研究該粒級組成與流場的響應關系,模擬按粒度及密度區(qū)分的運動特性如圖6所示。圖6(a)顯示輕產(chǎn)物收集口、重產(chǎn)物收集口不同粒度顆粒均有富集,圖6(b)顯示輕產(chǎn)物收集口均為低密度顆粒,而重產(chǎn)物收集口部分低密度顆粒被夾帶,0.090～0.125 mm中部分煤基質(zhì)受粒度效應影響被損失。此外,通常因磨煤機工況,磨粉系統(tǒng)中不可避免出現(xiàn)粗粉和細粉,進一步研究粗粉和細粉與流化速度的響應關系至關重要。

圖6 0.090～0.125 mm顆粒運動特性Fig.6 Motion characteristics of 0.090-0.125 mm particles

2.3 流化速度對煤系黃鐵礦去除的影響

圖7和8分別為粗粉顆粒(0.15～0.20 mm)和細粉顆粒(0.045～0.074 mm)在不同流化速度下的運動特性。

圖7 不同流化速度下粗粉顆粒運動特性Fig.7 Motion characteristics of coarse-grained particles under differ rent fluidization speeds

圖7(a)反映不同流化速度影響下粒度響應較明顯,流化速度為1.5 m/s時,輕產(chǎn)物收集口處均為粒度較小顆粒富集,隨流化速度增大,輕產(chǎn)物收集口出現(xiàn)不同粒度顆粒富集、且富集數(shù)量越來越多;圖7(b)顯示密度與流化速度的響應程度并不明顯,在1.5、2.0 m/s時,重產(chǎn)物收集口處有煤基質(zhì)的夾雜,在3.0 m/s時,輕產(chǎn)物收集口處出現(xiàn)煤系黃鐵礦的夾雜;綜合分析:當風速為2.5 m/s時柱式流化床可以完成對粗粉顆粒有效分選。推測在流化床分選過程中,煤基質(zhì)將大概率損失于粗粉顆粒。

由圖8可知,細粉顆粒對于流化速度變化較為敏感。當流化速度大于0.6 m/s時,因流速過大會有部分高密度顆粒從輕產(chǎn)物收集口被富集,而當風速小于0.4 m/s時,部分低密度顆粒因流速過小從重產(chǎn)物收集口富集,在流速為0.5 m/s時分選效果較好,但輕產(chǎn)物收集口仍有煤系黃鐵礦夾雜,因此應盡量避免磨煤機出現(xiàn)過磨現(xiàn)象。

圖8 不同流化速度下細粉顆粒運動特性Fig.8 Motion characteristics of fine-grained particles under different fluidization speeds

為進一步解釋流化速度經(jīng)優(yōu)化后對輕產(chǎn)物的作用效果,提煉上述模擬結(jié)果做不同粒度輕產(chǎn)物收集產(chǎn)率及速度分布對比,如圖9所示。圖9 (a)表明優(yōu)化的流化速度可完全滿足不同粒級強產(chǎn)物的需求,能夠從輕產(chǎn)物收集口處順利收集,保證分選效果;圖9(b)表明經(jīng)優(yōu)化后不同粒度的輕產(chǎn)物分配率都較高,分選效果較好。

圖9 優(yōu)化流化速度下不同粒度輕產(chǎn)物收集產(chǎn)率及速度分布對比和各粒級輕產(chǎn)物百分比實測與模擬值對比Fig.9 Comparison of collection yield and velocity distribution of light products with different particle sizes under optimized fluidization velocity and comparison of measured and simulated light product percentage of each particle size

2.4 配比對煤系黃鐵礦去除的影響

因?qū)嶋H分選中不同煤樣含硫不同,進一步研究各粒級煤系黃鐵礦與煤基質(zhì)在最佳對應流化速度條件下不同配比(2∶3、1∶4)顆粒運動特性,如圖10～12所示。

圖10 不同配比下細粉顆粒運動特性Fig.10 Motion characteristics of fine-grained particles under different mixture ratio

圖11 不同配比下中粒級運動特性Fig.11 Motion characteristics of middle-grained particles under different mixture ratio

圖12 不同配比下粗粉顆粒運動特性Fig.12 Motion characteristics of coarse-grained particles under different mixture ratio

由圖10～12對比可知,隨煤系黃鐵礦含量減少,因細粉顆粒的粒度效應對于流化速度的響應更明顯,輕產(chǎn)物收集口出現(xiàn)了更多的煤系黃鐵礦;中粒級與粗粉顆粒含煤基質(zhì)、煤系黃鐵礦的分離受煤系黃鐵礦含量變化影響不大,中粒級所含煤系黃鐵礦和煤基質(zhì)在分選區(qū)中的二次錯配區(qū)出現(xiàn)混合返料,因此重產(chǎn)物收集口有部分煤基質(zhì)殘留;但粗粉顆粒在一次錯配區(qū)即實現(xiàn)有效分離,粗粉顆粒更易被分離。

2.5 柱式流化床驗證

基于自制柱形流化床,根據(jù)模擬設定粒度條件分別選取0.15～0.20、0.090～0.125、0.045～0.074 mm三種煤系黃鐵礦與煤基質(zhì)1∶4混合樣,為進一步評價柱式流化床分選試驗效果及所需最佳流化速度,每種粒度下分別對應選取模擬優(yōu)化的流化速度及對比流化速度,通過計算輕產(chǎn)物的試驗產(chǎn)率與模擬產(chǎn)率對比,證實模擬技術的可信度并評價柱式流化床去除效率;同時,煤系黃鐵礦與煤基質(zhì)分離效果評價見表2,其對應對比結(jié)果如圖13所示。

表2 煤系黃鐵礦與煤基質(zhì)分離效果評價Table 2 Evaluation of separation effect on coal-pyrite and coal-matrix

圖13 不同粒級混合樣及分離輕產(chǎn)物XRD圖對比Fig.13 XRD patterns of mixed samples with different particle sizes and separated light products

由表2可知,不同條件下收集各粒級輕產(chǎn)物的硫分較混合樣大幅降低,且模擬優(yōu)化的流化速度值對應的去除效率最佳;圖13進一步證實在模擬優(yōu)化條件下進行柱式流化床分選試驗可達較高去除效率;同時針對0.15～0.20、0.090～0.125和0.045～0.074 mm,試驗后輕產(chǎn)物的收集產(chǎn)率分別為98.3%、94.6%和94.2%,模擬理論分別為99.4%、98.2%和91.7%,其相對誤差分別為1.1%、3.6%和2.5%,證實模擬可信。

3 結(jié) 論

1)自制柱式流化床分選區(qū)內(nèi)流化速度分布較平穩(wěn),且分選區(qū)設計的一次錯配區(qū)和二次錯配區(qū)可提高煤系黃鐵礦和煤基質(zhì)的分離效果。

2)不同粒級與對應流化速度的響應程度不同。粗粉顆粒在一定流化速度區(qū)間,分離效果最明顯,且受干擾程度小;中粒級為主導粒級,可被有效分離,但隨煤系黃鐵礦含量增大,流化床的二次錯配區(qū)出現(xiàn)返料現(xiàn)象,造成煤基質(zhì)一定程度損失;細粉顆粒受流化速度影響最明顯,且理論分離效果較差,控制前端過磨現(xiàn)象。

3)粗粉顆粒(0.15～0.20 mm)對應2.5 m/s、中粒級(0.090～0.125 mm)對應1.0 m/s、細粉顆粒(0.045～0.074 mm)對應0.5 m/s,輕產(chǎn)物收集產(chǎn)率分別為99.4%、98.2%、91.7%。

4)自制流化床分選混合樣品后煤系黃鐵礦混入輕產(chǎn)物的概率降低,不同粒級收集輕產(chǎn)物的硫分得到有效控制,且試驗產(chǎn)率與模擬產(chǎn)率接近,表明選用DPM模型具合理性,自制分選流化床分選可行。