振動流化床流化特性與細粒煤干法分選

董 良，張亞東，趙躍民，段晨龍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國煤炭資源與水資源呈逆向分布，煤炭資源豐富的西部地區(qū)，屬于干旱缺水地區(qū)，且水資源短缺問題日益嚴峻，迫切需要煤炭高效干法分選技術(shù)[1]?？諝庵亟橘|(zhì)流化床選煤技術(shù)作為一種高效的干法選煤方法，主要適用于>6 mm粒級的煤炭分選，其流化床層的似流體特性是其應(yīng)用于煤炭按密度分選的關(guān)鍵。隨著我國煤炭開采規(guī)模的擴大以及煤炭綜采機械化、大型化程度的提高，開采原煤中<6 mm細粒煤的含量增大，有的甚至超過60%。然而，隨著細粒煤顆粒粒度的減小，其在普通氣固流化床中的分選過程易受顆粒群慣性遷移效應(yīng)的影響，同時床層中團聚、溝流、死區(qū)及劇烈鼓泡現(xiàn)象的存在，加劇了顆粒床層的宏觀返混，降低了顆粒按密度沉降離析的精度和效率[6]。因此，細粒煤分選成為煤炭高效干法分選的關(guān)鍵難題，是制約煤炭全粒級大規(guī)模干法分選的技術(shù)瓶頸。針對細粒煤在普通氣固流化床中分選存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者提出引入外力場強化氣固流化床分選環(huán)境的均勻穩(wěn)定性以提高細粒煤的分選效果[7-10]。振動流化床是在氣固分選流化床中引入振動能量，改善分選流化床中難以均勻流化的微細顆粒和強黏性顆粒的流化狀態(tài)，達到均勻穩(wěn)定的微泡或準散式流態(tài)化，形成適合細粒煤按密度精準分離的分選環(huán)境[11-15]。

振動流化床被引入到煤炭干法分選領(lǐng)域后，國內(nèi)外學(xué)者針對振動流化床的機械設(shè)計和分選特性進行了系統(tǒng)的研究。BEECKMANS[16]和MACPHERSON[17]分別設(shè)計研究了水平桿式振動流化床分選機和振動逆流式分選機，并對振動流化床的分選效果進行了測試，結(jié)果表明，利用振動流化床能夠?qū)毩Ｃ禾窟M行有效分選。隨后，VAN HOUWELINGEN[18]設(shè)計了半工業(yè)振動分選機，并利用平均粒度為0.22 mm的石英砂作為加重質(zhì)，系統(tǒng)地研究了入料水分、組成和流化氣速對分選效果的影響。RUBARTH[19]設(shè)計研究了不加介質(zhì)的AKAFLOW半工業(yè)化振動分選機，并將該設(shè)備與其他選煤設(shè)備對細粒煤的分選效率進行了對比，結(jié)果表明，AKAFLOW振動分選機能夠有效分選<2 mm的細粒煤。與此同時，隨著我國煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，煤炭開采及賦存條件的嚴峻變化使得細粒煤炭資源的分選成為我國煤炭行業(yè)和環(huán)保行業(yè)急需解決的關(guān)鍵問題與共性問題。靳海波等[20-21]研究了顆粒物性參數(shù)與振動參數(shù)對床層流化特性的影響，通過數(shù)值模擬研究了細顆粒物料在振動流化床中的分選行為，得到最佳分選操作氣速流化數(shù)范圍為1.0～2.0。此外，在振動流化床分選過程中，由于入選原煤的高含水量易導(dǎo)致加重質(zhì)黏附在煤炭表面，惡化流化效果，降低細粒煤的分選精度。因此，韋魯濱等[22]研究了振動流化床分選過程中原煤中水分的傳遞及其對分選效果的影響。中國礦業(yè)大學(xué)在細粒煤振動流化床干法分選方面開展了大量的研究工作，提出了振動重介質(zhì)分選流化床分選方法[23-24]，研究了振動流化床細粒煤的分選原理，并對6～0.5 mm細粒煤進行了連續(xù)分選試驗，精煤灰分為8.35%，產(chǎn)率為80.2%，可能偏差為0.065～0.085 g/cm3;研究了細粒煤自生介質(zhì)振動流化床干法分選理論與技術(shù)[25-26]，結(jié)果表明振動-氣流驅(qū)使細粒煤層形成的團涌-自生介質(zhì)流化環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)細粒煤的有效分選，并利用高速攝像機捕捉到細粒煤分選的周期性團涌行為，建立了團涌毗鄰區(qū)氣泡兼并過程的動力學(xué)方程和團涌生長機理模型;提出了低品質(zhì)煤振動流化床脫灰脫水一體化方法[27-28]，使原煤灰分降低17.09%，水分脫除25.72%，脫水脫灰后產(chǎn)品發(fā)熱量提高1.04×104kJ/kg。在振動流化床分選細粒煤過程中，氣泡是影響分選精度的重要因素，因此，降低氣泡運動對顆粒分離行為的影響，改善床層流化質(zhì)量，是降低分選物料的錯配概率，提高細粒煤分選精度的有效途徑。

針對細粒煤干法分選過程中分選精度低的問題，研究細粒煤分選過程中床層的壓降波動特性及氣泡運動行為對分選效果的影響。通過利用壓力信號分析方法研究不同操作條件下的壓降信號波動，分析壓降信號的能量分布特征。通過對6～1 mm細粒煤進行分選試驗，探究細粒煤選后產(chǎn)品的數(shù)量分布規(guī)律及氣泡運動對煤炭顆粒分選效果的影響。

1 試驗系統(tǒng)與材料

1.1 試驗系統(tǒng)

本研究振動分選流化床試驗系統(tǒng)如圖1所示，將圓柱形有機玻璃制成的分選流化床(直徑D=200 mm，靜床高H=210 mm)固定于電磁振動臺上，形成振動分選流化床。在流化床邊壁等間距(40 mm)設(shè)置壓力傳感器探頭。試驗時，通過調(diào)節(jié)氣速v、振幅A和振動頻率f使得流化床床層在氣流和振動能量的綜合作用下流化，壓力信號的采集頻率依據(jù)奈奎斯特定律設(shè)置為1 024 Hz，采集時長設(shè)置為60 s[29]。采用信號處理分析方法對壓力波動信號進行時域分析和頻域分析。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Structure of the experimental apparatus

1.2 試驗材料

試驗選擇煤粉和主導(dǎo)粒級為0.3～0.074 mm的磁鐵礦粉作為二元復(fù)合介質(zhì)，煤粉與磁鐵礦粉的質(zhì)量比為18∶82。磁鐵礦粉中0.3～0.15 mm粒級的質(zhì)量分數(shù)為80%，0.15～0.074 mm粒級占磁鐵礦粉總質(zhì)量的16%，<0.074 mm粒級占4%，其粒度組成和密度特性如圖2所示。在氣體和振動能量的共同作用下，床層介質(zhì)形成密度均勻穩(wěn)定的似流體環(huán)境，滿足入選顆粒按密度分選的要求。分選試驗采用6～1 mm粒級細粒煤作為入選煤樣，其原煤灰分為15.56%。通過對細粒煤顆粒進行浮沉試驗，獲得6～1 mm細粒煤密度組成如圖3所示，同時依據(jù)煤炭的可選性曲線，將<1.68 g/cm3密度級的顆粒產(chǎn)品作為精煤。

圖2 磁鐵礦粉粒度與密度特性Fig.2 Characteristics of size and density of magnetite powder

圖3 6～1 mm細粒煤密度及灰分特性Fig.3 Density and ash content distribution of 6～1 mm fine coal

1.3 評價指標(biāo)

氣固流化床具有液體的流動特性等，即似流體特性，但由于氣固流化床屬于聚式鼓泡流化床，氣泡行為導(dǎo)致其床層波動較大，引起床層密度時空分布的不均勻性。因此，氣固流化床床層波動劇烈程度是影響煤炭干法分選的關(guān)鍵，不同的流化狀態(tài)對床層中入選煤炭和加重質(zhì)顆粒的運動行為具有不同的影響。氣固流化床中壓力波動是氣體通過顆粒層所產(chǎn)生的物理響應(yīng)，床層壓力波動能直接反映流化床的動力學(xué)特性。氣固流化床中壓力信號波動根據(jù)其產(chǎn)生的原因可以分為宏觀信號、介觀信號和微觀信號。宏尺度結(jié)構(gòu)的顆粒層整體振蕩產(chǎn)生的壓力信號頻率較低，為宏觀信號;介尺度的氣泡運動產(chǎn)生的壓力波動為介觀信號;乳化相中微尺度的微細顆粒和氣流運動產(chǎn)生的高頻壓力波動，為微觀信號。通過分別計算宏觀、介觀和微觀信號的能量，揭示不同流型內(nèi)部動態(tài)行為及流型演變的動態(tài)特性。其床層壓力能量總和Et表達式為

Et=Emacro+Emeso+Emicro

(1)

式中，Emacro,Emeso和Emicro分別為宏觀、介觀和微觀信號的能量。

為了研究細粒煤在振動流化床中的分選效果，根據(jù)香農(nóng)的數(shù)學(xué)熵概念[30]，提出雙組分顆?；旌响卦u價指標(biāo)，定量評價精煤和矸石組分在不同操作條件下的混合和分離效果，其顆?；旌响豐b表達式為

(2)

其中，αi為一種顆粒在床層某一層處的質(zhì)量分數(shù)，n=2，這意味著混合固體僅為潔凈煤和煤矸石。Sb作為顆?；旌系闹笜?biāo)，能有效地反映所選原煤在床層中的分選效果。Sb值越小，顆粒的分離狀態(tài)越明顯，Sb值越大，顆粒越接近完全混合狀態(tài)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 流化質(zhì)量與壓力波動

氣固流化床床層壓力波動信號易測量，并能夠直觀反映局部床層的流化特征[31]。試驗測得不同操作條件下床層壓力波動隨時間的變化規(guī)律如圖4所示。壓力波動的幅值隨氣速的增大而增大，且波動程度逐漸由平穩(wěn)轉(zhuǎn)為劇烈波動。當(dāng)f=10 Hz，A=2 mm,v=12 cm/s時，由于振動頻率較小，無法有效抑制床層中氣泡的生長，導(dǎo)致床層中大氣泡的數(shù)量較多，氣泡運動引起的床層壓力波動明顯。隨著振動頻率的增加，振動能量對氣泡行為的抑制作用增強，通過床層的過量氣體主要以微小氣泡形式散布在床層中，此時，床層完全流化，氣固兩相間接觸效率較高，床層壓力波動平穩(wěn)。當(dāng)振動頻率繼續(xù)增大至30 Hz時，較大的振動能量不能均勻同向作用于顆粒，導(dǎo)致床層顆粒劇烈不規(guī)則振動，而進入床層中的過量氣體無法均勻通過顆粒床層，造成大氣泡的形成并引起床層的劇烈波動。此外，隨著振幅的增加床層壓力波動逐漸加劇。由于振幅的增加，單位時間內(nèi)布風(fēng)板與顆粒床層間的壓縮氣體量增大，導(dǎo)致分布于床層內(nèi)的氣泡尺寸增加，床層壓力波動逐漸加劇。

圖4 不同操作條件下床層的壓降波動規(guī)律Fig.4 Pressure drop fluctuation rule of bed under different operating conditions

分選流化床密度的均勻穩(wěn)定性對細粒煤的分選精度具有重要影響。通過采集60 s時長內(nèi)床層不同角度向和徑向位置處的密度值，計算不同位置處床層密度在 60 s 內(nèi)的平均值，進而進行圖像重構(gòu)，得到不同操作條件下床層密度的分布云圖，如圖5所示。其中，橫縱坐標(biāo)X,Y均為流化床橫截面直徑,低氣速時，床層密度呈中部低四周高的分布狀態(tài)，通過結(jié)合試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過量氣體通過床層時，床層中間位置首先發(fā)生流化，并出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象，而床層周圍仍處于失流化狀態(tài)，因此，低氣速時床層密度的分布特征如圖5(a)所示。隨著氣速的增加，床層中心低密度區(qū)域范圍逐漸擴大，但由于邊壁效應(yīng)的存在，床層周邊密度仍高于床層中心密度。當(dāng)氣速過大時，過量氣體主要以大氣泡形式通過床層中間位置，而周邊失流化區(qū)域仍存在，此時，床層擾動劇烈，密度分布極不穩(wěn)定。在相同氣速條件下，增大振動能量能夠促進床層顆粒的松散程度，降低氣流通過顆?？障端艿淖枇?。在A=2 mm，f=20 Hz，v=12 cm/s條件下，床層呈微泡準散式流化狀態(tài)，此時，床層密度分布均勻穩(wěn)定。因此，振動頻率的增大能夠抑制氣泡的生成和長大，改善氣固兩相的接觸和流化狀態(tài)，且在振動與氣流的協(xié)同作用下，床層氣固兩相接觸均勻穩(wěn)定。

圖5 不同操作條件下床層的密度分布Fig.5 Bed density distribution under different operating conditions

2.2 壓力波動的能量分布

為了研究不同操作因素對壓力波動的影響，利用傅立葉變換對壓力信號進行了頻域分析，計算得到其能量值。壓力波動信號能量隨操作因素的變化規(guī)律如圖6所示，隨著氣速的增加，壓力波動信號能量值逐漸增大。氣速的增加導(dǎo)致床層中氣泡尺寸的增大，顆粒的碰撞加劇，進而引起床層壓力波動信號的幅值增加且波動劇烈。隨著振動頻率和振幅的增加，床層壓力波動信號的能量值均呈增大趨勢。振動作用能夠抑制床層中氣泡的生長尺寸，增強氣固接觸，同時也強化了顆粒的運動，增加了床層流化的復(fù)雜性。因此，氣速、振動頻率和振幅越增加，床層壓力波動的能量也越大。

圖6 床層壓力波動能量隨不同操作條件的變化規(guī)律Fig.6 Energy variation of bed pressure drop signal under different operating conditions

由于氣泡運動引起的壓力信號屬于介觀信號，因此，研究介觀結(jié)構(gòu)信號的能量特征，能夠間接表征氣泡運動行為對細粒煤分選效果的影響[32]。通過低通濾波獲取介觀信號，并計算壓力信號的能量值用以分析氣泡的演變規(guī)律。不同操作條件下氣泡引起的壓力波動的能量分布如圖7所示。隨著氣速的增加，氣泡引起壓力波動的能量呈先增加后降低的趨勢。結(jié)合現(xiàn)有文獻報道中的研究[33-34]，結(jié)果表明，床層中氣泡的尺寸隨著氣速的增加呈增大趨勢，導(dǎo)致其引起的壓力波動幅值較大，能量也較高。當(dāng)氣速過大時，在振動和氣流的交互作用下，氣泡的破裂和生成頻率增

圖7 氣泡引起的壓力波動能量隨頻率和振幅的變化規(guī)律Fig.7 Energy variation of pressure drop signals caused by bubbles under different operating conditions

大，床層中過量氣體以大量小尺寸氣泡形式存在，因此，其對應(yīng)的壓力波動能量降低，這與已公開的研究結(jié)果相吻合[35-36]。振動頻率對壓力信號的影響結(jié)果如圖7(a)所示，在低氣速條件下，隨著振動頻率的增加，壓降信號的能量逐漸增大，而在高氣速條件下，f=20 Hz時的壓降信號的能量較f=10 Hz和f=30 Hz條件下低，結(jié)果表明，在一定的氣速和振動頻率作用下，氣泡對床層的擾動降低，床層流化均勻穩(wěn)定。由床層中氣泡引起的壓力波動能量隨振幅的變化如圖7(b)，隨著振幅的增加，氣泡引起的壓力波動能量逐漸增大，隨著振幅的增大，單位時間內(nèi)布風(fēng)板與顆粒床層間被壓縮的氣體量增大，且振動能量在顆粒間的傳遞方向不同且不均勻，導(dǎo)致振幅越大，顆粒的不規(guī)則劇烈運動越明顯，床層中大氣泡的形成機率越高，壓力波動的能量越大。

2.3 細粒煤灰分離析特性

煤炭顆粒在氣固流化床中按密度離析，實現(xiàn)低密度精煤顆粒和高密度矸石顆粒的有效分離。不同氣速、振動頻率和振幅操作條件下分選后煤炭顆?；曳盅卮哺叩姆植既鐖D8所示，其中無量綱高度hi/H為不同取樣高度hi與床高H的比值。選后煤炭顆粒的灰分沿床高方向逐漸增加，且隨氣速、頻率和振幅的增大其灰分均呈先降低后增加的趨勢。其原因是，氣速較小時，床層未完全流化，精煤和矸石組分無法按照密度實現(xiàn)有效分離。氣速較大時，床層中大量氣泡的產(chǎn)生容易擾動已分離的顆粒組分重新返混，惡化細粒煤的分選效果。而當(dāng)振幅和頻率較低時，較小的振動能不足以抑制氣泡運動行為對顆粒離析的擾動;振幅和頻率較高時，較強的振動能量又導(dǎo)致大量不規(guī)則氣泡的產(chǎn)生。因此，較小或較大的振動參數(shù)均不能削弱氣泡對分選過程的擾動，提高細粒煤在床層中的分選效果。

為研究煤炭在振動流化床中的分選效率，選后煤炭產(chǎn)率隨不同操作條件的分布規(guī)律如圖9所示，隨床層軸向高度的增加，各層煤炭產(chǎn)率逐漸增大，且在A=2 mm，f=20 Hz，v=12 cm/s條件下，床層頂層的煤炭產(chǎn)率較其他操作條件較高，且灰分較低，結(jié)合圖8所示。因此，在A=2 mm，f=20 Hz，v=12 cm/s條件下，煤炭中的精煤和矸石組分實現(xiàn)了有效的分離。通過試驗結(jié)果分析可知，煤炭在適當(dāng)?shù)恼駝优c氣流協(xié)同作用影響下，振動流化床具有良好的分選性能，即低密度精煤顆粒上升至床層頂部，高密度矸石顆粒下沉至床層底部。

圖8 不同操作條件下選后顆?；曳盅卮矊虞S向高度的分布Fig.8 Distribution of ash particles along the axial height of the bed under different operating conditions

圖9 產(chǎn)品產(chǎn)率沿床層軸向高度的分布Fig.9 Distribution of cleaned coal ratio along axial height of bed under different operating conditions

2.4 細粒煤的分選效果

為表征細粒煤顆粒在床層中的分選效果，提出利用精煤和矸石組分的顆粒混合熵來判定兩組分的離析程度。不同操作條件下精煤和矸石兩組分顆粒的混合熵變化規(guī)律如圖10所示，隨著氣速的增大，顆?；旌响氐淖兓厔菹冉档秃笊?，且在v=12 cm/s時，達到最低。因此，在v=12 cm/s時，精煤和矸石的分離程度最高，細粒煤的分選效果最好。在較小或較大氣速條件下，振動頻率和振幅的增加，均導(dǎo)致精煤和矸石的顆?；旌响氐脑黾覽37]，但在f=20 Hz，A=2 mm和v=12 cm/s時，精煤和矸石的顆?；旌响叵鄬^低，與圖8，9的結(jié)果相一致。結(jié)果表明，振動和氣流的協(xié)同作用能夠促進細粒煤的分選效果，但較低或較高的振動作用不利于細粒煤的分選。

圖10 不同操作條件下顆粒混合熵的變化規(guī)律Fig.10 Changes of particle mixing entropy under different operating conditions

在2.3節(jié)得到的振動流化床最佳操作參數(shù)條件下，對6～1 mm細粒煤開展了分選試驗研究，采用可能偏差E值和錯配物含量作為煤炭分選效果的評價指標(biāo)。6～1 mm細粒煤的產(chǎn)品分配曲線和錯配物曲線分別如圖11所示。圖11(a)中，在A=2 mm，f=20 Hz和v=12 cm/s條件下，6～1 mm細粒煤的分選精度E值分別為0.095 g/cm3，實際分選密度為1.68 g/cm3，精煤灰分為9.59%，精煤產(chǎn)率為54.5%，試驗結(jié)果表明細粒煤經(jīng)過分選已經(jīng)達到降灰提質(zhì)的要求。此外，在分選密度為1.68 g/cm3時，輕產(chǎn)品的錯配率為2.0%，重產(chǎn)物的錯配率為4.8%，錯配物總量占比為6.8%(分選各產(chǎn)物中錯配物質(zhì)量總和占入料質(zhì)量的百分數(shù)，即為錯配物總量占比)，具體如圖11(b)所示。

圖11 6～1 mm細粒煤分選分配曲線和錯配物曲線Fig.11 Partition curves and misplaced material content curves of 6～1 mm fine coal separation

3 結(jié) 論

(1)床層壓降波動能夠直觀反映床層密度分布的均勻穩(wěn)定性，壓降波動越劇烈，床層流化質(zhì)量越差，床層密度分布越不均勻。在A=2 mm，f=20 Hz，v=12 cm/s條件下，床層壓降波動穩(wěn)定，床層密度分布較為均勻，且能夠滿足細粒煤按密度精準分選的要求。

(2)壓降信號是床層流化特征的綜合反映，分析壓降信號的能量變化能夠量化研究不同流化現(xiàn)象對壓降信號波動的響應(yīng)。隨著氣速、振動頻率和振幅的增大，床層壓降信號的能量增加，且波動劇烈。而氣泡引起壓降信號的能量隨著氣速的增加，呈先增加后降低的趨勢。隨著振幅和頻率的增加，氣泡引起的壓降信號能量逐漸增大。

(3)通過研究細粒煤選后產(chǎn)品的灰分和產(chǎn)率分布發(fā)現(xiàn)，選后顆粒的灰分隨著床層高度的增加逐漸降低，單層精煤的含量隨著床層軸向高度的增加逐漸增加。此外提出利用精煤和矸石組分的顆?；旌响貋砼卸▋山M分的離析程度，隨氣速的增大，顆?；旌响氐淖兓厔菹冉档秃笊?，隨著振動頻率和振幅的增加，精煤和矸石的顆粒混合熵逐漸增大。結(jié)果表明，在A=2 mm，f=20 Hz和v=12 cm/s條件下，細粒煤的分選效果最好，6～1 mm無細粒的分選精度E值分別為0.095 g/cm3，精煤灰分為9.59%，精煤產(chǎn)率為54.5%，錯配物總量占比為6.8%。