吕一波

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)



流化床粗煤泥分选床层特性

吕一波

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院, 哈尔滨 150027)

在自制LCH-2400型流化床分选机机体内,通过分层采样分析,研究流化床粗煤泥分选过程中的流态化特性。实验结果表明:当上升水流速度是13.94 mm/s时,分选密度1.62 g/cm3,实验指数n值为2.34,流化床层中粗煤泥形成了高度为200 mm的矸石层、1 800 mm的过渡层和100 mm的精煤层,矸石层中大于1.8 g/cm3密度级含量是80.1%,小于1.3 g/cm3密度级含量是4.96%,形成了有利分选的矸石层,为分选机高效分选创造了条件。

流化床; 粗煤泥; 分选; 床层密度

流化床选煤研究已有多年,取得了一定的成果[1-7]。振动流化床气流流速对分选效果有很大的影响。随着风量的加大,分选密度呈减小趋势。不同风速时,床层各个点的密度分布不一样。控制风速,获得均匀、稳定的密度床层,为分选提供了条件[1-3]。

流化床粗煤泥分选依据粗煤泥中的矸石和精煤在流态化情况下因密度差异而使沉降运动规律不同来实现分选的。分选机内部流态化运动状态是影响分选精度的重要因素,其性能直接影响分选机的水流运动、粗煤泥的运动速度。笔者利用自制LCH-2400型流化床分选机,通过分层采样研究流化床粗煤泥分送的流态化特性。

1　实　验

1.1实验装置及原理

流化床粗煤泥分选实验系统由给料装置、LCH-2400型流化床粗煤泥分选系统、供水系统等组成,如图1所示。

图1　分选系统Fig. 1　Separation system

循环泵以0.2 MPa的压力将循环水打入流化床分选机的入水口,控制上升水流的速度使物料在流化床内实现流态化,促使物料在流化床的中部形成一个流态稳定的分选区。因粗煤泥的密度、粒度特性的差异,其颗粒在流化床中所受的干扰沉降速度不同，故而实现分选。上升水流的速度决定了分选机的分选密度。高密度颗粒,因其干扰沉降末速大于上升水流速度而作缓慢下降运动,并由分选机的底流口排出,成为尾矿。低密度颗粒的干扰沉降末速小于流化床上升水流速度,在上升水流的作用下向上运动,由分选机溢流口排出,成为精矿,从而实现精矿与尾矿的分离。

1.2实验条件

LHC-2400型分选机循环水流量为65 m3/h,矿浆入料量189 m3/h,分选机矸石产率是13.82%。生产正常后开始采样,分选机分选密度为1.62 g/cm3。

1.3采样方式

在分选机内部,分别用500 mL取样瓶采样并封装,以900、1 100 mm为半径,以分选机流化板为床层高度基准面,向上高度分别取200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 mm的横断面,共18个采样点。

将500 mL取样瓶固定在带有刻度的φ20 mm的圆钢上,取样瓶口用有绳的橡胶塞堵住,手持圆钢将取样瓶插入采样点位置,拉动绳子将取样瓶口橡胶塞取下来,在重力作用下,粗煤泥与循环水进入到取样瓶中。30 s后提升圆钢将取样瓶取出并旋紧瓶口塞子,粘贴注明取样地点标签。用同样的方法依次采取18个实验样。

1.4实验方法

检查装有悬浮液的取样瓶,观察取样瓶是否有液体漏出。漏出液体的取样瓶为不合格实验样,需要重新采集全部实验样。

(1) 悬浮液密度:测量采样瓶中悬浮液的质量和体积,计算求出悬浮液密度值。

(2) 粗煤泥密度:溢水法。

(3) 粗煤泥的体积分数:溢水法。

(4) 粗煤泥浮沉实验:参照GB/T 478—2001《煤炭浮沉试验方法》进行操作。

2　结果与讨论

2.1流化床床层密度分布规律

流化床粗煤泥分选机分选粗煤泥的过程中,粗煤泥在上升水流冲击力、沉降过程中运动阻力、颗粒重力以及颗粒间碰撞力的作用下,其颗粒按密度逐渐分层。粗煤泥按密度分层的规律将是影响分选指标的关键因素。为了数字化描述分选机床层粗煤泥密度组成,连续采集分选机内部矿浆18个实验样,对实验样进行粗煤泥浮沉实验,得到量化的密度变化规律。实验结果如图2所示。

图2　分选机床层高度与粗煤泥密度、悬浮液密度关系

Fig. 2Density of coarse slime, suspension and relationship to bed height of separator

由图2可知,床层高度h≥400 mm时,粗煤泥密度与悬浮液密度值没有明显的变化;当床层高度h为200～400 mm时,粗煤泥密度与悬浮液密度值显著增加;当床层高度h=200 mm时,半径为900、1 100 mm的矸石颗粒密度分别是2.22、2.13 g/cm3,形成有利分选的矸石床层,为矸石排放创造了很好的条件。

2.2流化床床层不同密度物含量变化规律

分选机内部粗煤泥密度变化规律直接反映了分选机工作效果。分析18个粗煤泥的浮沉实验,得到分选机内部不同床层高度小于1.3 g/cm3、大于1.8 g/cm3密度级粗煤泥产率关系,如图3所示。其中，曲线1为半径1 100 mm、1.0～0.2 mm粒度级煤小于1.3密度级的产率；曲线2为半径1 100 mm、1.0～0.2 mm粒度级煤大于1.8密度级的产率；曲线3为半径900 mm、1.0～0.2 mm粒度级煤小于1.3密度级的产率；曲线4为半径900 mm、1.0～0.2 mm粒度级煤大于1.8密度级的产率。

图3　分选机床层高度与不同密度级产率关系

Fig. 3Relationship between bed height of separator and yield of different density grade

图3中显示床层高度h≤200 mm时,小于1.3 g/cm3密度物产率为4.96%,低密度物数量明显减少;大于1.8 g/cm3密度物产率为80.1%,高密度物数量明显增加,形成了很好的矸石层。当床层高度在200～400 mm区间,高密度物含量和低密度物含量发生了明显的变化,在这个空间范围内,粗煤泥颗粒得到了有效的分选。床层高度为400 mm时,悬浮液中粗煤泥密度组成发生明显变化,小于1.3 g/cm3密度物产率为35.12%,大于1.8 g/cm3密度物产率为13.62%。当床层高度为400～1 400 mm时,悬浮液中粗煤泥颗粒密度组成没有明显变化。当床层高度在1 400～2 000 mm区间时,小于1.3 g/cm3密度物产率开始增加;大于1.8 g/cm3密度物产率开始减少,该床层区域为分选区域,同时,靠近分选机溢流堰方向小于1.3 g/cm3密度物含量在增加,说明中心入料冲击作用影响了粗煤泥的分选,周边分选效果好于中心处。当床层高度为2 000 mm时,悬浮液粗煤泥密度组成发生了明显变化,小于1.3 g/cm3密度物产率为56.932%;大于1.8 g/cm3密度物产率为0.63%,形成了100 mm(流化床床层全高为2 100 mm)高的精煤层。

2.3粗煤泥干扰沉降速度

流化床粗煤泥分选机在分选的过程中,沉降速度是实现按密度分选的重要依据。粗煤泥沉降速度随着密度的增加而增大。控制分选机流化床上升水流的速度,就可以控制不同密度的粗煤泥颗粒的运动方向。当粗煤泥颗粒干扰沉降速度大于上升水流速度时,粗煤泥颗粒将沉降到流化床的底部,成为尾矿矸石产品。反之,当粗煤泥颗粒干扰沉降速度小于上升水流的速度时,粗煤泥颗粒将随着上升水流上升到分选机的溢流堰,成为精矿产品实现精煤与矸石的分离。由此可见,流化床上升水流的速度与粗煤泥干扰沉降速度是影响分选效果的关键因素。

2.3.1流化床上升水流速度

流化床粗煤泥分选机入料量(QR)是189.0 m3/h,需要循环水量(QX)是65 m3/h,底流排放量(QP)是27 m3/h。由计算可知,当底流排放时,分选机流化床上升水流速度为13.94 mm/s;当底流停止排放时,分选机流化床水流上升速度为15.60 mm/s。

在实际生产中,排放时间是根据悬浮液密度传感器探测密度值信号决定阀门排放时间与阀门开度。当阀门排料时,分选机上升水流速度υs min最小是13.94 mm/s。该速度即为分选粗煤泥颗粒干扰沉降速度υg。

2.3.2粗煤泥干扰沉降速度

依据分选机底流矸石、溢流精煤、入料粗煤泥的浮沉实验资料,绘制了分选机的产品分配曲线,由分配曲线得知,分选机实际分选密度1.62 g/cm3。

将分选机入料中粒度≥0.2 mm粗煤泥颗粒置于配制好的1.61 g/cm3密度液中,取出沉物,将沉物再置于1.63 g/cm3密度液中,捞取浮物。该浮物的粒度范围为0.2～2.0 mm,密度级范围为1.61～1.63 g/cm3。取出浮物中的50个颗粒,分别置于沉降管中,测量颗粒的自由沉降末速,得粗煤泥自由沉降末速υ0算术均值为45.3 mm/s。在流化床中,粗煤泥自由沉降末速与干扰沉降末速υg高登关系式为

υg=υ0(1-φ)n,

式中:φ——悬浮液中粗煤泥的体积分数,%；

n——实验指数。

悬浮液中粗煤泥体积分数φ是流化床的重要参数。流化床中粗煤泥体积分数最大值是49.09%(r=900 mm,h=400 mm)。该体积分数值不是一个常数,总体趋势是随着床层高度的增加而减少,最小值是30.81%(r=900 mm,h=2 000 mm)。当h=200 mm时,颗粒进入矸石层,此时,粗煤泥的平均体积分数是39.70%。流化床粗煤泥分选机中粗煤泥体积分数变化规律如图4所示。

图4　分选机床层高度与粗煤泥体积分数关系

Fig. 4Relationship between bed height of separator and volume concentration of coarse slime

由高登关系式可以计算出实验指数n为2.34,重力选煤中n的取值范围是2.33～8.33[8]。实际计算值符合统计规律。n值确定后,粗煤泥颗粒的干扰沉降末速就可以计算。随着体积分数的变化,颗粒的沉降末速随之改变。任何一个粗煤泥颗粒由于在分选机内部位置的不同其沉降末速也不一样。颗粒进入到床层高度为200 mm截面时,成为尾矿排出。

3　结　论

(1)流化床床层分成矸石层(h=0～200 mm),半径为900、1 100 mm的矸石颗粒密度分别是2.22、2.13 g/cm3,小于1.3 g/cm3密度物产率为4.96%,大于1.8 g/cm3密度物产率为80.1%,形成有利分选的矸石床层。当床层高度h为200～400 mm时,粗煤泥密度与悬浮液密度值显著增加,在这个空间

范围内,粗煤泥颗粒实现了有效的分选。当床层高度h为2 000 mm时,悬浮液粗煤泥密度组成发生了明显变化,小于1.3 g/cm3密度物产率为56.932%,大于1.8 g/cm3密度物产率为0.63%，形成了100 mm高的精煤层。

(2) 流化床粗煤泥分选机干扰沉降末速受底流阀门开与关的影响。上升水流速度决定了颗粒的运动状态,粗煤泥干扰沉降末速决定了粗煤泥颗粒进入上升流还是下降流。计算结果显示,当υs为13.94 mm/s时,分选密度δ为1.62 g/cm3,实验指数n值为2.34,分选机内部体积分数随着床层高度的增加而减小。由于分选机体积分数不同,粗煤泥沉降末速在分选机内部是不一样的。

[1]骆振福, MAOMING FAN, 陈清如, 等. 振动参数对流化床分选性能的影响[J]. 中国矿业大学学报, 2006, 35(2): 209-213.

[2]骆振福, 陈清如. 振动流化床的分选特性[J].中国矿业大学学报, 2000, 29(6): 16-20.

[3]韦鲁宾, 梁世红, 魏汝晖, 等. 新型空气重介质流化床分选特性研究[J]. 中国矿业大学学报, 2011, 40(5): 733-736.

[4]彭德强, 吕一波. 水介流化床分选机分选参数的确定[J]. 洁净煤技术, 2009, 16(2): 18-20.

[5]吕一波, 原明科. 水介质流化床粗煤泥分选数值模拟[J]. 黑龙江科技学院学报, 2010, 20(3): 180-182, 197.

[6]桂夏辉, 李延锋, 刘炯天, 等. 液固流化床内颗粒沉降特性试验研究[J]. 煤炭学报, 2010(8): 1374-1379.

[7]陈友良, 刘文礼, 马克福, 等. 粗煤泥干扰床分选机流场的数值模拟[J]. 中国矿业大学学报, 2011(4): 608-611.

[8]张家骏, 霍旭红. 物理选矿[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1992.

(编辑晁晓筠)

Fluidized bed’s characteristics of coarse slime in separator

LÜYibo

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

This paper introduces a study on the fluidized bed’s characteristics of coarse slime in a self-made LCH-2400 separator by using stratified sampling design. The result show that the up-flow velocity of 13.94 mm/s, experimental exponentnvalue of 2.34, and the separation density of 1.62 g/cm3produces gangue coarse slime with a height of 200 mm, transition coarse slime with height of a 1 800 mm, and clean coal with a height of 100 mm and yields the gangue coarse slime formed from the 80.1% content with density greater than 1.8 g/cm3and 4.96% content with density less than 1.3 g/cm3, forming a gangue layer favorable to separation, thereby facilitating higher separation efficiency.

fluidized bed; coarse slime; separation; bed density

1671-0118(2012)03-0225-04

2012-05-03

黑龙江省自然科学基金项目(E200840);黑龙江省教育厅科学技术研究重点项目(1155Z014)

吕一波(1960-)，男，黑龙江省鸡西人，教授，博士，研究方向：煤炭分选技术，E-mail:mynamelyb@usth.edu.cn。

TD922

A