贺长营 张文军 郭永华 史冰森

(中国矿业大学化工学院,江苏省徐州市,221116)

★煤炭科技·加工转化——同煤集团化工厂协办★

重介质液固流化床粗煤泥分选效果研究∗

贺长营 张文军 郭永华 史冰森

(中国矿业大学化工学院,江苏省徐州市,221116)

分析了传统液固流化床对粗煤泥分选的局限性,介绍了重介质液固流化床理论,指出可以通过提高悬浮液的密度来提高分选效果。对重介质液固流化床的流化特性进行研究,考察了不同容积浓度及上升水速时床层内部的流化特性,研究发现0.045～0.074 mm做为主导粒级的磁铁矿粉在流化床内部分布最为均匀稳定,有利于物料分选。利用普通液固流化床及重介质液固流化床对煤样开展对比试验,并对数据进行了分析后发现,与传统液固流化床相比重介质液固流化床分选所得精煤灰分降低了0.98%,尾煤灰分提高了6.55%,分选效果得到明显改善。

重介质 流化特性 粗煤泥 分选效果

国家低碳经济发展模式的提出使得推进煤炭清洁利用的意义日渐突出,对煤炭洗选加工的要求也日益严格。在我国煤炭洗选工艺中,大直径旋流器的推广应用拓展了原煤的有效分选上限,浮选柱及大型浮选机的发展大大延伸了浮选的有效分选粒度下限,而介于重选和浮选交界之间的粗煤泥(2～0.25 mm)却很难得到有效的分选。随着对资源回收利用的重视,粗煤泥的有效分选变得越来越重要,液固流化床分选机由于操作简单、自动化程度高以及密度调节方便等优点得到了广泛应用,然而大量的工业实践和研究表明,传统液固流化床处理难选煤和粒度范围较宽的粗煤泥时,存在分选精度差及产品指标偏低的缺陷。

1 重介质液固流化床理论研究

1.1 颗粒的干扰沉降速度

颗粒在液固流化床中借助自生干扰床层的作用进行分选,干扰沉降为重力分选过程中最基本最普遍的规律,干扰沉降速度具有代表性的经验模型见式(1):

式中:vg——干扰沉降末速,m/s;

v0——自由沉降末速,m/s;

λ——固体的容积浓度,%;

n——与矿粒性质有关的实验指数。

由式(1)可以看出,随着固体容积浓度的增大,颗粒间干扰沉降速度会呈指数型变化,其偏差迅速增大使得分离趋势更为明显,能够很好地解释沉降末速对固体容积浓度的依赖关系,适合于粒度相同或相近的颗粒。

1.2 颗粒等沉现象

等沉现象是描述颗粒沉降过程中密度与粒度关系的特征指标,在沉降过程中,密度和粒度不同但具有相同沉降速度的颗粒称为等沉颗粒。在等沉颗粒中,低密度颗粒的粒度与高密度颗粒的粒度之比的等沉比见式(2):

式中:e0——等沉比;

dp1——轻矿物的粒度(直径),m;

dp2——重矿物的粒度(直径),m。

带入自由沉降末速公式,可以得到式(3):

式中:Cd1——轻矿物颗粒的阻力系数,与雷诺数有关;

Cd2——重矿物颗粒的阻力系数,与雷诺数有关;

ρp1——轻矿物的密度,g/cm3;

ρp2——重矿物的密度,g/cm3;

ρf——介质密度,g/cm3。

由式(3)可以看出,两种不同密度的颗粒在悬浮介质中会产生强烈的分离作用,且随着ρf的增大,异类颗粒干扰沉降等沉比也会增大,有利于拓展有效分选的粒度范围。

1.3 介质密度对颗粒分离的影响

根据液固两相流的动量方程,推导得到了颗粒在介质中运动的速度平方差公式见式(4):

其中:vp1——轻矿物的沉降速度,m/s;

vp2——重矿物的沉降速度,m/s;

g——重力加速度,m/s2;

z——颗粒在坐标中的空间参数;

vf——介质流动速度,m/s;

μ——介质流体动力粘度,N·s/m2;

j——介质流相对于颗粒的流率,%;

ε——粒群空隙率,%。

根据式(4)可知,随着ρf的增加,不同颗粒的运动速度差增大,颗粒分离趋势更为明显,可促进颗粒按密度分层。

2 重介质液固流化床流化特性的影响研究

将重介选煤厂普遍使用的磁铁矿粉作为重介质引入液固流化床粗煤泥分选机,提高柱内悬浮液稳定性,强化粗煤泥基于自身密度进行分选。由于重介质自身密度较大,其密度及粒度对流化床的稳定性有所影响,因此本试验对加重质液固流化床悬浮液的稳定性进行了研究,试验所用磁铁矿粉的真密度为4.45 g/cm3,磁性物含量为97.21%。

2.1 容积浓度对流化特性的影响

不同固体容积浓度下各个粒级的磁铁矿粉在柱内分布的变化情况见图1。

由图1可以看出,当固体容积浓度为5%时,各粒级磁铁矿粉在床层的分布不均匀,床层稳定性较差;当固体容积浓度为10%时,各粒级磁铁矿粉分布均匀性有所改善;当固体容积浓度在15%时,磁铁矿粉沿床层垂直高度的分布最均匀,说明随着固体容积浓度的增大磁铁矿粉流化效果变好。

0.045 ～0.074 mm粒级的磁铁矿粉在固体容积浓度为10%和15%时分布较为均匀,在此条件下在床内均有良好的稳定性,此粒级磁铁矿粉可以为加重质液固流化床提供良好的分选环境;＋0.125 mm及0.125～0.074 mm粒度级的磁铁矿粉主要聚集在床层的底部,主要由于该粒级磁铁矿粉自身重力较大,具有较大的沉降速度。因此在重质选择时,应选择粒度较细的磁铁矿粉,减弱粗颗粒磁铁矿粉对分选环境带来的不利影响。

图1 不同固体容积浓度下各粒级磁铁矿粉在柱内的分布规律

2.2 上升介质流速对流化特性的影响

在不同上升介质流速下各个粒级的磁铁矿粉在柱内分布的变化情况见图2。

由图2可以看出,当上升介质流速变化时,－0.045 mm粒级的磁铁矿粉随着柱高的增加含量递增趋势明显,在柱内波动较大导致该粒级磁铁矿粉粒度较细且沉降速度较小;0.125～0.074 mm及＋0.125 mm粒度级的磁铁矿粉主要聚集在床层的底部,上升流速对其在床层分布影响较弱,随着柱高的增加含量呈急剧下降,分层现象比较明显,不利于其在床层稳定分布;0.074～0.045 mm粒级的磁铁矿粉在床层的含量波动较小,不同垂直高度的含量并没有明显的差异,其中在上升流速为0.3 cm/s时,该粒级磁铁矿粉在柱内的含量变化很小,具有良好的稳定性,说明0.074～0.045 mm粒级的磁铁矿粉在此条件下可以为重介质液固流化床提供良好的分选环境。

3 重介质液固流化床分选效果研究

根据对不同固体容积浓度及上升介质流速条件下加重质液固流化床流化特性的研究可知,加重质液固流化床可形成床层密度稳定的分选环境以用于粗煤泥分选。以粒度为2～0.25 mm粒级的粗煤泥作为试验煤样,分别在普通液固流化床及重介质液固流化床中开展对比试验。对试验所得产品进行粒度分析,其结果见表1和表2。

由表1可以看出,在不添加重介质的普通液固流化床产品中,精煤总灰分为10.48%,尾煤灰分为45.38%。根据对精煤的筛分结果可知,精煤灰分随粒度的减小而增大,＋0.25 mm粒级的物料总体分选较为理想,降灰效果显著;然而＋0.125～0.25 mm细粒组分灰分偏高,影响了总体精煤指标,说明普通液固流化床在处理细粒组分含量大的宽粒级入料时效果较差。

由表2可以看出,重介质液固流化床分选精煤总灰分为9.50%,与普通液固流化床精煤相比降低了0.98个百分点,尾煤灰分为51.96%,提高了6.55个百分点,其分选效果得到明显改善。进一步分析数据可发现,重介质液固流化床精煤各粒度级灰分普遍较低,其中＋0.125～0.25 mm细粒物料灰分仅为10.03%,说明重介质液固流化床可以有效避免高灰细泥的污染,弱化颗粒粒度对分选的影响,强化物料基于自身密度进行精确分选,拓展液固流化床的入料粒度,提高粗煤泥的分选效果。

图2 不同上升介质流速下各粒级的磁铁矿粉在柱内的分布规律

表1 普通液固流化床各产品粒度分析

表2 重介质液固流化床各产品粒度分析

4 结论

(1)通过理论分析可知,重介质液固流化床通过提高床层内部悬浮液的密度以增大分选等沉比,强化物料密度对分层效果的影响有助于改善和提高粗煤泥的分选效果。

(2)重介质液固流化床内部重介质的流化特性受固体容积浓度的影响较为显著,为了保证稳定的床层密度,应选择窄粒度级的重介质以减弱粗颗粒对分选环境带来的不利影响,当固体容积浓度为15%时,磁铁矿粉在流化床中的分布最为均匀,有利于形成稳定的床层。

(3)上升水速对大颗粒的重介质分布影响较弱,＋0.074 mm粒度级的重介质主要聚集在床层的底部,分层现象明显,不利于分选;0.045～0.074 mm粒度级的重介质在不同水速下沿床层垂直高度分布较为均匀,有利于分选过程的进行,当上升流速为0.3 cm/s时,重介质的流态化效果最好。

(4)通过对比试验可知,重介质液固流化床通过对介质密度的提高,有效地避免了高灰细泥对精煤的污染,减弱了物料粒度的影响,强化物料按密度分选以提高分选精度,改善粗煤泥的分选效果。

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Research on separation effect of coarse coal slime in dense medium liquid solid fluidized bed

He Changying,Zhang Wenjun,Guo Yonghua,Shi Bingsen
(School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

The authors analyzed limitation of coarse coal slime separation in traditional liquid solid fluidized bed,introduced separation principle of dense medium liquid solid fluidized bed,and also pointed out that enhancing separation effect by increasing suspension density.According to the study on fluidization characteristics of dense medium liquid solid fluidized bed and investigating fluidization characteristics of interior bed layer with different volumetric concentrations and water rise velocities,the results showed that when the particle size of magnetite is 0.045～0.074 mm within the liquid solid fluidized bed,the distribution is most stable and the most favorable to separation.Analysis the data of comparison experiments between common medium liquid solid fluidized bed and the dense liquid solid fluidized bed,the authors found that comparing with traditional liquid solid fluidized bed,the cleaned coal ash decreased 0.98%and the tail coal ash increased 6.55%in separation of dense medium liquid solid fluidized bed.Thus,the separation effects were obvious changed.

dense medium,fluidization characteristics,coarse coal slime,separation effect

TD946.2

A

贺长营(1988－),男,山东淄博人,中国矿业大学硕士研究生,主要研究方向为细粒煤分选。

(责任编辑 王雅琴)

国家自然科学基金(51174204),中央高校基本科研业务费专项资金(2014YC08),江苏省高校优势学科资助