丁淑芳，　李　涛，　韦鲁滨，　李明明

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022； 2.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院， 北京 100083)



空气重介质流化床床层流化质量的评价

丁淑芳1，李涛1，韦鲁滨2，李明明1

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022； 2.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院， 北京 100083)

为评价流化床的流化质量，选用七种粒度不同的磁铁矿粉为加重质，将影响流化质量的主要因素流化气速和加重质粒度分布作为评价指标，并提取流化质量参数，分析其对流化质量的影响。结果表明：利用流化质量参数分析评价指标对流化质量的影响，流化床层的密度标准差随气速的增大均呈先增大后减小的趋势，在其达到最大值后的气速范围内，床层密度趋于稳定。此时床层的均匀性较好。床层密度标准差随磁铁矿粉平均粒径的增大而增大，此时床层的均匀性变差。当其含有适量的细颗粒时，床层的均匀性要比相同粒径的磁铁矿粉所形成的床层均匀性好，可以改善流化质量。根据密度标准差与气速的变化趋势对气速进行分区，为选择适宜的分选气速范围提供了依据。

流化床； 加重质粒度； 流化气速； 粒度分布标准差； 密度分布标准差

0　引　言

空气重介质流化床两相运动具有高度复杂性和不确定性，要想获得良好的分选效果，一定要保证床内流化介质具有良好的流化质量[1-2]。空气重介质流化床属于鼓泡流化床，煤炭在其中是按密度进行分选的，而床层密度的均匀稳定是获得良好分选效果的保证。影响床层均匀稳定的因素有流化气速、加重质颗粒(包括粒度分布、密度及大小)和分布器(布风板)、床体结构等[3]。 笔者从床层密度均匀性角度评价流化质量，主要针对流化气速和加重质粒度分布这两个因素,评价其对流化质量的具体影响，探究合适的条件，使床层的流化质量达到最好，形成均匀稳定的流化床层。

1　实验装置及加重质

实验装置见图1。该实验装置由动力系统、流化装置和数据检测系统组成，流化装置由风室、气体分布器及床体组成，床主体由有机玻璃制成，是横截面积为200 mm×200 mm的正方形断面体，其侧壁有几组用于测量床层压降的传感器，孔间距为35 mm，与数字应变议、计算机相连，实时监测床内流化状况并获取数据。气体分布器是能否形成高质量流态化的关键因素之一。实验采用烧结板作为气体分布器，具有开孔率适中、布气均匀、容易清理、表面平整、耐磨损等特点，是较理想的气体分布器。

图1　实验装置

加重质来自山东兖州的磁铁矿粉，根据文献[4-5]，实验选取七种不同粒度组成的磁铁矿粉作为加重质，对流化质量进行评价。表1是各磁铁矿粉的粒度分布情况。

表1　各磁铁矿粉的粒度分布

2　床层流化质量的评价指标

2.1加重质粒度分布

加重质颗粒的大小及其分布、密度、形状、流动性与流态化质量密切相关，影响着床层压降、临界流态化速度和颗粒终端速度。尤其是加重质颗粒的粒度及分布对流化床的流动特性有重要影响，在选取粒度及分布时，既要考虑流态化技术的一般要求，更要根据工艺工程的特点，综合评价权衡，才能得到良好的效果。一般情况下，颗粒粒度组成呈正态分布时其流化性能比较好。

(1)

di——第i个粒级颗粒的算术平均筛析粒径；

xi——第i个粒级颗粒的重量产率。

为增加不同磁铁矿粉间的可比性，定义无因次粒度分布标准差表征[3]：

(2)

细颗粒作用因子是颗粒粒度比体系中平均粒径小的颗粒作用大小的无因次因子。为准确衡量细颗粒作用因子，利用粒度累积分布曲线计算细颗粒作用因子Fd，各加重质的粒度分布参数见表2。

表2　各加重质的粒度分布参数

结合表1和表2可以看出，加重质的粒级分布范围拓宽后，小于74 μm粒级的含量在增加，使得床内细颗粒的返混流动加剧，能不断改善加重质的粒度分布情况，有利于保持床层密度的均匀稳定。平均粒径越小，粒度分布标准差和细颗粒作用因子在逐渐增加，此时粒度分布较为均匀的加重质Ⅶ表现出较好的流化性能，有助于实现高效分选。

2.2流化气速

实验研究要使固体颗粒在气流的作用下完全流化，操作气速必须大于起始流化速度umf，umf是流化床操作的最低流速，由式(3)计算：

(3)

式中：u——流化气速，cm/s；

T0、p0——空气在常温常压下的绝对温度和绝对压力，为293 K和1.01×105Pa；

T、p——空气通过转子流量计的绝对温度和绝对压力，为283 K和1.215 9×105Pa；

qV、A——流量计读数和流化床层的横截面积，m3/h和m2。

宽粒级加重质的起始流化速度不像窄粒级加重质只有一个临界流化速度，当气速较小时，小的或轻的颗粒开始流化，此时速度为起始流化速度umf。而当气速继续增加至某一值时，大的或重的颗粒也开始流化，床层处于完全流化状态，此时速度为完全流化速度utf。umf和utf的测定方法，先将各加重质倒入流化床中，然后从小到大逐渐调节气速，并记录相应的气速和床层总压差。待床层完全流化后，将气速从大到小进行调节，同样记录其压差和流速，直到流速调到零为止。由于流速上升和流速下降时压降不一致，通常逐步减小流速得到的曲线2比逐步增大流速时得到的曲线1位置要低一些。umf和utf的确定如图2所示。根据流化气速测定方法，得到各加重质的起始流化气速和完全流化气速，见表3。

图2　起始和完全流化速度的确定

表3　各加重质的流化气速

2.3流化质量参数

从流化床层密度的均匀性着手，确定流化质量参数对其进行评价，并进一步分析加重质颗粒的粒度分布和流化气速对流化质量的影响。通常采用床层中的密度分布标准差Sρ和床层中某一粒级在各层中的粒度分布标准差[6-7]来表征床层的均匀稳定性，床层密度分布标准差

(4)

n——测压组数；

ρi——各组测压点计算出的密度。

将各加重质倒入流化床中，打开气阀并先将气速调到一个较大的值，让床内颗粒流化一段时间后迅速将气阀关闭，让床层具有良好的初始流化状态，以使实验结果具有可比性。实验过程气速按由大到小调节，每个实验气速下要保证床层呈完全流化状态后再测信号数据，采样时间20s，频率100Hz。

3　评价指标对流化质量的影响

3.1加重质粒度与流化气速

图3是加重质的起始流化速度与平均粒径的关系。从图3可以看出，起始流化速度是受颗粒粒度控制的变量，平均粒径越大，起始流化气速显著增大。

图3　起始流化气速与加重质平均粒径的关系

图4给出了粒度分布标准差与平均粒径的关系曲线。由图4可以看出，平均粒径越小，粒度分布标准差呈增加的趋势，结合表1加重质粒度分布结果，分析可知，粒级分布窄的加重质粒度分布标准差较粒级分布宽的加重质小，粒级分布越宽，平均粒径越小，粒度分布标准差在逐渐增加，加重质颗粒就越易流化，且各粒级无明显分层，流化床层能保持均匀稳定。这表明粒度分布较为均匀的加重质Ⅶ表现出较好的流化性能，有助于实现高效分选。

图4　粒度分布标准差与加重质平均粒径的关系

3.2床层密度均匀性分析

实验数据处理借助Matlab 6.1小波工具软件[8]，对所有流化床床层差压信号数据进行全局阈值降噪和滤波处理。根据设定程序对所有滤波后的压差波动信号处理，求其均值，并将均值转换为压差，进而转化成相应的密度(此密度是各床层的平均密度)。以各组测压点测量计算的密度均值作为样本，用粒度分布标准差Sd和床层密度分布标准差Sρ计算并表征床层密度的均匀性，表4所示是各加重质的密度标准差与部分流化气速的关系。

表4　不同气速下各加重质的密度分布标准差

为进一步研究流化床层的密度是否具有一定均匀稳定性，以更好地分析流化床中加重质颗粒的流化气速在起始流化速度和终止气流速度之间变化，通常采用流化数来表征流化气速的大小，即流化气速与起始流化速度的比值。图5以流化数为横坐标，绘制流化数与密度分布标准差的关系。在一定的流化数范围内加重质颗粒能取得较好的流化效果并适合分选。

由图5可知，随流化数的增大，床层的密度标准差都是先增大而后减小，然后逐渐趋于平稳的变化过程。但在密度标准差增大到最大值后的气速范围内，密度标准差趋于稳定，此时床层的均匀性较好。

图5　各加重质的密度分布标准差与流化数的关系

进一步分析各加重质与密度分布标准差、流化数的关系，表明床层密度标准差受磁铁矿粉平均粒径的影响较大，受磁铁矿粉粒度分布标准差的影响较小。随气速的增大，密度标准差由小到大依次是加重质Ⅶ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅱ、Ⅰ。密度标准差基本随磁铁矿粉平均粒径的增大而增大，床层的均匀性变差。此外，当磁铁矿粉中含有适量的细颗粒时，床层的均匀性要比相同粒径的磁铁矿粉所形成的床层均匀性好，可以改善流化质量。但当磁铁矿粉的平均粒径小于70 μm时，由于细颗粒的黏性作用，使床层不能正常流化，均匀性较差。

另外，可根据密度标准差与气速的变化趋势对气速进行分区，如加重质Ⅶ在流化气速<3.54 cm/s时，密度标准差一直增大到最大0.190；此后随着气速的增大，密度标准差逐渐减小后又增大到0.146；当流化气速>5 cm/s时，密度标准差趋于稳定，此时具有良好的流化质量，适合流化床分选并为其选择合适的分选气速范围提供依据。

4　结　论

(1)选取流化气速、加重质粒度对床层流化质量进行评价。分析七种不同粒度组成的加重质流化质量，结果表明，较宽粒度范围的加重质Ⅶ具有良好的流化特性。随平均粒径的减小，粒度分布标准差在增加，床层各粒级无明显分层，具有良好的流化特性。

(2)床层密度均匀性由粒度分布标准差和密度分布标准差表征，结果表明，流化床层的密度标准差随气速的增大都是先增大而后减小，然后逐渐趋于平稳的变化过程。在密度标准差达到最大值后的气速范围内，床层密度趋于稳定，此时床层的均匀性和流化质量较好。

(3)床层密度标准差受磁铁矿粉平均粒径的影响较大，受磁铁矿粉粒度分布标准差的影响较小。密度标准差基本随磁铁矿粉平均粒径的增大而增大，床层的均匀性变差。根据密度标准差与气速的变化趋势对气速进行分区，可以为选择合适的分选气速范围提供依据。

[1]CHENQINGRU, WEILUBIN. Development of coal dry beneficiation with air-dense medium fluidized bed in China[J]. Chinese Particuology, 2005, 3(1): 42.

[2]付芝杰， 赵跃民， 骆振福， 等. -0.5mm煤粉对空气重介质流化床流化特性的影响[J]. 煤炭科学技术， 2013， 41(1)： 125-128.

[3]骆振福， 赵跃民. 流态化分选理论[M]. 北京： 中国矿业大学出版社， 2002： 46-50.

[4]丁淑芳. 流化床内介质主要流化特性参数的研究[J]. 洁净煤技术， 2008， 14(1)： 17-19.

[5]丁淑芳， 韦鲁滨， 全金峰， 等. 多粒级加重质流化特性的实验研究[J]. 黑龙江科技学院学报， 2013， 23(6)： 535-539.

[6]曾鸣， 魏汝晖， 梁世红， 等. 新型干法分选机分选过程影响因素分析[J]. 煤炭学报， 2011， 36(5)： 845-848.

[7]唐利刚， 赵跃民， 骆振福， 等. 宽粒级加重质的流化特性[J]. 中国矿业大学学报， 2009， 38(4)： 509-514.

[8]胡昌华， 李国华， 刘涛. 基于MATLAB 6.X的系统分析与设计——小波分析[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 2004： 136-166， 292-301.

(编辑徐岩)

Research on bed quality evaluation of air dense medium fluidized bed fluidization

DINGShufang1,LITao1,WEILubin2,LIMingming1

(1.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022, China;2.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining &Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

This paper is aimed at evaluating the fluidization quality of fluidized bed. The evaluation is performed by analyzing the influence of evaluation index on the fluidization quality using 7 different kinds of particle size of magnet as dense medium, and using main fluidizing gas velocity and particle size of dense medium that affect fluidization quality as evaluation index and extracting the fluidization quality parameters. The experimental results show that an analysis of the influence of evaluation index on fluidization quality using the fluidization quality parameters demonstrates a tendency that there follows an initial increase and subsequent decrease in density distribution standard deviations of fluidized bed layer due to an increase in fluidizing gas velocity, and the occurrence of the maximum range of gas velocity is followed by a more stable bed density and subsequent better bed uniformity; an increase in average magnet particle sizes is followed by a gradual increase in bed density standard deviation, with a resultant worse uniformity; the presence of the certain amount of fine particles results in a better bed uniformity in a fluidized bed than in a magnet of the same size, thus improving the fluidization quality. Coupled with gas velocity partitions based on the change trend of the density standard deviation and gas velocity, the evaluation approach may provide the basis for choosing the suitable separation gas velocity range.

fluidized bed； particle size of dense medium； fluidizing gas velocity; particle size distribution standard deviations; density distribution standard deviations

2016-01-22

黑龙江省自然科学基金项目(QC2013C053)

丁淑芳(1981-)，女，内蒙古自治区乌兰察布人，讲师，硕士，研究方向：洁净煤技术，E-mail:dsf128@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.007

TD942

2095-7262(2016)02-0143-05

A