陈 伟 骆振福 庄宏乾 王亚男 黄 歌 刘付胜 曹小强

（中国矿业大学化工学院，江苏省徐州市，221116）

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二元加重质振动流化床的流化及分选特性研究∗

陈 伟 骆振福 庄宏乾 王亚男 黄 歌 刘付胜 曹小强

（中国矿业大学化工学院，江苏省徐州市，221116）

将振动能量引入到二元加重质气固流化床中，将一定粒度组成的磁铁矿粉和石英砂按照不同质量配比形成的混合物作为加重质，对床层进行流化及分选特性研究。研究了二元加重质振动流化床的流化特性，并在不同流化气速、振动强度、加重质配比条件下，对6～3 mm、3～1 mm两个粒级细粒煤进行分选试验，确定了最优试验参数。试验结果表明，临界流化气速随石英砂质量配比增大而减小。当气速为7.37 cm/s时，床层稳定性良好，压降标准差为4.08 Pa；在最佳试验条件下，对6～3 mm和3～1 mm两种粒级煤样分别进行分选试验，分选精度（可能偏差值Ep）分别达到0.09 g/cm3和0.13 g/cm3，分选效果良好。

二元加重质 振动流化床 分选试验 细粒煤

1　引言

目前，针对气固流化床煤炭干法分选的研究，尤其是使用磁铁矿粉作为加重质，对50～6 mm粒度煤炭的分选基本实现了高效、无污染的分选目标。但对于细粒级煤分选仍处于探索阶段，由于细粒级煤的粒度小，在流化床中易受介质密度、粘度、磁性及气泡大小的影响，易在床层中形成返混现象，难以使用单一加重质普通流化床对细粒级煤进行有效分选。

有学者研究将振动能量引入到普通流化床中，削减流化床内的大气泡，使其接近散式流态化，加入少量石英砂降低分选密度，增加床层均匀性和稳定性，并形成二元加重质。本文基于二元加重质振动流化床的流化与分选特性，旨在进一步研究细粒级煤高效、无污染的干法分选技术。

2　试验系统

试验系统主要由供风系统、分选系统、振动系统和数据采集系统4个部分组成。分选系统由布风室、布风板、有机玻璃筒体等构成，床体结构直径为120 mm，床高H为350 mm。流化床通过螺栓固定在振动台上，振动台的振动强度通过计算机设定参数控制。流化床内加重质鼓入压缩空气进行流化，压缩空气由罗茨鼓风机排出，依次通过风包、玻璃转子流量计，最终进入布风室。为保证布风均匀，风室用风帽预布风使其均匀分散。风速大小通过调节阀门控制，随着风速的变化，测压管显示出床层固定两点的不同压差值。试验系统示意图如图1所示。

图1　试验系统示意图

3　试验过程与评价指标

3.1试验材料

试验使用不同质量配比的磁铁矿粉和石英砂作为加重质，加重质特性见表1和表2。

表1　加重质的密度特性

表2　加重质的粒度特性

试验所用原煤为中等可选长焰不粘煤。原煤经破碎、筛分后，得到6～3 mm、3～1 mm两个粒级煤样，测得煤样灰分分别为25.10%、25.31%。对两个不同粒级的原煤分别做浮沉试验，得到的原煤性质见表3。

表3　原煤性质表

3.2试验方法与评价指标

试验采用单因素试验法研究二元加重质振动流化床流化特性及分选效果。不同振动强度条件下得到的流化曲线均以床层压降标准方差作为流化质量的评价指标；分选完成后关闭气源将静置床层均匀分为5层，将各层物料筛分去除加重质后，上面2层煤样作为精煤（浮物），剩余3层为矸石（沉物），分析精煤获得最佳试验条件；在最佳试验条件下进行综合试验，以灰分离析度和可能偏差作为分选效果评价指标。

膨胀率公式计算如下:

式中:M——膨胀度，%；

H0——固定床床高，mm；

H1——瞬时流化床高，mm。

加重质流化质量通过床层压降标准差来评价，标准差计算公式如下:

式中:sp——床层压降标准差，Pa；

Δpi——测得的第i个点压降，Pa；

Δp——各测点平均压降，Pa；

n——测压点的个数。

综合试验分选效果，通过灰分离析度和可能偏差来进行评价，灰分离析度计算公式为:

式中:Sash——灰分离析度；

Ai——分选后第i层煤样的灰分，%；

¯A——原煤灰分，%；

n——分层数。

4　结果与讨论

4.1临界流化速度

在床高H为100 mm、相同振动强度和气速条件下，以加重质配比数为变参进行试验，石英砂质量分数用ω表示，作出压降与气速的关系曲线如图2所示。

图2　不同配比加重质的流化特性曲线

由图2可知，不同配比加重质的流化特性曲线各不相同，其临界流化速度也不同，随着石英砂质量分数的逐渐增大，加重质临界流化气速不断减小。加重质中石英砂质量分数分别为4.76%、13.04%、20.00%，其临界流化速度分别为4.91 cm/s、5.82 cm/s、7.19 cm/s。试验结果表明，随石英砂质量分数的增大，加重质密度和粘度逐渐减小，使床层在较低气速下达到临界流化状态。

4.2床层压降

由图2可知，石英砂质量分数越大，临界流化气速越小。床层初始流化阶段，石英砂配比越少，压降曲线斜率也越小。由于混合加重质密度随着石英砂质量配比改变，加重质密度小，悬浮时所需浮力就小，所以石英砂含量与压降曲线斜率呈反比。床层稳定流化状态时，石英砂配比越大，床层压降越小。试验结果表明，采用二元混合加重质可降低床层密度，同时流化状态的石英砂完全分散，石英砂颗粒的无规则运动可以切割因磁性聚团的磁铁矿粉，降低磁铁矿粉的粘度，因此可以在较低气速条件下即可达到临界流化状态。

4.3膨胀率

随着流化气速逐渐增加，床层气泡数量和大小也不断增大，测量床层高值，作出膨胀率与风速关系曲线如图3所示。

图3　不同配比加重质流化床膨胀率

由图3可知，床层膨胀率随气速的增加而不断增大，当床层到达稳定流化阶段后，膨胀率相对稳定。结果表明，在床层初始流化阶段，相同气速时，石英砂配比越小的加重质，膨胀率就越小；流化稳定阶段，膨胀率达到相同的最大值为20%。膨胀率越大，流化床层越度高，空气率比较大，分选空间越大，易于分选；同时降低了分选密度，提高了精煤质量。

4.4稳定性

加重质流化质量决定了床层分选效果。均匀、稳定的流化状态使床层密度达到稳定值，为分选试验提供良好的分选环境，减少产物错配和返混现象，得到理想的分选效果。在不同气速条件下，流化状态床层压降标准方差如图4所示。

由图4可知，标准差值越小，床层就越均匀稳定，流化质量就越好。根据试验数据可知，当气速为7.37 cm/s时，床层压降标准差值达到最小，为4.08 Pa。由于低气速时振动强度占主导作用，而高气速时气速占主导作用，在这种情况下，两种作用效果未达到协同一致，表现在床层压降出现波动剧烈。

图4　床层压降标准方差

4.5分选效果

4.5.1单因素试验

在不同气速、振动强度、加重质配比条件下，通过单因素试验研究二元加重质振动流化床对细粒煤分选效果的影响。以气速为变参，分选6～3 mm、3～1 mm两个级粒，作出精煤灰分曲线如图5所示。

图5　3～1 mm、6～3 mm煤样在不同流化气速下的分选结果

由图5可知，气速为7.37 cm/s的分选效果最佳，6～3 mm、3～1 mm粒级精煤灰分分别为18.08%、17.28%，说明在床层最稳定时分选效果最佳，但普通流化床对细粒级煤进行分选，效果不理想。

在气速为7.37 cm/s、振动强度为变参的条件下，对6～3 mm、3～1 mm粒级煤进行分选，得到精煤灰分结果如图6和图7所示。

图6　6～3 mm煤样在不同振动强度下的分选指标

图7　3～1 mm煤样在不同振动强度下的分选指标

由图6和图7可知，6～3 mm粒级煤在振动强度为4.4时，精煤灰分为15.53%；3～1 mm粒级煤在振动强度为2.51时，精煤灰分15.1%。这说明振动强度对分选效果影响十分显著，由于煤的粒度不同，颗粒浮沉所需床层流化状态不同，因此在试验中分选两粒级对应最佳的振动强度也不同。

以加重质配比为变参，在振动强度和气速最佳条件下，进行试验得到精煤灰分结果如图8所示。

图8　3～1mm、6～3mm煤样在不同配比加重质下的分选指标

由图8可知，加重质配比为2∶0.3时，分选效果最佳，6～3 mm、3～1 mm粒级煤精煤灰分分别为13.12%和13.46%。试验结果表明，石英砂的加入降低了实际分选密度，使精煤质量明显提高。

4.5.2综合试验

在最佳试验条件下，对两细粒级煤进行分选，作出床层灰分离析曲线图如图9所示。

图9　3～1 mm、6～3 mm粒级煤样的灰分离析图

由图9可知，精煤灰分随着床层高度不断增加而降低，第2层与第3层产品的灰分差别相对较大，第3层与第4层煤的灰分值近似，因此将第1层与第2层产品混合成精煤最合理，两个粒级的灰分离析度分别是3.41和2.80。因此6～3 mm粒级煤样分选效果较好。综合试验分选6～3 mm、3～1 mm粒级煤得到精煤灰分分别是13.22%和13.43%。

细粒级煤样分配曲线如图10所示。

图10　细粒级煤样的分配曲线

由图10可知，6～3 mm、3～1 mm两粒级煤的实际分选密度分别为1.50 g/cm3、1.52 g/cm3；分选精度Ep值分别为0.09 g/cm3、0.13 g/cm3。试验数据表明，二元加重质振动流化床分选细粒级煤效果明显。

5　结论

（1）在以磁铁矿粉和石英砂混合物作为固相加重质条件下，改变配比可以影响流化床的流化特性，随着石英砂配比不断增加，最小流化气速逐渐减小，在流化稳定状态下，石英砂配比例越高，则流化床层压降越小。

（2）单因素试验结果表明改变气速、振动强度和加重质配比都影响6～3 mm、3～1 mm两粒级煤的分选效果。在分选6～3 mm粒级的煤样时，当气速、振动强度及加重质配比分别为7.37 cm/s、4.4、2∶0.3时，分选效果较好，精煤灰分为13.12%；在分选3～1 mm粒级的煤样时，各参数分别为7.37 cm/s、2.51、2∶0.3时，分选效果较好，精煤灰分为13.46%。

（3）在最佳试验条件下，分选6～3 mm、3～1 mm两粒级煤样，上两层产品组合精煤最合理，实际分选密度分别为1.50 g/cm3、1.52 g/cm3；分选精度Ep值分别为0.09 g/cm3、0.13 g/cm3。

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（责任编辑 陶 赛）

Study on the fluidization and separation characteristics of the tow-spot dense medium vibrated fluidized bed

Chen Wei，Luo Zhenfu，Zhuang Hongqian，Wang Yanan，Huang Ge，Liu Fusheng，Cao Xiaoqiang
（School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining&Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

This paper introduced vibrational energy into the tow-spot dense medium of gassolid fluidized bed，the dense medium is mixture of the magnetite powder and quartz sand of composed of a certain size in different ratios.The characteristics of mass flow of tow-spot dense medium were studied in the mass vibration fluidized bed.The ratio of the dense medium quality，the optimal parameters is determined by sorting the coal of the 6～3 mm，3～1 mm size fractions under the different conditions of fluidized gas velocity，vibration intensity.The results showed that the critical fluidization velocity decreased with the increase of mass ratios of quartz sand.When the gas velocity was 7.37 cm/s，the optimal stability of bed layer was achieved and a standard deviation of bed drop was 4.08 Pa.The values of sorting accuracy（possible deviation Epvalue）under the optimum condition of those two size fractions were around 0.09 g/cm3and 0.13 g/cm3by calculating，respectively，which meant the sorting effect was favorable.

tow-spot dense medium，vibration fluidized bed，separation experiment，fine coal

TD94

A

∗国家自然科学基金资助项目（51174203，51134022），国家自然科学基金重点项目、国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2012CB214904）

陈伟（1990-），男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为煤炭干法分选。