韋魯濱，李 躍，吳靜瀅，翟士華，楊 琪，杜興全，朱學(xué)帥

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

隨著現(xiàn)代化采煤技術(shù)的應(yīng)用和煤質(zhì)的不斷惡化，粗煤泥含量不斷增加，直接采用重選、浮選均難以達(dá)到理想的分選效果，選煤廠需對(duì)粗煤泥進(jìn)行單獨(dú)分選[1]。目前常用的粗煤泥分選設(shè)備有液固流化床分選機(jī)、螺旋分選機(jī)、煤泥重介旋流器等，液固流化床分選機(jī)因其處理量大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分選效果較好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于粗煤泥分選實(shí)踐[2-4]。

實(shí)際生產(chǎn)中，液固流化床分選粗煤泥是在入料濃度大于40%、床層濃度較高狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)性濃相分選[5-6]。然而，目前實(shí)驗(yàn)室對(duì)液固流化床分選粗煤泥的研究主要采用間歇式設(shè)備分選，床層濃度較低，和實(shí)際分選并不完全相符。HONAKER等研究發(fā)現(xiàn)床層濃度對(duì)液固流化床分級(jí)粒度和可能偏差影響顯著[7]；ZHU等發(fā)現(xiàn)連續(xù)入料條件下，低水速分選粗煤泥，床層濃度增大，分選精度有所提高[8]；GALVIN等對(duì)原煤進(jìn)行了低流化速率試驗(yàn)，通過(guò)提高懸浮液密度，發(fā)現(xiàn)粗煤泥的分選效果有顯著提高[9]；LIU等根據(jù)煤顆粒密度的不同，利用低水速與高床層密度相結(jié)合，可進(jìn)一步提高粗煤泥的分選效果[10]；戚向前等對(duì)流化床中濃度與傾斜通道顆粒運(yùn)動(dòng)做出了研究，發(fā)現(xiàn)高濃度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)有一定影響[11]；賀長(zhǎng)營(yíng)等考察了床層容積濃度及上升水速對(duì)床層內(nèi)部流化特性的影響[12]。以上研究均表明床層濃度對(duì)粗煤泥分選過(guò)程影響顯著，筆者采用自行設(shè)計(jì)的液固流化床，直接將床層質(zhì)量濃度作為變量，協(xié)同上升水速操作參數(shù)，進(jìn)行濃相連續(xù)分選粗煤泥試驗(yàn)，探究液固流化床分選過(guò)程的影響規(guī)律，以期為工業(yè)生產(chǎn)中液固流化床操作參數(shù)調(diào)控提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 入料性質(zhì)

本試驗(yàn)中的粗煤泥粒度控制在1.00～0.25 mm常用分選范圍[13-14]，進(jìn)行濃相液固流化床連續(xù)分選，入料粒度分析如表1所示，可選性曲線如圖1所示。

表1 入料粒度分析

圖1 入料可選性曲線

由表1可知，入料粒度主要分布于0.90～0.75 mm，0.75～0.63 mm，0.50～0.35 mm 3個(gè)粒度級(jí)，占物料的76.21%；隨著顆粒粒度降低，灰分先減小再增加，但分布較為均勻，其值介于17.00%～27.00%之間。由圖1可知，依據(jù)基元灰分曲線形狀和δ±0.1鄰近物曲線密度大于1.70 g/cm3物料占總物料的15.50%，故煤樣屬于中等可選煤；密度小于1.50 g/cm3含量較大，低密度煤樣較多，占總物料的72.91%。

1.2 分選裝置

本試驗(yàn)采用液固流化床分選裝置，由入料槽、液固流化床分選機(jī)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、水箱、渦輪流量計(jì)、離心泵、流體分布器和PID控制器等組成，其中液固流化床分選柱采用邊長(zhǎng)12.00 cm、高度67.00 cm的矩形柱體狀結(jié)構(gòu)；流體分布器采用并排布水管，開(kāi)孔率為25.00%結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)裝置如圖2所示，流體分布器如圖3所示。

注：A、B、C-水閥；D-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；E-渦輪流量計(jì)；F-循環(huán)水管；G-流體分布器；H-循環(huán)水桶；I-離心水泵；J-底流水桶；K-水箱；L-漏網(wǎng)；M-PID控制器；N-底流閥；O-壓力傳感器；P-入料槽。

圖3 流體分布器示意

該流體分布器由分布在流體內(nèi)的并排帶孔平行布水支管和兩根主布水管組成，帶孔平行布水支管之間有一定間隙，極為方便底流排料，還解決了常規(guī)布水器易堵孔問(wèn)題，故而該流體分布器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單還具有較好的流體穩(wěn)定性和均勻性[15]。

1.3 試驗(yàn)方法

為了解床層濃度和上升水速對(duì)濃相液固流化床粗煤泥分選的影響，在試驗(yàn)前檢查設(shè)備情況，將壓力傳感器接通電源，開(kāi)啟離心水泵，上升水經(jīng)流量計(jì)和流體分布器引入液固流化床分選機(jī)內(nèi)，調(diào)控上升水速，待上升水速達(dá)期望值并趨于穩(wěn)定后，入料槽連續(xù)給料，并控制入料質(zhì)量濃度為50.00%，入料速率80.00 kg/h，物料沿入料管均勻給入分選機(jī)內(nèi)，隨著分選機(jī)內(nèi)干擾流化床層的形成，輕產(chǎn)物經(jīng)溢流口排出，隨壓力傳感器示數(shù)達(dá)到期望值后，將此信息傳遞給PID控制器控制底流閥門(mén)開(kāi)關(guān)，重產(chǎn)物經(jīng)錐形段從底流口排出，最后對(duì)溢流和底流產(chǎn)物進(jìn)行取樣、化驗(yàn)、分析。

在探究床層質(zhì)量濃度對(duì)液固流化床粗煤泥分選影響時(shí)，設(shè)定上升水速為10.50 mm/s，控制床層壓力值6.80～7.60 kPa，進(jìn)行連續(xù)性分選試驗(yàn)；在探究上升水速對(duì)濃相液固流化床分選影響時(shí)，通過(guò)控制上升水速4.50～55.00 mm/s，壓力傳感器示數(shù)達(dá)到7.25 kPa，此時(shí)床層質(zhì)量濃度35.00%～36.00%范圍下，進(jìn)行連續(xù)性分選試驗(yàn)。

質(zhì)量百分濃度公式：

H=M1/M×100%

(1)

式中，M1為溶液含煤質(zhì)量，g；M為溶液總質(zhì)量，g；H為質(zhì)量百分濃度，%。

本試驗(yàn)采用入料粒度0.25～1.00 mm粒度級(jí)粗煤泥分選，通過(guò)精煤灰分、產(chǎn)率、可燃體回收率、脫灰效率和可能偏差E值等指標(biāo)來(lái)分析分選效果。

精煤產(chǎn)率公式：

(2)

式中,γj為精煤產(chǎn)率，%；Ay為原煤灰分，%；Aj為精煤灰分，%；Aw為尾煤灰分，%。

可燃體回收率公式：

(3)

脫灰效率公式：

(4)

式中,ηε為可燃體回收率，%；ηwf為脫灰效率，%；γj為精煤產(chǎn)率，%；Aj為精煤灰分，%；Ay為原煤灰分，%。

可能偏差E值計(jì)算公式：

(5)

式中，E為可能偏差，g/cm3；δ25、δ75為分配率為25%和75%所對(duì)應(yīng)的分選密度，g/cm3。

為了進(jìn)一步分析影響分選效果的因素，從干擾床層密度ρ、床層懸浮液濃度q、固體容積濃度λ、質(zhì)量百分濃度H、等沉比e0之間關(guān)系進(jìn)行分析。

(6)

(7)

(8)

式中，q為床層懸浮液濃度，g/L；ρ為干擾床層密度，g/cm3；δ為床層固體顆粒平均密度，g/cm3；λ為固體容積濃度，%；Vg為懸浮液內(nèi)固體顆粒所占體積，L；V為懸浮液中固體與液體所占體積總和，L。

(9)

式中，e0為等沉比；d1、d2為粗輕顆粒粒徑和細(xì)重顆粒粒徑，mm；ψ1、ψ2為粗輕顆粒阻力系數(shù)和細(xì)重顆粒阻力系數(shù)；δ1、δ2為粗輕顆粒密度和細(xì)重顆粒密度，g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 床層質(zhì)量濃度對(duì)液固流化床粗煤泥分選影響研究

現(xiàn)場(chǎng)液固流化床連續(xù)分選粗煤泥時(shí)，其床層質(zhì)量濃度通常處于非最佳分選濃相狀態(tài)，并且目前實(shí)驗(yàn)室是處于間斷、稀相狀態(tài)下的研究偏多，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并不相符，為進(jìn)一步探究適宜分選床層質(zhì)量濃度，為工業(yè)分選粗煤泥提供一定的參考價(jià)值。以下通過(guò)控制上升水速和床層壓力，形成不同的床層質(zhì)量濃度，在不同床層質(zhì)量濃度下，液固流化床分選粗煤泥試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，床層質(zhì)量濃度與床層壓力關(guān)系如圖4所示，床層質(zhì)量濃度與精煤產(chǎn)品指標(biāo)關(guān)系如圖5所示。

圖5 床層質(zhì)量濃度與精煤產(chǎn)品關(guān)系圖

表2 不同床層質(zhì)量濃度下粗煤泥分選試驗(yàn)結(jié)果

圖4 床層質(zhì)量濃度與壓力關(guān)系圖

如圖4所示，隨著床層壓力不斷提升，床層質(zhì)量濃度呈不斷增加的指數(shù)模型分布，其擬合公式如式(10)所示：

y=41.207-4.836×1012×0.022 55x

(10)

式中，x為床層壓力值，kPa；y為床層質(zhì)量濃度，%。

該模型能通過(guò)床層壓力值較精確預(yù)測(cè)床層質(zhì)量濃度，相比通過(guò)懸浮液濃度分析床層情況，該方式省略了對(duì)體積的測(cè)量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更方便簡(jiǎn)潔。

由圖5可知，隨著床層質(zhì)量濃度不斷增加，當(dāng)床層濃度小于20.00%時(shí)，精煤產(chǎn)率、可燃體回收率、脫灰效率均偏低；當(dāng)濃度趨于20.00%～36.50%時(shí)，溢流灰分緩慢增加，但均低于7.00%，當(dāng)床層濃度33.00%～36.50%時(shí)，溢流產(chǎn)率、可燃體回收率、脫灰效率均呈現(xiàn)先增加后略微降低趨勢(shì)；當(dāng)濃度為35.00%左右時(shí)，精煤產(chǎn)率、可燃體回收率、脫灰效率均出現(xiàn)極大值，此時(shí)精煤產(chǎn)率高達(dá)72.50%，可燃體回收率86.00%，脫灰效率63.00%；當(dāng)床層質(zhì)量濃度大于36.50%時(shí)，精煤灰分急劇增加，脫灰效率逐漸降低。表明分選床層濃度不宜過(guò)高也不宜過(guò)低。分析原因可能是當(dāng)床層濃度過(guò)低時(shí)，床層松散度較大，顆粒干擾阻力較小，由于上升水速較低，大部分顆粒受力向下，下沉作為底流；床層濃度過(guò)高時(shí)，床層中顆粒干擾阻力增大，懸浮液流動(dòng)性減弱，導(dǎo)致分選效果變差。

床層質(zhì)量濃度影響連續(xù)分選效果，其本質(zhì)是影響了顆粒運(yùn)動(dòng)行為。下文對(duì)某一操作條件下的床層沿軸向取樣，通過(guò)不同床層質(zhì)量濃度分選，按分選柱從上往下每隔10 cm取一個(gè)樣，共六個(gè)取樣點(diǎn)，分析得到不同濃度下懸浮液濃度與軸向床層取樣位置的關(guān)系如圖6所示。通過(guò)圖6分析得，隨著床層取樣高度的增大，懸浮液濃度不斷減?。欢谕蝗游恢萌訒r(shí)，隨著床層質(zhì)量濃度的增大，懸浮液濃度不斷提高，當(dāng)床層質(zhì)量濃度30.00%～35.00%時(shí)，懸浮液濃度變化尤為明顯。分析原因可能是軸向從上往下顆粒密度逐漸增大導(dǎo)致懸浮液濃度逐漸增大，軸向同一位置隨著床層濃度的增大，顆?？紫堵蕼p小，懸浮液濃度不斷增加。

圖6 軸向床層懸浮液濃度分布

為進(jìn)一步分析床層質(zhì)量濃度對(duì)粗煤泥分選影響，對(duì)不同床層濃度下產(chǎn)品的E值進(jìn)行分析，得到圖7。

圖7 床層濃度與E值關(guān)系圖

根據(jù)圖7可知，可能偏差隨著床層濃度增大，E值呈現(xiàn)先增大再減小再增大的趨勢(shì)，當(dāng)床層質(zhì)量濃度35.00%時(shí)，E值出現(xiàn)極小值，此時(shí)E值為0.119 g/cm3，當(dāng)床層濃度低于33%時(shí)，E值雖低但精煤產(chǎn)率也偏低，不符合實(shí)際生產(chǎn)情況。表明床層質(zhì)量濃度在35.00%左右時(shí)，分選效果較好。分析原因可能是，當(dāng)床層濃度較低時(shí)，由于顆?？障堵瘦^大，床層穩(wěn)定性較差，分選效果較差；當(dāng)床層濃度達(dá)到一定濃度后，水和粗煤泥組成的懸浮體密度不斷增加，提高了顆粒干擾沉降的等沉比，增強(qiáng)了顆粒按密度分選的效果；當(dāng)床層濃度過(guò)高時(shí)，可能偏差有所增加，可能是隨著濃度增加，床層過(guò)于緊密，顆粒在床層內(nèi)的置換受到影響，使其分選精度又降低。

2.2 上升水速對(duì)濃相液固流化床粗煤泥分選影響研究

實(shí)驗(yàn)室中對(duì)液固流化床分選粗煤泥通常采用較高的上升水速，且處于間歇式、稀相狀態(tài)下研究，與現(xiàn)場(chǎng)濃相、連續(xù)分選并不相符。下面是探究上升水速對(duì)濃相液固流化床連續(xù)分選粗煤泥影響試驗(yàn)，不同上升水速下濃相液固流化床分選粗煤泥試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。對(duì)表3中的數(shù)據(jù)作圖分析，得到精煤灰分、產(chǎn)率、可燃體回收率、脫灰效率隨上升水速關(guān)系，如圖8所示。

表3 不同上升水速下粗煤泥分選試驗(yàn)結(jié)果

圖8 上升水速與精煤產(chǎn)品關(guān)系圖

由圖8可得，在此濃相狀態(tài)下，隨著上升水速不斷增加，精煤灰分、產(chǎn)率、可燃體回收率均不斷增加，脫灰效率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，當(dāng)上升水速小于12.5 mm/s時(shí)，精煤產(chǎn)率增加趨勢(shì)明顯；當(dāng)水速大于12.5 mm/s時(shí)，精煤產(chǎn)率、可燃體回收率均隨著水速增加其增長(zhǎng)趨勢(shì)有所下降；在10.5 mm/s上升水速條件下精煤產(chǎn)率高達(dá)72.91%，可燃體回收率86.44%，此時(shí)精煤灰分只有6.87%，當(dāng)達(dá)到較高水速55 mm/s時(shí)，精煤產(chǎn)率達(dá)79.63%，但此時(shí)精煤灰分為10.60%；隨著上升水速的不斷增大，脫灰效率在水速等于10.50 mm/s時(shí)，達(dá)到最大值63.09%。上述結(jié)果表明如想得到灰分小于8.00%、產(chǎn)率大于70%精煤產(chǎn)品，那么上升水速不宜過(guò)低或過(guò)高。分析原因可能是上升水速過(guò)低時(shí)，使得大部分顆粒受向下作用力，上升水速小于干擾沉降速度，顆粒向下運(yùn)動(dòng)，精煤產(chǎn)率偏低；上升水速過(guò)高時(shí)，使得床層空隙率增大，床層穩(wěn)定性下降，較多高密度顆粒受力向上，錯(cuò)配較多，精煤灰分偏大。

為進(jìn)一步探究上升水速對(duì)濃相液固流化床分選粗煤泥的影響，通過(guò)可能偏差E值和精煤產(chǎn)率進(jìn)一步衡量上升水速對(duì)濃相液固流化床分選粗煤泥的影響。

如圖9所示，隨著上升水速的不斷增加，可能偏差E值總體呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢(shì)。當(dāng)水速等于10.50 mm/s時(shí)，精煤產(chǎn)率可觀且E值達(dá)最小值，為0.119 g/cm3；另外，在水速小于12.50 mm/s時(shí)，E值介于0.119～0.161 g/cm3之間，相對(duì)較??；當(dāng)上升水速大于12.50 mm/s時(shí)，可能偏差E值明顯增大；在低水速時(shí)精煤產(chǎn)率和E值均偏低，不宜實(shí)際分選。表明在較低水速時(shí)E值較低，此時(shí)分選精度高，精煤產(chǎn)率可觀。究其原因可能是過(guò)低水速時(shí)，許多顆粒并未達(dá)到流化水速，直接成為底流產(chǎn)品，使得底流參精過(guò)多，分選精度有所降低；當(dāng)較高上升水速時(shí)，部分高密度顆粒達(dá)到流化水速，顆粒按密度分選作用削弱，分選精度下降。

圖9 E值與濃相水速關(guān)系圖

3 結(jié)論

1)液固流化床連續(xù)分選粗煤泥時(shí)，較高的床層質(zhì)量濃度與較低的上升水速相結(jié)合，形成濃相床層，有利于提高床層懸浮液的濃度和密度，強(qiáng)化物料按密度分選，此時(shí)精煤產(chǎn)率和分選精度均可觀，顯著提升粗煤泥分選效果。

2)同一上升水速，不同床層壓力下，床層質(zhì)量濃度隨著床層壓力呈現(xiàn)一條不斷增大的指數(shù)變化趨勢(shì)；當(dāng)床層質(zhì)量濃度達(dá)33.00%～36.50%濃相狀態(tài)范圍內(nèi)，分選效果明顯提高，此時(shí)精煤灰分介于6.50%～7.00%，可能偏差E值介于0.119～0.140 g/cm3，精煤產(chǎn)率70.00%～72.91%，可燃體回收率80.00%～86.50%，脫灰效率62.00%～63.50%。

3)在同一床層質(zhì)量濃度范圍條件下，液固流化床在接近8.50～12.50 mm/s 較低上升水速時(shí)，均可以實(shí)現(xiàn)1.00～0.25 mm粗煤泥的有效分選，此時(shí)，精煤灰分偏低、可能偏差E值較低、精煤產(chǎn)率可觀；在入料粒度1.00～0.25 mm下，上升水速等于10.50 mm/s時(shí)，精煤灰分6.87%，精煤產(chǎn)率72.91%，可燃體回收率86.44%，脫灰效率63.09%，可能偏差E值0.119 g/cm3。