空氣重介質(zhì)流化床床層流化質(zhì)量的評(píng)價(jià)

丁淑芳，　李　濤，　韋魯濱，　李明明

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.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)

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空氣重介質(zhì)流化床床層流化質(zhì)量的評(píng)價(jià)

丁淑芳1，李濤1，韋魯濱2，李明明1

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.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)

為評(píng)價(jià)流化床的流化質(zhì)量，選用七種粒度不同的磁鐵礦粉為加重質(zhì)，將影響流化質(zhì)量的主要因素流化氣速和加重質(zhì)粒度分布作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并提取流化質(zhì)量參數(shù)，分析其對(duì)流化質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：利用流化質(zhì)量參數(shù)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)流化質(zhì)量的影響，流化床層的密度標(biāo)準(zhǔn)差隨氣速的增大均呈先增大后減小的趨勢(shì)，在其達(dá)到最大值后的氣速范圍內(nèi)，床層密度趨于穩(wěn)定。此時(shí)床層的均勻性較好。床層密度標(biāo)準(zhǔn)差隨磁鐵礦粉平均粒徑的增大而增大，此時(shí)床層的均勻性變差。當(dāng)其含有適量的細(xì)顆粒時(shí)，床層的均勻性要比相同粒徑的磁鐵礦粉所形成的床層均勻性好，可以改善流化質(zhì)量。根據(jù)密度標(biāo)準(zhǔn)差與氣速的變化趨勢(shì)對(duì)氣速進(jìn)行分區(qū)，為選擇適宜的分選氣速范圍提供了依據(jù)。

流化床； 加重質(zhì)粒度； 流化氣速； 粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差； 密度分布標(biāo)準(zhǔn)差

0　引　言

空氣重介質(zhì)流化床兩相運(yùn)動(dòng)具有高度復(fù)雜性和不確定性，要想獲得良好的分選效果，一定要保證床內(nèi)流化介質(zhì)具有良好的流化質(zhì)量[1-2]?？諝庵亟橘|(zhì)流化床屬于鼓泡流化床，煤炭在其中是按密度進(jìn)行分選的，而床層密度的均勻穩(wěn)定是獲得良好分選效果的保證。影響床層均勻穩(wěn)定的因素有流化氣速、加重質(zhì)顆粒(包括粒度分布、密度及大小)和分布器(布風(fēng)板)、床體結(jié)構(gòu)等[3]。 筆者從床層密度均勻性角度評(píng)價(jià)流化質(zhì)量，主要針對(duì)流化氣速和加重質(zhì)粒度分布這兩個(gè)因素,評(píng)價(jià)其對(duì)流化質(zhì)量的具體影響，探究合適的條件，使床層的流化質(zhì)量達(dá)到最好，形成均勻穩(wěn)定的流化床層。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及加重質(zhì)

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。該實(shí)驗(yàn)裝置由動(dòng)力系統(tǒng)、流化裝置和數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)組成，流化裝置由風(fēng)室、氣體分布器及床體組成，床主體由有機(jī)玻璃制成，是橫截面積為200 mm×200 mm的正方形斷面體，其側(cè)壁有幾組用于測(cè)量床層壓降的傳感器，孔間距為35 mm，與數(shù)字應(yīng)變議、計(jì)算機(jī)相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)床內(nèi)流化狀況并獲取數(shù)據(jù)。氣體分布器是能否形成高質(zhì)量流態(tài)化的關(guān)鍵因素之一。實(shí)驗(yàn)采用燒結(jié)板作為氣體分布器，具有開孔率適中、布?xì)饩鶆?、容易清理、表面平整、耐磨損等特點(diǎn)，是較理想的氣體分布器。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

加重質(zhì)來(lái)自山東兗州的磁鐵礦粉，根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]，實(shí)驗(yàn)選取七種不同粒度組成的磁鐵礦粉作為加重質(zhì)，對(duì)流化質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。表1是各磁鐵礦粉的粒度分布情況。

表1　各磁鐵礦粉的粒度分布

2　床層流化質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1加重質(zhì)粒度分布

加重質(zhì)顆粒的大小及其分布、密度、形狀、流動(dòng)性與流態(tài)化質(zhì)量密切相關(guān)，影響著床層壓降、臨界流態(tài)化速度和顆粒終端速度。尤其是加重質(zhì)顆粒的粒度及分布對(duì)流化床的流動(dòng)特性有重要影響，在選取粒度及分布時(shí)，既要考慮流態(tài)化技術(shù)的一般要求，更要根據(jù)工藝工程的特點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)權(quán)衡，才能得到良好的效果。一般情況下，顆粒粒度組成呈正態(tài)分布時(shí)其流化性能比較好。

(1)

di——第i個(gè)粒級(jí)顆粒的算術(shù)平均篩析粒徑；

xi——第i個(gè)粒級(jí)顆粒的重量產(chǎn)率。

為增加不同磁鐵礦粉間的可比性，定義無(wú)因次粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差表征[3]：

(2)

細(xì)顆粒作用因子是顆粒粒度比體系中平均粒徑小的顆粒作用大小的無(wú)因次因子。為準(zhǔn)確衡量細(xì)顆粒作用因子，利用粒度累積分布曲線計(jì)算細(xì)顆粒作用因子Fd，各加重質(zhì)的粒度分布參數(shù)見表2。

表2　各加重質(zhì)的粒度分布參數(shù)

結(jié)合表1和表2可以看出，加重質(zhì)的粒級(jí)分布范圍拓寬后，小于74 μm粒級(jí)的含量在增加，使得床內(nèi)細(xì)顆粒的返混流動(dòng)加劇，能不斷改善加重質(zhì)的粒度分布情況，有利于保持床層密度的均勻穩(wěn)定。平均粒徑越小，粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差和細(xì)顆粒作用因子在逐漸增加，此時(shí)粒度分布較為均勻的加重質(zhì)Ⅶ表現(xiàn)出較好的流化性能，有助于實(shí)現(xiàn)高效分選。

2.2流化氣速

實(shí)驗(yàn)研究要使固體顆粒在氣流的作用下完全流化，操作氣速必須大于起始流化速度umf，umf是流化床操作的最低流速，由式(3)計(jì)算：

(3)

式中：u——流化氣速，cm/s；

T0、p0——空氣在常溫常壓下的絕對(duì)溫度和絕對(duì)壓力，為293 K和1.01×105Pa；

T、p——空氣通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的絕對(duì)溫度和絕對(duì)壓力，為283 K和1.215 9×105Pa；

qV、A——流量計(jì)讀數(shù)和流化床層的橫截面積，m3/h和m2。

寬粒級(jí)加重質(zhì)的起始流化速度不像窄粒級(jí)加重質(zhì)只有一個(gè)臨界流化速度，當(dāng)氣速較小時(shí)，小的或輕的顆粒開始流化，此時(shí)速度為起始流化速度umf。而當(dāng)氣速繼續(xù)增加至某一值時(shí)，大的或重的顆粒也開始流化，床層處于完全流化狀態(tài)，此時(shí)速度為完全流化速度utf。umf和utf的測(cè)定方法，先將各加重質(zhì)倒入流化床中，然后從小到大逐漸調(diào)節(jié)氣速，并記錄相應(yīng)的氣速和床層總壓差。待床層完全流化后，將氣速?gòu)拇蟮叫∵M(jìn)行調(diào)節(jié)，同樣記錄其壓差和流速，直到流速調(diào)到零為止。由于流速上升和流速下降時(shí)壓降不一致，通常逐步減小流速得到的曲線2比逐步增大流速時(shí)得到的曲線1位置要低一些。umf和utf的確定如圖2所示。根據(jù)流化氣速測(cè)定方法，得到各加重質(zhì)的起始流化氣速和完全流化氣速，見表3。

圖2　起始和完全流化速度的確定

表3　各加重質(zhì)的流化氣速

2.3流化質(zhì)量參數(shù)

從流化床層密度的均勻性著手，確定流化質(zhì)量參數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步分析加重質(zhì)顆粒的粒度分布和流化氣速對(duì)流化質(zhì)量的影響。通常采用床層中的密度分布標(biāo)準(zhǔn)差Sρ和床層中某一粒級(jí)在各層中的粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差[6-7]來(lái)表征床層的均勻穩(wěn)定性，床層密度分布標(biāo)準(zhǔn)差

(4)

n——測(cè)壓組數(shù)；

ρi——各組測(cè)壓點(diǎn)計(jì)算出的密度。

將各加重質(zhì)倒入流化床中，打開氣閥并先將氣速調(diào)到一個(gè)較大的值，讓床內(nèi)顆粒流化一段時(shí)間后迅速將氣閥關(guān)閉，讓床層具有良好的初始流化狀態(tài)，以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程氣速按由大到小調(diào)節(jié)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)氣速下要保證床層呈完全流化狀態(tài)后再測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間20s，頻率100Hz。

3　評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)流化質(zhì)量的影響

3.1加重質(zhì)粒度與流化氣速

圖3是加重質(zhì)的起始流化速度與平均粒徑的關(guān)系。從圖3可以看出，起始流化速度是受顆粒粒度控制的變量，平均粒徑越大，起始流化氣速顯著增大。

圖3　起始流化氣速與加重質(zhì)平均粒徑的關(guān)系

圖4給出了粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差與平均粒徑的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，平均粒徑越小，粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差呈增加的趨勢(shì)，結(jié)合表1加重質(zhì)粒度分布結(jié)果，分析可知，粒級(jí)分布窄的加重質(zhì)粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差較粒級(jí)分布寬的加重質(zhì)小，粒級(jí)分布越寬，平均粒徑越小，粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差在逐漸增加，加重質(zhì)顆粒就越易流化，且各粒級(jí)無(wú)明顯分層，流化床層能保持均勻穩(wěn)定。這表明粒度分布較為均勻的加重質(zhì)Ⅶ表現(xiàn)出較好的流化性能，有助于實(shí)現(xiàn)高效分選。

圖4　粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差與加重質(zhì)平均粒徑的關(guān)系

3.2床層密度均勻性分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理借助Matlab 6.1小波工具軟件[8]，對(duì)所有流化床床層差壓信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局閾值降噪和濾波處理。根據(jù)設(shè)定程序?qū)λ袨V波后的壓差波動(dòng)信號(hào)處理，求其均值，并將均值轉(zhuǎn)換為壓差，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的密度(此密度是各床層的平均密度)。以各組測(cè)壓點(diǎn)測(cè)量計(jì)算的密度均值作為樣本，用粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差Sd和床層密度分布標(biāo)準(zhǔn)差Sρ計(jì)算并表征床層密度的均勻性，表4所示是各加重質(zhì)的密度標(biāo)準(zhǔn)差與部分流化氣速的關(guān)系。

表4　不同氣速下各加重質(zhì)的密度分布標(biāo)準(zhǔn)差

為進(jìn)一步研究流化床層的密度是否具有一定均勻穩(wěn)定性，以更好地分析流化床中加重質(zhì)顆粒的流化氣速在起始流化速度和終止氣流速度之間變化，通常采用流化數(shù)來(lái)表征流化氣速的大小，即流化氣速與起始流化速度的比值。圖5以流化數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制流化數(shù)與密度分布標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系。在一定的流化數(shù)范圍內(nèi)加重質(zhì)顆粒能取得較好的流化效果并適合分選。

由圖5可知，隨流化數(shù)的增大，床層的密度標(biāo)準(zhǔn)差都是先增大而后減小，然后逐漸趨于平穩(wěn)的變化過(guò)程。但在密度標(biāo)準(zhǔn)差增大到最大值后的氣速范圍內(nèi)，密度標(biāo)準(zhǔn)差趨于穩(wěn)定，此時(shí)床層的均勻性較好。

圖5　各加重質(zhì)的密度分布標(biāo)準(zhǔn)差與流化數(shù)的關(guān)系

進(jìn)一步分析各加重質(zhì)與密度分布標(biāo)準(zhǔn)差、流化數(shù)的關(guān)系，表明床層密度標(biāo)準(zhǔn)差受磁鐵礦粉平均粒徑的影響較大，受磁鐵礦粉粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差的影響較小。隨氣速的增大，密度標(biāo)準(zhǔn)差由小到大依次是加重質(zhì)Ⅶ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅱ、Ⅰ。密度標(biāo)準(zhǔn)差基本隨磁鐵礦粉平均粒徑的增大而增大，床層的均勻性變差。此外，當(dāng)磁鐵礦粉中含有適量的細(xì)顆粒時(shí)，床層的均勻性要比相同粒徑的磁鐵礦粉所形成的床層均勻性好，可以改善流化質(zhì)量。但當(dāng)磁鐵礦粉的平均粒徑小于70 μm時(shí)，由于細(xì)顆粒的黏性作用，使床層不能正常流化，均勻性較差。

另外，可根據(jù)密度標(biāo)準(zhǔn)差與氣速的變化趨勢(shì)對(duì)氣速進(jìn)行分區(qū)，如加重質(zhì)Ⅶ在流化氣速<3.54 cm/s時(shí)，密度標(biāo)準(zhǔn)差一直增大到最大0.190；此后隨著氣速的增大，密度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小后又增大到0.146；當(dāng)流化氣速>5 cm/s時(shí)，密度標(biāo)準(zhǔn)差趨于穩(wěn)定，此時(shí)具有良好的流化質(zhì)量，適合流化床分選并為其選擇合適的分選氣速范圍提供依據(jù)。

4　結(jié)　論

(1)選取流化氣速、加重質(zhì)粒度對(duì)床層流化質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析七種不同粒度組成的加重質(zhì)流化質(zhì)量，結(jié)果表明，較寬粒度范圍的加重質(zhì)Ⅶ具有良好的流化特性。隨平均粒徑的減小，粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差在增加，床層各粒級(jí)無(wú)明顯分層，具有良好的流化特性。

(2)床層密度均勻性由粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差和密度分布標(biāo)準(zhǔn)差表征，結(jié)果表明，流化床層的密度標(biāo)準(zhǔn)差隨氣速的增大都是先增大而后減小，然后逐漸趨于平穩(wěn)的變化過(guò)程。在密度標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最大值后的氣速范圍內(nèi)，床層密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)床層的均勻性和流化質(zhì)量較好。

(3)床層密度標(biāo)準(zhǔn)差受磁鐵礦粉平均粒徑的影響較大，受磁鐵礦粉粒度分布標(biāo)準(zhǔn)差的影響較小。密度標(biāo)準(zhǔn)差基本隨磁鐵礦粉平均粒徑的增大而增大，床層的均勻性變差。根據(jù)密度標(biāo)準(zhǔn)差與氣速的變化趨勢(shì)對(duì)氣速進(jìn)行分區(qū)，可以為選擇合適的分選氣速范圍提供依據(jù)。

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(編輯徐巖)

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

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2013C053)

丁淑芳(1981-)，女，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布人，講師，碩士，研究方向：潔凈煤技術(shù)，E-mail:dsf128@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.007

TD942

2095-7262(2016)02-0143-05

A