李漢峰

（鄂爾多斯市金通礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

由于優(yōu)質(zhì)煤炭資源的減少，低階煤的使用在煤炭工業(yè)中變得越來(lái)越重要[1]。粉煤是儲(chǔ)量最豐富的低階煤[2-3]。我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量約為4 萬(wàn)億t，占全球煤炭?jī)?chǔ)量的40%～60%。低階煤一般灰分低，硫含量低，揮發(fā)分高，活性強(qiáng)。粉煤作為低階煤的主要類型，還具有含水率高、變質(zhì)等級(jí)低的不利特性[4]。這些特性使粉煤容易被水降解，排除了在粉煤分離中潛在的水基選礦技術(shù)。

基于重介氣固流化床的干煤選礦技術(shù)是近年來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。印度使用空氣重介流化床分離器成功地進(jìn)行了干煤選礦，并取得了一些成果。張福明等[5]人重點(diǎn)研究在氣體分布穩(wěn)定性、密度分布均勻性、分離介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)行為以及雙層床密度層的形成機(jī)制。其操作的主要原理是原料按床層密度分層，根據(jù)阿基米德原理，較輕的顆粒（清潔煤）漂浮，較重的顆粒（尾礦）下沉。王振銀等[6]研究人員設(shè)計(jì)并研究生產(chǎn)40～60 t/h 的選礦設(shè)備，該設(shè)備可以分離6～50 mm 大小的原煤，其誤差為0.05～0.07 g/cm3[6]。然而，1～6 mm 細(xì)粒煤的高效分離很難用傳統(tǒng)的流化床進(jìn)行。因此，通過(guò)將振動(dòng)能或磁能引入傳統(tǒng)流化床，可以極大提高低品位粉煤分離技術(shù)。結(jié)果表明，采用新型振動(dòng)流化床或磁性流化床分離器可以顯著提高1～6 mm 細(xì)粒煤的分離效率[7]。且振動(dòng)氣固流化床（VGFB）已被公認(rèn)為在煤炭選礦行業(yè)具有應(yīng)用潛力的有效分離裝置。

基于此，本文引入振動(dòng)能量來(lái)研究1～6 mm 大小的粉煤在不同操作條件下的偏析。使用實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)氣固流化床研究1～3 mm 和3～6 mm 低品位粉煤的分離性能。在致密介質(zhì)氣固流化床中引入振動(dòng)能量。該裝置被稱為振動(dòng)氣固流化床，通過(guò)振動(dòng)能量的傳遞以及振動(dòng)與氣相的相互作用，可以為干煤選礦提供穩(wěn)定的流態(tài)和均勻的密度分布。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)振動(dòng)氣固流化床系統(tǒng)包括送風(fēng)和控制系統(tǒng)、振動(dòng)氣固流化床、床層穩(wěn)定性測(cè)量裝置、振動(dòng)參數(shù)調(diào)節(jié)和控制裝置[8]。制作了直徑120 mm、高度300 mm 的圓柱形有機(jī)玻璃流化床，安裝在振動(dòng)平臺(tái)上。壓縮空氣被推入流化床的空氣室，然后通過(guò)位于床底的自行設(shè)計(jì)的氣體分布器將其輸送到床內(nèi)。氣體分布器由帶有雙層過(guò)濾布的微穿孔板組成，具有良好的氣流分布特性。燃?xì)夥植计鏖_(kāi)口面積占總面積的比例約為28.26%。采用電子傳輸式密度計(jì)測(cè)量不同位置的床層密度，床的振動(dòng)幅度和頻率由振動(dòng)控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。選取1～3 mm 和3～6 mm兩種低品位粉煤樣品進(jìn)行分離性能研究。在床層流態(tài)化穩(wěn)定后，將低品位粉煤送入床層。低品位粉煤的分層是基于床層密度分選機(jī)制。對(duì)各層分選為精煤、中礦和矸石進(jìn)行了分析，評(píng)價(jià)了分選效率，并據(jù)此優(yōu)化了操作參數(shù)。

1.2 材料

地區(qū)煤礦的低品位粉煤顏色一般為黑至褐黑色，條痕黑褐色，暗淡光澤，部分無(wú)光澤或土狀光澤，并見(jiàn)有瀝青光澤的鏡煤和亮煤條帶，在煤層層面上多見(jiàn)絲絹光澤的絲炭，比重小，性脆，硬度2 左右。分選介質(zhì)需要有穩(wěn)定的密度，這對(duì)形成穩(wěn)定的床層至關(guān)重要，是煤炭高效分選的重要因素。易于回收和再利用是分離介質(zhì)的附加要求[8]。為保證流化床的流態(tài)化質(zhì)量，降低分離介質(zhì)的制備成本，本研究選用0.074～0.3 mm 的磁粉作為主要分離介質(zhì)，其實(shí)際密度為4.2 g/cm3，容重為2.56 g/cm3，其磁性材料含量和磁化強(qiáng)度分別為99.79%和77.86 Am2/kg。磁粉的物理性質(zhì)表明，密度分布適宜，磁性物質(zhì)含量高，有利于在床層中形成穩(wěn)定的流態(tài)，為選煤提供均勻的分選密度。

1.3 試驗(yàn)方法

在分離試驗(yàn)中，通過(guò)氣體分布器將壓縮空氣均勻地引入床層，使分離介質(zhì)流態(tài)化。達(dá)到穩(wěn)定流態(tài)化后，將粉煤樣品送入床層，分離一段時(shí)間。流化指標(biāo)用于檢驗(yàn)流化床的穩(wěn)定性，即最小鼓泡速度與最小流化速度之比（Umb/Umf） 。通常，Umb/Umf值越大，床層的流態(tài)化穩(wěn)定性越好。當(dāng)空氣供應(yīng)突然關(guān)閉時(shí)，床立即變得靜止。靜態(tài)床層沿軸向從上到下分為五層，收集每一層的樣品，篩選出粉煤原料樣品，以確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均灰分含量[9]。為評(píng)價(jià)粉煤樣品的分離性能，提出了一個(gè)分離指標(biāo)：

式中：Ai為第i層煤樣的灰分含量；A0為粉煤的初始灰分含量；n為總層數(shù)；γi為第i層煤樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。S值越大，煤樣的偏析效率越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 分離時(shí)間

當(dāng)?shù)推肺环勖簶悠愤M(jìn)入流化床時(shí)，需要一定的時(shí)間來(lái)保證分離效率。因此，分離時(shí)間T是影響低品位粉煤樣品分離性能的重要操作因素參數(shù)。在Hs=80 mm、U=1.4Umf、K=1.8 的最佳條件下，選取T=30 s、45 s、60 s、75 s、90 s、105 s、120 s、135 s 作為試驗(yàn)分離時(shí)間，考察其對(duì)分離效率的影響。

圖1（a）為T(mén)=45 s、75 s、105 s 時(shí)3～6 mm 大小的低品位粉煤樣品在不同層位灰分的分布情況。H為相對(duì)床層高度，從床層頂部到底部分別為5 層（L1～L5），H分別為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。產(chǎn)品灰分分層不同，最上面三層（L1～L3）灰分小于13%，可以認(rèn)為是精煤；中間層（L4）產(chǎn)物灰分為23%，與進(jìn)料煤灰分相近，因此，L4 的產(chǎn)品可以認(rèn)為是中等；底層（L5）灰分含量大于58%，可認(rèn)為脈石[10]。

圖1 分離時(shí)間對(duì)煤粉分離效果的影響

圖1（b）為不同粒度粉煤隨分離時(shí)間增加的分離結(jié)果（Hs為靜態(tài)床層高度）。當(dāng)分離時(shí)間T＜ 90 s 時(shí)，1～3 mm 和3～6 mm 粉煤樣品分離指標(biāo)S值逐漸增大。當(dāng)T=90 s 時(shí)，3～6 mm 和1～3 mm 大小的粉煤樣品S值最大，分別為0.65 和0.62。因此，在90 s 后可以達(dá)到最佳的分離效率。T＞ 90 s 時(shí)，隨著分離時(shí)間的增加，S值基本穩(wěn)定，無(wú)明顯變化。因此，分離結(jié)果清楚地表明，在足夠的分離時(shí)間內(nèi)，可以獲得良好的分離性能。在本研究中，分離時(shí)間T應(yīng)調(diào)整為至少90 s。

靜態(tài)床層高度Hs是決定流化床處理能力和分離性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，在T=100 s、U=1.4Umf）、K=1.8的最佳條件下，通過(guò)驗(yàn)證粉煤樣品的分離效率，確定了合適的靜態(tài)層高范圍。

圖2（a）為Hs=50 mm、70 mm、90 mm 時(shí)3～6 mm 粉煤樣在層內(nèi)不同層間灰分分布情況。上面三層（L1～L3）中灰分小于13%的產(chǎn)品為精煤，中間層（L4）中灰分含量約為25%的產(chǎn)物為粉煤。底層（L5）灰分大于59%的產(chǎn)品為脈石。但不同靜態(tài)床層高度Hs下，最小流化速度Umf值不同。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Hs=50 mm、70 mm、90 mm 時(shí)，Umf分別為4.6 cm/s、6.2 cm/s、7.3 cm/s。

圖2 粉煤分離靜態(tài)床層高度變化曲線

圖2（b）為不同尺寸、不同靜態(tài)層高的粉煤的偏析結(jié)果。在30～80 mm 范圍內(nèi)，隨著Hs的增加，分離S逐漸增大，分離S達(dá)到峰值后突然下降，Hs在80～150 mm 范圍內(nèi)持續(xù)增加。這是因?yàn)檫^(guò)低的層高不能為粉煤提供足夠的分離空間，導(dǎo)致分離效率降低。但是，如果選擇過(guò)高的床層高度，上升氣泡在通過(guò)垂直床層時(shí)的運(yùn)動(dòng)距離會(huì)顯著增加。較大氣泡的強(qiáng)烈動(dòng)力學(xué)行為促進(jìn)了分離介質(zhì)的回混和聚集，對(duì)粉煤的分離產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，粉煤產(chǎn)品的再混合發(fā)生在不同的層，進(jìn)一步導(dǎo)致粉煤良好的分離。因此，靜態(tài)床層高度Hs應(yīng)保持在70～90 mm 之間，有利于實(shí)現(xiàn)明顯的離析效果。在此條件下，1～3 mm 和3～6 mm 粉煤分離S值分別超過(guò)0.63和0.65。Hs=80 mm 時(shí)，3～6 mm 和1～3 mm 粉煤S峰值分別為0.68 和0.64。

2.2 振動(dòng)幅度和頻率

在T=100 s、Hs=80 mm、U=1.4Umf的最佳條件下，選取不同K值（1.0～2.4）考察其對(duì)偏析效率的影響。

圖3（a）為K=1.5、1.8、2.0 層 中3～6 mm 大小的粉煤樣品在不同層間灰分的分布情況，說(shuō)明在不同層間得到了三種不同的產(chǎn)物。S值為0.52、0.66和0.64，表明當(dāng)K值為1.5～2.0 時(shí)，偏析性能較好。

圖3 粉煤分離振動(dòng)幅度和頻率變化

圖3（b）為不同大小的粉煤在不同振動(dòng)強(qiáng)度下的偏析結(jié)果。兩種大小粉煤樣品的離析度S在K＞ 1.7時(shí)逐漸超過(guò)0.6，在K=1.8 時(shí)達(dá)到峰值，然后下降（K＞ 2.0 時(shí)尤其迅速）。以振動(dòng)強(qiáng)度K=1.8 為最佳偏析參數(shù)，此時(shí)1～3 mm 和3～6 mm 大小的粉煤樣品偏析度最大，分別為0.62 和0.66。因此，隨著各層產(chǎn)物灰分分離程度的降低，粉煤的整體離析性能變差。這種現(xiàn)象的原因可以用振動(dòng)能量在流化床間隙間的傳遞特性來(lái)解釋。通過(guò)在流化床中引入振動(dòng)能量，提高了分離效率。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度K＜ 1.7 時(shí)，振動(dòng)能量不足以使整個(gè)床層松動(dòng)。在這些條件下，粉煤的分離也是不完全的。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度增加到較高水平（K＞ 2.0）時(shí)，細(xì)分離介質(zhì)填充層的固結(jié)程度較低，細(xì)顆粒更容易被激活，流態(tài)化氣體更容易通過(guò)床層，阻力更小。同時(shí)，在較高振動(dòng)強(qiáng)度下，由于小氣泡的強(qiáng)烈融合，床層容易過(guò)度膨脹，產(chǎn)生過(guò)多的大尺寸氣泡。氣泡越大，氣相與細(xì)小介質(zhì)顆粒的相互作用越強(qiáng)，導(dǎo)致床層湍流越劇烈，壓降和床層密度波動(dòng)越大。因此，高振動(dòng)強(qiáng)度（K＞ 2.0）不利于形成穩(wěn)定的流化床，其床層膨脹小，活性微氣泡分布均勻，床層壓降穩(wěn)定，床層密度一致。

2.3 粉煤樣品的外部水分

粉煤是一種外部水分較高的低階煤。粉煤樣品的外部水分（Mf）含量是影響分離效率的重要參數(shù)。如果粉煤樣品含有過(guò)高的外部水分，則不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。這是因?yàn)樗值臐B入會(huì)嚴(yán)重影響流態(tài)化質(zhì)量，水分會(huì)增強(qiáng)細(xì)分離介質(zhì)的顆粒團(tuán)聚，使氣固兩相的有效相互作用惡化。因此，在T=100 s、Hs=80 mm、U=1.4Umf、K=1.8 的最佳條件下，考察并分析了外部粉煤樣品水分對(duì)其離析性能的影響。

通過(guò)烘箱干燥不同時(shí)間可以得到不同外部水分的粉煤樣品。圖4 為不同體積的粉煤在不同外部水分條件下的分離結(jié)果。

圖4 不同粒度粉煤的分離指標(biāo)（S）隨外界含水率（Mf）的變化

對(duì)于3～6 mm 的粉煤，S保持在0.65～0.66 范圍內(nèi)，Mf＜ 2.5%。相反，當(dāng)Mf超過(guò)2.5%時(shí)，偏析效率顯著降低。因此，對(duì)于3～6 mm 大小的粉煤，應(yīng)將Mf干燥至2.5%以下再進(jìn)行分離。在1～3 mm 大小的粉煤樣品中，Mf＜ 2.0%的外部含水量同樣適合分離。當(dāng)Mf＜ 2.0%時(shí)，分離指標(biāo)S略有下降，但當(dāng)Mf超過(guò)2.0%時(shí)，分離指標(biāo)S顯著下降。因此，對(duì)于1～3 mm 大小的粉煤，Mf也需要干燥到低于2.0%才能獲得良好的分離。在進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)之前，粉煤樣品需要干燥。

3 結(jié)論

1）分離時(shí)間足夠、靜層高度適宜、外部含水率較低時(shí)，1～6 mm 粉煤的分離性能較好。表面氣速和振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)粉煤分離效率有顯著影響。當(dāng)分離時(shí)間≥90 s、靜態(tài)床層高度≥80 mm、表面氣速U=（1.4～1.5）Umf、振動(dòng)強(qiáng)度K=1.8 時(shí)，可獲得最佳的分離效果。

2）在DMGS 流化床中引入振動(dòng)能量，改善了1～6 mm 細(xì)粒低階煤的分離性能。振動(dòng)增強(qiáng)了流動(dòng)性和床層活性，促進(jìn)了細(xì)介質(zhì)顆粒的均勻分散。因此，通過(guò)振動(dòng)能量的傳遞以及振動(dòng)與氣相的有效相互作用，振動(dòng)氣固流化床可以提供穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài)和均勻的密度分布。