深床型流化床块煤选矸的试验研究.pdf

第30卷 第6期 中国矿业大学学报 Vol . 30 No. 6 2001年11月 Journal of China U niversity ofM ining 随着床层高度的增加,所需风压及功率增大,膨 胀率有所降低,而床层密度的稳定性和起始流化气速几乎不变.深床型空气重介流化床分选方法 为块煤排矸提供了一条新途径. 关键词块煤分选;深床流化床;干法选煤 中图分类号 TD 942 文献标识码 A 目前,大块煤 50 ～300 mm中矸石的排除方 法主要有人工拣矸和机械排矸.其中,机械排矸包 括湿法重介排矸、 动筛跳汰机排矸、 选择性破碎机 选矸等.由于人工选矸劳动强度大,往往不易拣净, 所以很少被采用,一般只是作为检查性手选.虽然 湿法重介和跳汰排矸方法是目前效率较高的排矸 方法,但生产过程需用水,对于缺水地区的块煤排 矸问题则无法采用该工艺,而用碎选机排矸则必需 满足煤与矸石硬度差异的要求.空气重介流化床选 煤技术为50～300 mm大块煤的排矸开辟了一条 新路.实验研究表明,用这种方法排矸的分选精度 高,效果好,对煤种的适应性强,因此,对实现我国 煤炭战略西移和西部大开发,具有十分重要的意 义. 1 实验研究系统与方法 1. 1 实验系统和装置 实验系统主要由3部分组成供气部分、 流化 床装置及参数测量见图1. 供气部分由鼓风机、 风包及流量计组成.空气 经过滤器过滤后,由鼓风机送入风包,经稳压后进 入分布板.调节风包上的排气阀可以改变进入流化 装置的风量和风压.气体流量由转子流量计测定. 流化床分选装置的床面面积为1. 0 m 1. 0 m ,床高为1. 440 m ,四周侧壁由有机玻璃板 组成.该装置可用于大于50 mm煤炭的静态分选. 流化床主要由风室、 气体予分布器和气体分布器组 成. 图1 流化床实验系统 Fig. 1 Experi ment system of fluidized bed 1.鼓风机; 2.风包; 3.压力表; 4.过滤器; 5.流量计; 6.流化床; 7.压力探头; 8. U型压差计 测量系统微压差传感器及变送显示装置用于 测量床层压降和床层密度. 1. 2 试验研究方法 在1. 0 m1. 0 m流化床模型装置上,首先进 行深床型加重质流化特性的研究,探讨影响流化床 密度均匀稳定性的各种因素和参数.这些影响因素 和参数主要有 1 加重质的粒度组成与级配; 2 布风装置的特性; 3 流化床层的高度; 4 流化气体的流量或气流速率; 5 鼓风机的工作风压及分布板的阻降. 收稿日期 20010419 作者简介陶秀祥19572 , 男,江苏省盐城市人,中国矿业大学教授,从事矿物加工工程方面的研究 1 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 根据以上因素和参数,研究确定在不同床层高 度时流化床的最佳工艺参数和操作条件.实验中, 测量流化床的压降,绘制实验流化曲线并观察其变 化,据此判断操作是否正常,同时考察在床层高度 变化时流化床密度分布均匀及稳定性.床层高度分 别调到0. 4, 0. 5, 0. 6, 0. 7 m时,进行流化实验,观 察其流化性能、 气泡大小及流化床床面波动情况. 在流化床的有关工艺和操作参数确定后,进行 煤的静态分选试验.为了测定煤炭的实际静态分选 效果,在流化床达到正常分选条件并且处于稳定状 态下,突然切断电源,停止鼓风,然后进行分层采样 和化验分析. 2 深床的介质流化特性 2. 1 不同床高时的流化特性 流化床床层高度是流态化技术的一个重要参 数,直接影响着床层的流化行为,对于空气重介质 流化床选煤技术来说,床层太浅,分选空间不够,分 层不好,影响分选效果;床层太高,易产生大气泡和 腾涌现象,影响流化床稳定[1].对于不同的分选上 限,所需的床层高度也不同. 对于露天矿原煤排矸,床层高度在1 m以上 比较好,在这样的分选空间里,分选粒度上限可达 300 mm.但床层高度又不能超过发生腾涌的最低 床高,根据前人的经验,发生腾涌的最低床层高径 比为 H0DtC 0. 82d - 0. 365 p,1 式中dp为颗粒的平均直径,m;H0为床层高度, m;Dt为床层直径,m. 根据公式1可以得出,床层的高度最多不超 过1. 5 m. 以一定粒度组成的磁铁矿粉作流化介质,将床 层高度由355 mm逐渐增加到705 mm ,分别做流 化特性实验.不同床层高度时磁铁矿粉的流化曲线 见图2. 图2 不同床层高度时的流化曲线 Fig. 2 Fluidization curve in different height of bed 2. 2 不同床高时流化床的密度稳定性 床层密度的均匀稳定性,是指气、 固两相悬浮 体在床层各点的密度值基本相同,并且在一定时间 内保持不变.均匀稳定性好,则在流化床内气2固悬 浮体不产生明显的分层分级现象,在高度上没有明 显的密度梯度[2, 3]. 用床层各分层密度、 标准方差St及加重质颗 粒各粒级在不同分层中占全样的重量百分数的偏 差程度,来表征床层密度的均匀稳定性.测量与取 样结果分别见表 1 当u 10. 35 cms时和图3. 表1 流化床密度测量结果 Table 1 M easuring results of density of fluidized bed H0cm 不同高度上测点密度gcm- 3 No. 1No. 2 No. 3No. 4 No. 5No. 6 平均密度 gcm- 3 St10- 4 35. 51. 831. 831. 801. 822 42. 01. 981. 921. 891. 861. 9119 51. 81. 991. 981. 961. 911. 891. 9515 60. 52. 022. 012. 001. 981. 961. 871. 9725 70. 52. 062. 042. 022. 002. 001. 992. 026 图3 不同粒级加重质沿床高的分布 Fig. 3 D istribution of different size medium s along the fluidized bed height 从表1可以看出,当床层静高度增加时,整个 床层的St值变化不大,St值均较小,说明床层密度 比较均匀、 稳定,所以增加流化床的床层高度,密度 的均匀稳定性不会降低,对于煤的分选影响不大. 从图3可以看出,深床层流化床中加重质颗粒 各粒级在床层高度上的分布基本相同,没有明显的 分层、 分级,各粒级在床层中的上、 中、 下层占全样 的重量百分数基本一致. 475 中国矿业大学学报 第30卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2. 3 深床对流化气速的影响 流化气速是另一个重要参数,流化床层的压 降、 膨胀比、 床层孔隙率及颗粒的运动状态等都与 流化气速有关,因此,流化气速必须控制在一定范 围内,才能保证良好的流化状态[4]. 深床中不同的流化气速条件下的试验结果,见 表 2 当床层高度H0 705 mm时 . 表2 不同流化气速时床层密度测量结果 Table 2 M easuring results of bed density in different gas velosity u cms- 1 各分层床层密度由下到上gcm- 3 No. 1 No. 2 No. 3 No. 4 No. 5 No. 6 平均密度 gcm- 3 St10- 4 8. 972. 112. 072. 062. 062. 021. 982. 0530 10. 352. 062. 042. 022. 001. 991. 922. 0117 13. 802. 001. 981. 981. 921. 871. 721. 9188 由表2可知,床层平均密度有下降趋势,密度 的标准方差St的变化趋势是流化气速u 8. 97 cm s, St 3010 - 4; u 10. 35 cm s, St 1710- 4;u 13. 8 cm s, St 8810 - 4. 可见,当 流化气速较低时,床层流化不好,致使床层的密度 均匀性差;当流速过高时,颗粒返混严重,床层密度 的稳定、 均一性被破坏,气泡增大,床层剧烈波动. 在实际应用中应该加以注意. 3 分选试验结果 用单一磁铁矿粉作加重质流化时,床层密度一 般在2. 0 gcm 3 左右,这样的流化床层可以用于排 矸. 实验所用原煤为夹河煤矿50～100 mm级大 块原煤,浮沉资料见表3.分选试验分层取样做浮 沉,结果见表4. 表3 原煤浮沉综合分析 Table 3 Float-sink test results of raw coal 密度级 gcm- 3 原煤 Χ wA 浮物累积 Χ wA 沉物累积 Χ wA 0. 1含量 密度gcm- 3含量 2. 052. 3484. 35100. 0051. 2952. 3484. 35 合计100. 0051. 29 表4 各层分选试验结果 Table 4 Test results of coal separation in different height wB 密度级 gcm- 3 第1层 占本级 占全样灰分 第2层 占本级 占全样灰分 第3层 占本级 占全样灰分 第4层 占本级 占全样灰分 原煤 占全样灰分 2. 040. 681. 3183. 0198. 3852. 3284. 5153. 6384. 47 合计100. 0041. 7411. 86100. 001. 8636. 06100. 003. 2262. 12100. 0053. 1884. 07100. 0052. 33 在实验室流化装置静态分选试验中,床层沿纵 向分成4层,可以得到3种产品方案 1 将第1层上层作为精煤,其余各层作为 尾煤产品; 2 将第1, 2层作为精煤,其余各层作为尾煤 产品; 3 将第1, 2, 3层作精煤,其余作尾煤产品. 3种方案的分配曲线见图4. 3种方案的数质量和分选实验指标见表5. 图4 产品分配曲线 Fig. 4 D istribution curve of products 575第6期 陶秀祥等深床型流化床块煤选矸的试验研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表5 不同产品方案的分选指标 Table 5 Separation inds of different schemes of products 产品方案123 实际精煤产率41. 7443. 6346. 85 理论精煤产率43. 1044. 5049. 20 数量效率96. 8498. 0495. 22 实际分选密度gcm- 31. 6751. 7451. 95 Ep值0. 0350. 030. 02 由表5中可以看出 1 随切割位置的降低,实 际分选密度增大,精煤产率增加,灰分也随之增高; 2 随实际分选密度下降,0. 1含量增加,可能偏 差Ep值增大,分选精度降低[5]. 4 讨论与分析 4. 1 深床气泡的影响 在流化床中,气泡在分布板上形成后,通过床 层向上运动,在运动过程中,相邻的气泡会相互合 并,生成较大的气泡,分布板的结构对生成的原始 气泡尺寸影响较大,而气泡直径是床径Dt,离分布 板的距离h及原始气泡直径的函数.当分布板阻降 和床层直径Dt一定时,气泡的直径随床层高度的 增加而增加,床层越高,气泡合并越严重,当气泡直 径增加到与被分选的物料颗粒直径相同时,分选就 很难进行,容易造成分选过程短路,此时,就无法按 阿基米德定律分选. 在床高为840 mm的流化床中,流化气速控制 在10. 35 cm s, 观察气泡的大小,从床的侧面看, 随床层高度的增加,气泡逐渐增大,最小的气泡大 约2～3 mm ,到达床层上部时最大气泡大约 50 mm ,但量很小,只是偶尔出现.而在有效的分选 段,气泡直径大多小于20 mm ,实验时,这种气泡 能够满足分选要求.在实际生产应用中,由于刮板 内部构件的作用,能破碎大气泡,减少床层返混,可 提高床层的稳定性和流化效果. 4. 2 深床的功率消耗 功率消耗在深床操作中是一个重要因素.所 以,在供风系统的设计时,应对鼓风机所需功率进 行计算.流化床供风系统气体压力的变化情况如图 5所示 1 图5表明为提供具有一定压力p3的流化气 体,所需的功率即为将这些气体由压力p1压缩到 p2的数值.可以通过对鼓风机作一机械衡算求得, 每克分子气体所需的轴功,为[6] -W s∫ p2 p1 dp Θ ∫ p2 p1vdp ,2 式中Θ为介质的密度;v为介质的质量体积. 图5 系统气体压力的变化 Fig. 5 V ariations of system gas pressure p1.进气压力;p2.风室压力; p3.床层压力;p4.出口压力 假定为理想状态,pvR T,对于绝热可逆操 作条件下的轴功可用下列公式表示 -W s Χc Χc-1R T 21- p2 p1 Χc - 1 Χc Χc Χc-1p 2v21- p2 p1 Χc - 1 Χc ,3 式中Χc为质量热容比,对空气 Χc 1. 4;p2,v2,T2 分别为气体的压力、 质量体积和温度;R为气体常 数. 对具有摩擦损失和热效应的实际操作,对气体 所做的实际功为W′s Ws Γ ,其中用于Ws的p1,p2 为测定压力值,Γ为鼓风机效率,对于罗茨鼓风机, Γ 0. 6～0. 8. 通过测定与计算当H0 800 mm时,p2 133. 06 kPa,p3 118. 35 kPa,风机的轴功率为5. 35 kW ;当H0 120 cm时,p2 141. 55 kPa,p3 126. 86 kPa,风机的轴功率为6. 98 kW. 以上分析可知,当流化床的其它条件相同,而 床层高度不同时,其功率消耗随床高增加而增加, 并与流量成线性变化.与此同时,随床高的增加,所 需风压逐渐增大,由于在流化实验中风压是一个重 要值,太小就不能提供足够的流化风量,所以选择 风机时一定要考虑风压的大小. 5 结 论 1 初步分选试验研究表明空气重介流化床 分选50～300 mm煤炭时,可能偏差Ep值为0. 02 ～0. 035,可以用于块煤排矸. 2 在一定的流化气速下,深床层的密度稳定 性与浅床层相差不大,不因床层的高度增加而破坏 稳定性. 3 随床层静高度H0增加,所需风压及功率增 大,床层密度增加,膨胀率降低,而起始流化速度和 正常流化速度不变. 675 中国矿业大学学报 第30卷 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4 空气重介流化床中,气泡尺寸必须比所分 选的煤炭粒级小,气泡与煤的粒度相等或大于时, 则难以进行分选,所以气泡在分选中的影响因素不 容忽视. 参考文献 [1] 张蕴壁.流态化选论[M ].西安西北大学出版社, 1989. 902102. [2] 骆振福.煤炭分选的气固两相特性分析[J ] .选煤技 术, 19944 327. [3] 张远君.两相流体动力学[M ].北京北京航空航天大 学出版社, 1987. 2212230, 2762283. [4] 韦鲁宾.双密度层空气重介流化床形成特性的研究 [D ].徐州中国矿业大学煤综合利用系, 1995. [5] 吴立新.空气重介流化床干法选煤提高分选上限的研 究[D ].徐州中国矿业大学煤综合利用系, 1995. [6] 张克危.流体机械原理上册 [M ].北京机械工业出 版社, 2000. 12218. Test Research of Lump Coal Separation by Deep Fluidized Bed of A ir DenseM edium TAO Xiu2xiang, CHEN Zeng2qiang, YAN G Yi, WU L i2xin School of Chem ical Engineering and Technology, CUM T, Xuzhou, Jiangsu 221008, China Abstract On the basis of research of fluidization characteristic parameters of deep beds, the effects of fluidized bed height on gas bubble and pow er consumption w ere analyzed.Separating tests of 50 to 300 mm lump coal w ere carried out.Results show that the separation precision is satisfied, the ecart probablemoyen value is equal to 0. 02 to 0. 03. W ith increase of bed height, air pressure and pow er con2 sumption rise, expansion ratio of the bed decreases, but the density stability and critical fluidized veloci2 ty of the bed are hardly changed.This of coal preparation w ith air2dense medium of deep flu2 idized bed provides a new w ay for lump coal separation. Key words lump coal separation; deep fluidized bed; dry coal preparation 775第6期 陶秀祥等深床型流化床块煤选矸的试验研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.