振动气固流化床分离低品位粉煤性能

李汉峰

（鄂尔多斯市金通矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

由于优质煤炭资源的减少，低阶煤的使用在煤炭工业中变得越来越重要[1]。粉煤是储量最丰富的低阶煤[2-3]。我国的煤炭储量约为4 万亿t，占全球煤炭储量的40%～60%。低阶煤一般灰分低，硫含量低，挥发分高，活性强。粉煤作为低阶煤的主要类型，还具有含水率高、变质等级低的不利特性[4]。这些特性使粉煤容易被水降解，排除了在粉煤分离中潜在的水基选矿技术。

基于重介气固流化床的干煤选矿技术是近年来研究和应用的热点。印度使用空气重介流化床分离器成功地进行了干煤选矿，并取得了一些成果。张福明等[5]人重点研究在气体分布稳定性、密度分布均匀性、分离介质的动力学行为以及双层床密度层的形成机制。其操作的主要原理是原料按床层密度分层，根据阿基米德原理，较轻的颗粒（清洁煤）漂浮，较重的颗粒（尾矿）下沉。王振银等[6]研究人员设计并研究生产40～60 t/h 的选矿设备，该设备可以分离6～50 mm 大小的原煤，其误差为0.05～0.07 g/cm3[6]。然而，1～6 mm 细粒煤的高效分离很难用传统的流化床进行。因此，通过将振动能或磁能引入传统流化床，可以极大提高低品位粉煤分离技术。结果表明，采用新型振动流化床或磁性流化床分离器可以显著提高1～6 mm 细粒煤的分离效率[7]。且振动气固流化床（VGFB）已被公认为在煤炭选矿行业具有应用潜力的有效分离装置。

基于此，本文引入振动能量来研究1～6 mm 大小的粉煤在不同操作条件下的偏析。使用实验室的振动气固流化床研究1～3 mm 和3～6 mm 低品位粉煤的分离性能。在致密介质气固流化床中引入振动能量。该装置被称为振动气固流化床，通过振动能量的传递以及振动与气相的相互作用，可以为干煤选矿提供稳定的流态和均匀的密度分布。

1 试验方案

1.1 试验设备

实验振动气固流化床系统包括送风和控制系统、振动气固流化床、床层稳定性测量装置、振动参数调节和控制装置[8]。制作了直径120 mm、高度300 mm 的圆柱形有机玻璃流化床，安装在振动平台上。压缩空气被推入流化床的空气室，然后通过位于床底的自行设计的气体分布器将其输送到床内。气体分布器由带有双层过滤布的微穿孔板组成，具有良好的气流分布特性。燃气分布器开口面积占总面积的比例约为28.26%。采用电子传输式密度计测量不同位置的床层密度，床的振动幅度和频率由振动控制和调节系统控制。选取1～3 mm 和3～6 mm两种低品位粉煤样品进行分离性能研究。在床层流态化稳定后，将低品位粉煤送入床层。低品位粉煤的分层是基于床层密度分选机制。对各层分选为精煤、中矿和矸石进行了分析，评价了分选效率，并据此优化了操作参数。

1.2 材料

地区煤矿的低品位粉煤颜色一般为黑至褐黑色，条痕黑褐色，暗淡光泽，部分无光泽或土状光泽，并见有沥青光泽的镜煤和亮煤条带，在煤层层面上多见丝绢光泽的丝炭，比重小，性脆，硬度2 左右。分选介质需要有稳定的密度，这对形成稳定的床层至关重要，是煤炭高效分选的重要因素。易于回收和再利用是分离介质的附加要求[8]。为保证流化床的流态化质量，降低分离介质的制备成本，本研究选用0.074～0.3 mm 的磁粉作为主要分离介质，其实际密度为4.2 g/cm3，容重为2.56 g/cm3，其磁性材料含量和磁化强度分别为99.79%和77.86 Am2/kg。磁粉的物理性质表明，密度分布适宜，磁性物质含量高，有利于在床层中形成稳定的流态，为选煤提供均匀的分选密度。

1.3 试验方法

在分离试验中，通过气体分布器将压缩空气均匀地引入床层，使分离介质流态化。达到稳定流态化后，将粉煤样品送入床层，分离一段时间。流化指标用于检验流化床的稳定性，即最小鼓泡速度与最小流化速度之比（Umb/Umf） 。通常，Umb/Umf值越大，床层的流态化稳定性越好。当空气供应突然关闭时，床立即变得静止。静态床层沿轴向从上到下分为五层，收集每一层的样品，筛选出粉煤原料样品，以确定质量分数和平均灰分含量[9]。为评价粉煤样品的分离性能，提出了一个分离指标：

式中：Ai为第i层煤样的灰分含量；A0为粉煤的初始灰分含量；n为总层数；γi为第i层煤样的质量分数。S值越大，煤样的偏析效率越好。

2 结果与讨论

2.1 分离时间

当低品位粉煤样品进入流化床时，需要一定的时间来保证分离效率。因此，分离时间T是影响低品位粉煤样品分离性能的重要操作因素参数。在Hs=80 mm、U=1.4Umf、K=1.8 的最佳条件下，选取T=30 s、45 s、60 s、75 s、90 s、105 s、120 s、135 s 作为试验分离时间，考察其对分离效率的影响。

图1（a）为T=45 s、75 s、105 s 时3～6 mm 大小的低品位粉煤样品在不同层位灰分的分布情况。H为相对床层高度，从床层顶部到底部分别为5 层（L1～L5），H分别为0.9、0.7、0.5、0.3、0.1。产品灰分分层不同，最上面三层（L1～L3）灰分小于13%，可以认为是精煤；中间层（L4）产物灰分为23%，与进料煤灰分相近，因此，L4 的产品可以认为是中等；底层（L5）灰分含量大于58%，可认为脉石[10]。

图1 分离时间对煤粉分离效果的影响

图1（b）为不同粒度粉煤随分离时间增加的分离结果（Hs为静态床层高度）。当分离时间T＜ 90 s 时，1～3 mm 和3～6 mm 粉煤样品分离指标S值逐渐增大。当T=90 s 时，3～6 mm 和1～3 mm 大小的粉煤样品S值最大，分别为0.65 和0.62。因此，在90 s 后可以达到最佳的分离效率。T＞ 90 s 时，随着分离时间的增加，S值基本稳定，无明显变化。因此，分离结果清楚地表明，在足够的分离时间内，可以获得良好的分离性能。在本研究中，分离时间T应调整为至少90 s。

静态床层高度Hs是决定流化床处理能力和分离性能的关键参数。因此，在T=100 s、U=1.4Umf）、K=1.8的最佳条件下，通过验证粉煤样品的分离效率，确定了合适的静态层高范围。

图2（a）为Hs=50 mm、70 mm、90 mm 时3～6 mm 粉煤样在层内不同层间灰分分布情况。上面三层（L1～L3）中灰分小于13%的产品为精煤，中间层（L4）中灰分含量约为25%的产物为粉煤。底层（L5）灰分大于59%的产品为脉石。但不同静态床层高度Hs下，最小流化速度Umf值不同。试验结果表明，当Hs=50 mm、70 mm、90 mm 时，Umf分别为4.6 cm/s、6.2 cm/s、7.3 cm/s。

图2 粉煤分离静态床层高度变化曲线

图2（b）为不同尺寸、不同静态层高的粉煤的偏析结果。在30～80 mm 范围内，随着Hs的增加，分离S逐渐增大，分离S达到峰值后突然下降，Hs在80～150 mm 范围内持续增加。这是因为过低的层高不能为粉煤提供足够的分离空间，导致分离效率降低。但是，如果选择过高的床层高度，上升气泡在通过垂直床层时的运动距离会显著增加。较大气泡的强烈动力学行为促进了分离介质的回混和聚集，对粉煤的分离产生了负面影响。因此，粉煤产品的再混合发生在不同的层，进一步导致粉煤良好的分离。因此，静态床层高度Hs应保持在70～90 mm 之间，有利于实现明显的离析效果。在此条件下，1～3 mm 和3～6 mm 粉煤分离S值分别超过0.63和0.65。Hs=80 mm 时，3～6 mm 和1～3 mm 粉煤S峰值分别为0.68 和0.64。

2.2 振动幅度和频率

在T=100 s、Hs=80 mm、U=1.4Umf的最佳条件下，选取不同K值（1.0～2.4）考察其对偏析效率的影响。

图3（a）为K=1.5、1.8、2.0 层 中3～6 mm 大小的粉煤样品在不同层间灰分的分布情况，说明在不同层间得到了三种不同的产物。S值为0.52、0.66和0.64，表明当K值为1.5～2.0 时，偏析性能较好。

图3 粉煤分离振动幅度和频率变化

图3（b）为不同大小的粉煤在不同振动强度下的偏析结果。两种大小粉煤样品的离析度S在K＞ 1.7时逐渐超过0.6，在K=1.8 时达到峰值，然后下降（K＞ 2.0 时尤其迅速）。以振动强度K=1.8 为最佳偏析参数，此时1～3 mm 和3～6 mm 大小的粉煤样品偏析度最大，分别为0.62 和0.66。因此，随着各层产物灰分分离程度的降低，粉煤的整体离析性能变差。这种现象的原因可以用振动能量在流化床间隙间的传递特性来解释。通过在流化床中引入振动能量，提高了分离效率。当振动强度K＜ 1.7 时，振动能量不足以使整个床层松动。在这些条件下，粉煤的分离也是不完全的。当振动强度增加到较高水平（K＞ 2.0）时，细分离介质填充层的固结程度较低，细颗粒更容易被激活，流态化气体更容易通过床层，阻力更小。同时，在较高振动强度下，由于小气泡的强烈融合，床层容易过度膨胀，产生过多的大尺寸气泡。气泡越大，气相与细小介质颗粒的相互作用越强，导致床层湍流越剧烈，压降和床层密度波动越大。因此，高振动强度（K＞ 2.0）不利于形成稳定的流化床，其床层膨胀小，活性微气泡分布均匀，床层压降稳定，床层密度一致。

2.3 粉煤样品的外部水分

粉煤是一种外部水分较高的低阶煤。粉煤样品的外部水分（Mf）含量是影响分离效率的重要参数。如果粉煤样品含有过高的外部水分，则不能实现有效的分离。这是因为水分的渗入会严重影响流态化质量，水分会增强细分离介质的颗粒团聚，使气固两相的有效相互作用恶化。因此，在T=100 s、Hs=80 mm、U=1.4Umf、K=1.8 的最佳条件下，考察并分析了外部粉煤样品水分对其离析性能的影响。

通过烘箱干燥不同时间可以得到不同外部水分的粉煤样品。图4 为不同体积的粉煤在不同外部水分条件下的分离结果。

图4 不同粒度粉煤的分离指标（S）随外界含水率（Mf）的变化

对于3～6 mm 的粉煤，S保持在0.65～0.66 范围内，Mf＜ 2.5%。相反，当Mf超过2.5%时，偏析效率显著降低。因此，对于3～6 mm 大小的粉煤，应将Mf干燥至2.5%以下再进行分离。在1～3 mm 大小的粉煤样品中，Mf＜ 2.0%的外部含水量同样适合分离。当Mf＜ 2.0%时，分离指标S略有下降，但当Mf超过2.0%时，分离指标S显著下降。因此，对于1～3 mm 大小的粉煤，Mf也需要干燥到低于2.0%才能获得良好的分离。在进行分离实验之前，粉煤样品需要干燥。

3 结论

1）分离时间足够、静层高度适宜、外部含水率较低时，1～6 mm 粉煤的分离性能较好。表面气速和振动强度对粉煤分离效率有显著影响。当分离时间≥90 s、静态床层高度≥80 mm、表面气速U=（1.4～1.5）Umf、振动强度K=1.8 时，可获得最佳的分离效果。

2）在DMGS 流化床中引入振动能量，改善了1～6 mm 细粒低阶煤的分离性能。振动增强了流动性和床层活性，促进了细介质颗粒的均匀分散。因此，通过振动能量的传递以及振动与气相的有效相互作用，振动气固流化床可以提供稳定的流态化状态和均匀的密度分布。