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振动重介质分选流化床流化质量改善机理与细粒煤高效分选

周恩会, 赵跃民, 董良, 张博, 段晨龙

周恩会，赵跃民，董良，等. 振动重介质分选流化床流化质量改善机理与细粒煤高效分选[J]. 煤炭学报，2023，48(12)：4559−4570. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1201
引用本文: 周恩会，赵跃民，董良，等. 振动重介质分选流化床流化质量改善机理与细粒煤高效分选[J]. 煤炭学报，2023，48(12)：4559−4570. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1201
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ZHOU Enhui，ZHAO Yuemin，DONG Liang，et al. Mechanism of improving fluidization quality and efficient dry fine coal separation in vibrated dense medium fluidized bed for separation[J]. Journal of China Coal Society，2023，48(12)：4559−4570. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1201
Citation: ZHOU Enhui，ZHAO Yuemin，DONG Liang，et al. Mechanism of improving fluidization quality and efficient dry fine coal separation in vibrated dense medium fluidized bed for separation[J]. Journal of China Coal Society，2023，48(12)：4559−4570. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2023.1201
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振动重介质分选流化床流化质量改善机理与细粒煤高效分选

  • 1.

    中国矿业大学 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室, 江苏 徐州　221116

  • 2.

    中国矿业大学 化工学院, 江苏 徐州　221116

基金项目: 国家自然科学基金杰出青年基金资助项目(52125403)；国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究资助项目(52220105008)
详细信息
    作者简介:

    周恩会(1988－)，男，江苏邳州人，副教授。E-mail：zeh@cumt.edu.cn

    通讯作者:

    段晨龙(1978－)，男，内蒙古太仆寺旗人，教授。E-mail：clduan@cumt.edu.cn

  • 中图分类号: TD94

Mechanism of improving fluidization quality and efficient dry fine coal separation in vibrated dense medium fluidized bed for separation

  • 1.

    Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization of Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou　221116, China

  • 2.

    School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou　221116, China

摘要

    摘要
  • 摘要:

    煤炭清洁高效利用是国家重大战略需求。随着我国煤炭工业重心战略西移和综采技术的普及，所开采的原煤尤其是动力煤日趋“贫、细、杂”化，迫切需要细粒煤高效干法分选技术。细粒煤具有迎风面积小、重力效应弱的特点，风力分选时介质密度与分选密度差异大，传统的干法重介质分选时气泡大、返混严重，均无法在有限时间和空间内实现细粒煤有效分离。将简谐振动与上升气流协同输入气固重介质流化床，通过振动能量强化气固接触、抑制气泡兼并、改善流化质量。着重研究了振动能量在床层中的传递过程与床层响应规律，发现床层密度的扰动程度主要取决于上升气流与振动能量的竞争协调结果，气泡引发床层密度的随机性波动，振动能量将颗粒由无规律的随机运动转变为周期性振荡，沿床层轴向挤压破碎气泡；基于经典两相理论，结合床层塌落过程中气泡相与乳化相的逸出规律，计算得到了振动激励下气体在气泡相与乳化相中的分布比例，表明振动能量可以有效驱使气体由气泡相迁移至乳化相，气泡体积减少19.23%，削弱了气泡引起的床层波动，改善了流化质量，形成了均匀稳定的流态化分选环境。建立了振动对流化质量改善效果的量化评价模型，明确了适合细粒煤高效分选的振幅、频率、气速3因素协同操作范围，将新疆黑山矿薄煤层6～1 mm精煤发热量相较于原煤提高了4 571 kJ/kg。

    Abstract:

    Clean and efficient utilization of coal is a major strategic demand in China. With the strategic transfer of China’s coal industry to the western region and the wide application of comprehensive mining technology, the raw coal, especially steam coal, is becoming increasingly “poor, fine, and miscellaneous”. There is an urgent need for an efficient dry fine coal separation technology. Fine coal has the characteristics of small windward area and weak gravity effect. Wind separation methods have large differences in medium density and separation density, as well as large bubbles and severe backmixing when using traditional air dense medium separation technology. These methods cannot achieve an effective separation of fine coal in a limited time and space. In this study, simple harmonic vibration and upward airflow were synergistically inputted into a gas-solid fluidized bed, aiming to enhance gas-solid contact, suppress bubble merging, and improve fluidization quality through vibration energy. The transfer process of vibration energy in the bed and the response law of the bed particles were studied. It was found that the disturbance degree of bed density mainly depends on the competition and coordination between the upward airflow and vibration energy. The bubbles cause random fluctuations in bed density, and the vibration energy transforms particles from irregular random motion to periodic oscillation. The bubbles are compressed and broken axially along the bed. Combining the classical two-phase theory and the escape law of bubble phase and emulsified phase during bed collapse, the distribution ratio of gas in the bubble phase and emulsion phase under vibration excitation was calculated. It was found that vibration energy can effectively drive the gas from the bubble phase to the emulsified phase, reducing the bubble volume by 19.23%, effectively weakening the bed wave caused by bubbles. The fluidization quality has been improved. A uniform and stable fluidized separation environment is formed. A quantitative evaluation model for the effect of vibration energy on fluidization quality improvement has been established. The synergistic operation ranges of amplitude, frequency, and gas velocity suitable for an efficient separation of fine coal have been clarified. A series of separation experiments were conducted, which increased the calorific value of 6-1 mm clean coal from the Heishan Coal Mine in Xinjiang by 4 571 kJ/kg compared to raw coal.

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  • 2022年我国煤炭占一次能源消费总量的56.2%，是保障我国能源安全的压舱石和稳定器。党的二十大报告指出：“深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用”。分选加工是煤炭清洁高效利用的前提和基础[1]，动力煤通过分选可提高燃烧效率10%～15%，节约铁路运力20%；炼焦煤分选脱硫降灰后成为铁、铜、铅、锌等金属火法冶炼过程中不可或缺的原材料，起还原剂、发热剂和料柱骨架作用。“双碳”背景下，通过煤炭分选加工和清洁转化，可提高煤炭质量，将煤炭由传统燃料转变为清洁燃料、优质原料、煤基材料，推进煤炭分级分质利用，减污降碳，节能减排。

    近年来我国煤炭工业重心战略西移[2]，干旱缺水、生态脆弱的内蒙古和新疆逐渐成为重要的产煤基地。随着优质煤矿渐趋萎缩与综采技术普及，所开采煤炭日趋“贫、细、杂”化，< 6 mm细粒煤占原煤产率30%以上，迫切需要细粒煤高效干法分选技术。

    气固流态化干法选煤技术主要包括风力选煤与干法重介质选煤，> 6 mm粗粒煤颗粒在其自身重力、气流曳力/重介质床层浮力的综合作用下上浮/下沉，实现精煤与矸石的按密度分离[3]。< 6 mm细粒煤颗粒在气固流化床中处于层流区～过渡区，所受气流曳力与其粒径的1～1.4次方成正比；所受重力与其粒径的3次方和密度乘积成正比。随着细粒煤粒度减小，其所受曳力的降低幅度远小于重力的降低幅度，使得气流曳力成为主导细粒煤颗粒运动的主要作用力。由于气流曳力与颗粒密度无关，单纯依靠气流曳力作用的风力选煤技术难以实现细粒煤按密度分离；在干法重介质分选床中，气泡兼并和返混造成重介质床层密度不稳定、浮力作用波动大，导致细粒煤颗粒按床层密度分选效果差[4-7]。因此，细粒煤高效干法分选已成为国际选煤界的研究热点与难点。

    研究表明[8-11]，在干法重介质分选床中施加振动能量形成的振动重介质分选流化床，可以削弱气泡兼并和返混，强化气−固接触，形成密度均匀稳定、有利于细粒煤分选的微泡流态化环境。在振动重介质流化床分选细粒煤过程中，振动与气流的交互作用[12]、气固两相的能量传递[13]、多组分颗粒的混合与分离[14-15]等影响分选效果的扰动因子复杂多样[16]。目前，针对振动重介质流化床中流化特性描述、物料组分级配、振动与气流参数优化等工艺方面的研究较多[17-20]，在基础理论方面提出了振动能量在准散式−准连续性床层中类弹性波传递的观点。振动能量诱发聚式流态化体系的趋于散式化转变是实现细粒煤高效分选的基础[21-22]，但目前这方面的机理尚不明晰。由于振动流态化的复杂性以及试验条件的局限性，不同研究者对某一问题的研究结果不尽相同，甚至相互矛盾。比如YOSHIDA等[23-24]研究表明振动的引入降低了最小流化速度，但GUPTA等[25-27]认为最小流化速度并不随振动的引入而降低。很明显，关于振动流化床的很多研究成果主要适用于研究者设定的操作条件与工况，不具备普遍性。因此，需要继续深入研究振动重介质流化床的均匀流化行为与细粒煤分选机理。

    笔者针对细粒煤干法分选的均匀稳定流态化环境要求，着重研究振动能量在流化床中的传递机理、改善流化质量机制和强化细粒煤高效分选方法。

    1.   试验系统与方法

    1.1   试验系统与材料

    振动重介质流化床分选系统如图1所示。根据功能不同，试验系统主要分为供风单元、流化与分选单元、数据采集与处理单元、引风除尘单元4部分。供风单元包括鼓风机、风包与电磁阀。鼓风机与风包形成恒压气源，通过电磁阀调节气流速度在0～0.5 m/s内变化。流化与分选单元主要包括依次刚性连接的电磁振动台、预布风室、布风板和流化床。通过振动控制仪调节电磁振动台作垂直简谐振动。流化床体由有机玻璃加工而成，内径200 mm，高400 mm。布风板是一种厚度为5 mm的不锈钢烧结多孔板，多孔板的平均孔径为5 μm，将上升气流均匀布风后进入流化床中[28]。

    图  1  振动重介质流化床试验系统示意
    Figure  1.  Schematic diagram of vibration dense medium fluidized bed system
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    试验采用煤粉和磁铁矿粉作为重介质，主要物理特性见表1。磁铁矿粉粒度0.1～0.3 mm，属于Geldart B类颗粒；煤粉粒度 < 1 mm，大部分属于Geldart B类颗粒，少部分粒度接近1 mm的属于Geldart D类颗粒。Geldart B类颗粒的最小流化气速与最小鼓泡气速几乎相等，2种重介质颗粒在流态化过程中可以均匀混合。试验所用磁铁矿粉的平均密度为4560 kg/m3，煤粉的平均密度为1660 kg/m3，2者在流化后形成的气固两相床层的平均密度可以达到1200～2200 kg/m3，密度范围与煤炭的密度相重合，因此适于对煤炭按密度分选。

    表  1  磁铁矿粉与煤粉物理特性
    Table  1.  Main physical properties of magnetite powder and coal powder
    材料 粒度范围/mm 质量分数/% 真密度/(kg·m−3) 堆密度/(kg·m−3)
    煤粉 < 0.1 11.26 1673 987
    0.1～0.3 14.81 1664 966
    0.3～0.5 21.34 1658 932
    0.5～0.7 19.66 1647 897
    0.7～0.9 25.58 1662 901
    0.9～1.0 7.35 1669 883
    合计 100 1660 933
    磁铁矿粉 0.1～0.2 37.26 4493 2669
    0.2～0.3 62.74 4603 2577
    合计 100 4560 2612
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    试验所用的待分选煤炭为新疆托克逊黑山露天煤矿薄煤层6～1 mm细粒煤，原煤灰分31.47%，外水3.81%～4.47%，低位发热量17 551 kJ/kg，中等可选～难选。

    1.2   流化质量评价方法

    适用于煤炭分选的振动重介质流化床的流化质量主要通过床层密度分布的均匀稳定性来评判，采用密度标准差σρ来反映测量区域床层密度的分布均匀性、密度偏度Sρ来表征测量区域的床层密度测量值相较于平均密度的偏离趋势。

    $$ {\sigma _{\rho}}{\text{ = }}\sqrt {\frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{({\rho _i} - {\rho _{\text{a}}})}^2}} } $$ (1)
    $$ {S_{\rho}} = \frac{{n\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{{({\rho _i} - {\rho _{\text{a}}})}^3}} }}{{(n - 1)(n - 2){\sigma _{\rho}^3}}} $$ (2)

    式中，n为测量点个数；ρi为第i个测试点处的床层密度测量值，kg/m3；ρa为n个床层密度测量值的平均值，kg/m3。

    基于不同的密度标准差与偏度可以对床层密度分布情况作出如下判断：

    (1)如果床层密度标准差较大而偏度较小，说明床层密度主要分布在明显高于平均密度和明显低于平均密度的2个区域，床层密度不均匀；

    (2)如果床层密度标准差与偏度均较大，说明床层密度主要分布在明显高于(或低于)平均密度的区域，存在少量的区域明显低于(或高于)平均密度，床层密度分布不均匀；

    (3)如果床层密度标准差较小而偏度较大，表明大部分区域的床层密度略高于(或低于)床层平均密度，少量区域密度明显低于(或高于)床层平均密度，床层密度分布较均匀；

    (4)如果床层密度标准差与偏度均较小，表明密度分布非常均匀。

    相较而言，第(3)、(4)情况下床层流化质量较好，适合细粒煤分选。

    2.   结果与讨论

    2.1   振动能量的轴向传递与床层响应

    振动重介质流化床流化的全部动力源于上升气流与振动能量，上升气流驱动重介质颗粒松散流化，周期性振动的布风板与颗粒直接接触，振动激励能量通过布风板与颗粒间的静态接触与动态碰撞过程传递。在操作气速U=0.13 m/s时，振动流化床不同床层高度处的粒群冲击力如图2所示。

    图  2  不同床层高度处的粒群冲击力
    注：$\Delta t $为不同床高处的粒群起始振动时间差；E[Fpc(t)]为不同床高处的粒群冲击力数学期望。
    Figure  2.  Particle impact force of different bed heights
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    由图2可知，无振动(振幅A=0，振动频率f=0)时颗粒间冲击力Fpc呈随机无规则波动，波动范围为0～4 mN(图2(a))。引入振动后，颗粒间冲击力明显增加，波动规律类似简谐曲线，波动频率基本与布风板振动频率一致。颗粒间冲击力的等周期性变化说明周期性振动的布风板直接推动与其接触的底层颗粒向上运动，进而推动更上方的颗粒作周期性振动，形成振动的自下而上传递。同一振动参数下颗粒间冲击力随床高的增加而衰减，同时其波动规律也越来越偏离简谐规律。这是因为颗粒间存在内摩擦力，每一层颗粒在下方颗粒的推动作用下向上运动过程中，都会受到上方颗粒的阻力，因此振动在轴向上的传递不断衰减。同时，不同床高处颗粒接收到振动信号的时间沿床高增大，这说明振动能量是自床层底部逐渐向上传递，自下而上地依次驱动各层颗粒经历与布风板类似的振动状态。因此，沿轴向相邻的两层颗粒由于各自的振荡相位不同，轴向颗粒间隙也发生周期性类简谐波动，从而导致颗粒层压降呈现相应的周期性波动。

    不同床高处的颗粒间冲击力与起始振动时间差分别如图3、4所示。很明显，振动幅度与频率越大，颗粒间冲击力越大，不同床高的颗粒起始振动时间差越小，表明布风板激振力越大，颗粒运动越剧烈，振动能量在床层中的传递速度越快。同时，振动参数不同时，颗粒冲击力和时间差曲线斜率差异明显，同一振动参数下不同高度床层的颗粒冲击力与起始振动时间差变化速率也不同。说明床层振动能量的传递速度空间分布不均匀，这与流化床中气固相间分布存在重要关联。

    图  3  颗粒间冲击力沿床高分布
    Figure  3.  Particle collision force at different bed heights
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    图  4  起始振动时间差沿床高分布
    Figure  4.  Initial vibration time difference at different bed heights
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    2.2   振动激励下气体相间分布规律

    气固鼓泡流化床中，气泡运动速度高于乳化相中的连续气流速度，如果骤然切断气源，离散气泡与连续气流的逸出速度差异将会导致床面呈现不同形式的塌落过程[29-30]，塌落特性差异体现了床层乳化相空隙率与气泡相体积分布情况。为此，开展了不同振动和气速条件下床层塌落试验研究，结果如图5所示。为均一化气速条件，基于流化数N=U/Umfv设置气速参数，其中U为操作气速，m/s；Umfv为振动流化床最小流化气速，m/s。

    图  5  不同操作条件下的塌落曲线
    Figure  5.  Collapse curves under different operating conditions
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    在正常流化状态下(Ⅰ区)，床高小范围波动，将其平均高度记为Hf。在某一时刻瞬间关闭气流并开始计时，采用高速动态摄像机记录床层塌落过程。振动台由运动状态转变为静止状态需要经历一段时间，其中可能会经历共振阶段，如果同时关闭气流与振动，振动的减速停止过程会干扰床面的正常塌落，但振动不会增加床层中的气体滞留量，因此在塌落试验中保持振动参数不变，仅关闭气流。由于气泡运动速度高于乳化相中的气流速度，关闭气源后，床层首先经历一个快速的线性塌落阶段(Ⅱ区)，全部气泡与部分连续气流快速逸出。之后，剩余的乳化相中连续气流逐渐脱离床层，床面经历一个相对慢速的塌落阶段(Ⅲ区)，将此段塌落曲线反向延伸到初始塌落时刻(t=0)，对应的床高即为乳化相中气流所占据的空间高度，记为Hb。在普通流化床中，在Ⅲ区的末端床面趋于稳定，恢复到静床高H0。而在振动重介质分选流化床中，振动能量驱动重介质颗粒相互摩擦，挤压更多的气体离开床层，床面在低于原静床高的位置波动。

    根据图5可知，气泡相体积Vb、乳化相中气体体积Ve、乳化相空隙率εe和重介质颗粒的体积Vp分别为

    $$ {V_{\text{b}}} = ({H_{\text{f}}} - {H_{\text{b}}}){A_{\text{b}}} $$ (3)
    $$ {V_{\text{e}}} = [{H_{\text{b}}} - {H_0}(1 - {\varepsilon _0})]{A_{\text{b}}} $$ (4)
    $$ {V_{\text{p}}} = {H_0}(1 - {\varepsilon _0}){A_{\text{b}}} $$ (5)
    $$ {\varepsilon _{\text{e}}} = \frac{{{H_{\text{b}}} - {H_0}(1 - {\varepsilon _0})}}{{{H_{\text{b}}}}} $$ (6)

    式中，ε0为床层初始空隙率；Ab为流化床横截面积，m2。

    由式(3)、(4)可知气泡相体积分数γb为

    $$ \begin{split}\gamma_{\mathrm{b}}= & \frac{V_{\mathrm{b}}}{V_{\mathrm{b}}+V_{\mathrm{e}}}=\frac{\left(H_{\mathrm{f}}-H_{\mathrm{b}}\right)A_{\mathrm{b}}}{\left(H_{\mathrm{f}}-H_{\mathrm{b}}\right)A_{\mathrm{b}}+\left[H_{\mathrm{b}}-H_0\left(1-\varepsilon_0\right)\right]A_{\mathrm{b}}}= \\ & \frac{H_{\mathrm{f}}-H_{\mathrm{b}}}{H_{\mathrm{f}}-H_0\left(1-\varepsilon_0\right)}\end{split} $$ (7)

    根据经典两相理论，超过最小流化气速的气体全部进入气泡相，其他气体存在于乳化相，则理论上气泡相体积流率${Q_{\text{b}}'} $、乳化相中气体体积流率${Q_{\text{e}}'} $以及理论上气泡相体积分数${\gamma _{\text{b}}'} $分别为

    $$ {Q_{\text{b}}'} = (U - {U_{{\text{mfv}}}}){A_{\text{b}}} $$ (8)
    $$ {Q_{\text{e}}'} = {U_{{\text{mfv}}}}{A_{\text{b}}} $$ (9)
    $$ {\gamma _{\text{b}}'} = \frac{{{Q_{\text{b}}'}}}{{{Q_{\text{b}}'} + {Q_{\text{e}}'}}} = \frac{{(U - {U_{{\text{mfv}}}}){A_{\text{b}}}}}{{U{A_{\text{b}}}}} = \frac{{U - {U_{{\text{mfv}}}}}}{U} $$ (10)

    则表征进入气泡相的气体分配率的两相理论修正系数Yv为

    $$ {Y_{\text{v}}} = \frac{{{\gamma _{\text{b}}}}}{{{\gamma _{\text{b}}'}}} = \frac{{({H_{\text{f}}} - {H_{\text{b}}})U}}{{[{H_{\text{f}}} - {H_0}(1 - {\varepsilon _0})](U - {U_{{\text{mfv}}}})}} $$ (11)

    在本试验系统中，初始静床高H0=200 mm，初始空隙率ε0 =0.38，基于图5读取Hf和Hb后根据式(11)分别计算不同振动与气速条件下的Yv，与相同气速与颗粒条件下的无振动气固流化床两相理论修正系数Yc对比，结果见表2。

    表  2  基于塌落曲线得到的相关参数
    Table  2.  Relevant parameters calculated based on collapse curves
    A/mm f/Hz Umfv/(m·s−1) N Yv Yc[31] ((Yc – Yv)/Yc)/%
    1 15 0.098 1.2 0.76 0.77 1.30
    1.5 0.77 0.79 2.53
    1.8 0.79 0.80 1.25
    1 20 0.091 1.2 0.72 0.77 6.49
    1.5 0.74 0.79 6.33
    1.8 0.77 0.80 3.75
    2 25 0.082 1.2 0.63 0.78 19.23
    1.5 0.66 0.79 16.46
    1.8 0.71 0.80 11.25
    4 10 0.094 1.2 0.74 0.77 3.90
    1.5 0.76 0.79 3.80
    1.8 0.78 0.80 2.50
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    分析表2可知，振动能量的施加明显降低了气体在气泡相中的分布比例，降低了最小流化气速。在相同气速下，随着振幅和频率的增加，Yv快速降低，这表明高振动强度下气泡破裂加剧，微泡数量增加，振动对床层密度均匀性的改善作用更加明显。当振动强度过大时(A=4 mm，f=10 Hz)，振动能量驱动粒群翻转腾涌，破坏床层均匀稳定性，Yv反向增大。在A=2 mm、f=25 Hz时，气流中超过最小流化气速的部分进入气泡相的气体量降幅最大，降低了11.25%～19.23%，表明更多的气体由气泡相进入了乳化相。施加振动能量促使Yv低于Yc，意味着降低气泡的尺寸与数量，增大乳化相空隙率，实现了在不改变操作气速与重介质密度的情况下降低了床层密度，有效增强局部床层的散式流态化特性，促进流化质量的改善，提高床层密度分布均匀稳定性。

    2.3   振动对流化质量的强化效果与评价方法

    床层密度的扰动程度主要取决于上升气流与振动能量的竞争协调结果，振动能量将颗粒由无规律的随机运动转变为周期性振荡，气泡引发床层密度的随机性波动。定量衡量振动对流化质量的改善效果，是实现精准调控振动流化床分选密度的必要前提。在振动重介质流化床鼓泡流态化阶段，床层由2部分组成：气泡相与乳化相，体积分别为Vb和 Ve。设

    $$ \frac{{{V_{\text{e}}}}}{{{V_{\text{e}}}{\text{ + }}{V_{\text{b}}}}} = k $$ (12)

    则床层密度ρb为

    $$ {\rho _{\rm{b}}} = k{\rho _{\text{e}}} + (1 - k){\rho _{{\text{bu}}}} $$ (13)

    其中，ρe、ρbu分别为乳化相与气泡相的密度，kg/m3。假设一种极限情况，床层中所有气泡相汇聚成一个大气泡，那么，流化床层的密度分布方差为

    $$ {\sigma _{\rho}^2} = {({\rho _{\text{e}}} - {\rho _{{\text{bu}}}})^2}(1 - k)k $$ (14)

    对于振动重介质流化床，最小流化气速下床层开始流化时床层中没有气泡，所以k=1。随着气速增加，振动对气泡的抑制作用减弱，床层中逐渐出现越来越多的气泡，床层波动越来越剧烈。当振动流化床床层压降$\Delta $Pv等于无振动流化床压降$\Delta $Pc时，振动能量在床层中基本无法有效传递，表明振动改善床层密度均匀性的作用几乎消失，此时的流化床可以被看作普通流化床。在鼓泡流态化阶段，床层最大膨胀率约为25%[32]，由于乳化相体积不变，所以k=0.8。因此对于振动重介质流化床，k取0.8～1.0。对式(14)求导得

    $$ \frac{{{\text{d}}{\sigma _{\rho}^2}}}{{{\text{d}}}k} = {({\rho _{\text{e}}} - {\rho _{{\text{bu}}}})^2}(1 - 2k) $$ (15)

    ρe > ρb，在k=0.8～1.0时，${{\text{d}}{\sigma _{\rho}^2}} $/dk < 0，说明当k=0.8时，${\sigma _{\rho}^2} $达到最大值，床层密度的均匀程度最低。通过试验测量床层不同位置处的压差，根据式(1)取平方计算得到床层密度方差${\sigma _{\rho}^2} $，将其与床层密度最大方差相比较，定义为床层密度均匀指数Iu：

    $$ {I_{\text{u}}} = \frac{{{\sigma _{\rho}^2}_{(k = 0.8)}- {\sigma _{\rho}^2}}}{{{\sigma _{\rho}^2}_{(k = 0.8)}}} $$ (16)

    Iu介于0～1，其值越大表示密度均匀性越高，Iu=1时，床层密度完全均匀分布。将相同气速下的振动流化床与无振动流化床的床层密度均匀指数相比，可以得到流化质量改善指数Rimp：

    $$ {R_{{\text{imp}}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {I_{{\text{uv}}}}&({U_{{\text{mfv}}}} \leqslant U \leqslant {U_{{\text{mfc}}}}) \\ \dfrac{{{I_{{\text{uv}}}} - {I_{{\text{uc}}}}}}{{1 - {I_{{\text{uc}}}}}}&(U > {U_{{\text{mfc}}}}) \\ \end{array}} \right. $$ (17)

    其中，Umfc为无振动时流化床最小流化气速，m/s；Iuv和Iuc分别为振动流化床与无振动流化床的床层密度均匀性指数。Iuv < Iuc时，Rimp < 0，反映出此时引入的振动不利于床层密度的稳定；Iuv > Iuc时，Rimp > 0，表明振动能量改善了流化质量，Rimp越高改善效果越明显。当Iuv =1时，Rimp =1表明振动流化床床层密度完全均匀分布；当Iuc=1时，表明无振动的普通流化床密度完全均匀分布，引入振动无意义，式(17)无解。

    不同气速下无振动流化床和振动流化床的床层密度均匀稳定性如图6所示。图6(c)为密度分布偏度相对于流化气速的变化规律，用来反映不同流化气速下的密度分布偏离对称性的程度，评判流化质量的变化趋势。对于振动重介质流化床，流化数N=1.2～1.6时，Rimp逐渐增大且为正数，表明此时振动能量对流化床流化质量起到改善作用，使得振动重介质流化床密度波动幅度大幅度降低，且气速越大改善效果越明显。相应地，在此操作气速范围内，密度偏度Sρ < 0，说明此时床层大部分区域密度大于密度平均值，少部分区域由于存在气泡而导致密度较小。由于密度偏度接近0，密度分布标准差较小，说明整个床层大部分区域的密度分布在较窄的范围内，且波动性小，床层分布较均匀，适合物料的分选。N=1.6～2.0时，床层密度偏度大于0，说明此时床层中大部分区域密度低于平均密度；同时，Rimp逐渐降低，表明振动对抑制气泡增长、改善流化质量的作用正在减弱，这意味着振动能量的传递效果减弱，床层中气泡相增多，局部区域形成稀相床层，密度时空分布波动大，不利于分选。相较而言，无振动重介质流化床只在N=1.2～1.4内以相对稳定的密相为主；在N > 1.4时，床层密度偏度大于0，考虑到此时床层密度标准差较大，说明此时床层中存在较多大气泡，导致大部分区域密度低于平均密度，床层密度分布不均匀。综合而言，振动重介质流化床有效改善了床层流化质量，降低了床层密度，强化了床层密度分布的均匀性与稳定性，为细粒煤的有效分选营造了良好的流态化环境。

    图  6  不同操作条件下的床层密度、标准差与偏度间的对比
    Figure  6.  Comparison of average value, standard deviation and skewness of bed density at different operating fluidization number
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    2.4   振动重介质流化床细粒煤分选

    细粒煤颗粒在振动重介质分选流化床中主要受重力G、床层浮力Ff、气流曳力FD、粒群碰撞力和Basset力。由于重介质粒群均匀分布在整个床层，单个颗粒尺寸远小于细粒煤颗粒，自不同方向对细粒煤施加的碰撞作用力基本相互抵消；Basset力是细粒煤颗粒在加速过程中因周围流场变化所引起，由于床层流化较稳定，且分选过程中起到关键作用的是煤炭颗粒达到沉降末速后的沉降过程，所以该力忽略不计。由此得到细粒煤颗粒在振动重介质分选流化床中所受合力为

    $$ F = G - {F_{\text{f}}} - {F_{\text{D}}} $$ (18)

    即

    $$ {m_{\text{c}}}{a_{\text{c}}} = {m_{\text{c}}}\frac{{{\delta _{\text{c}}} - {\rho _{\text{b}}}}}{{{\delta _{\text{c}}}}}g - {m_{\text{c}}}\frac{{3{C_{\text{D}}}{\rho _{\text{f}}}}}{{4{d_{\text{c}}}{\delta _{\text{c}}}}}\left| {{U_{\text{f}}} - {U_{\text{c}}}} \right|\left( {{U_{\text{f}}} - {U_{\text{c}}}} \right) $$ (19)

    式中，mc为煤炭颗粒质量，kg；ac为煤炭颗粒加速度，m/s2；δc、ρf分别为煤炭颗粒和气流的密度，kg/m3；CD为气流阻力系数；dc为煤炭颗粒粒度，m；Uf和Uc分别为气流速度和煤炭颗粒沉降速度，m/s。

    化简后得到

    $$ {a_{\text{c}}} = \frac{{{\delta _{\text{c}}} - {\rho _{\text{b}}}}}{{{\delta _{\text{c}}}}}g - \frac{{3{C_{\text{D}}}{\rho _{\text{f}}}}}{{4{d_{\text{c}}}{\delta _{\text{c}}}}}\left| {{U_{\text{f}}} - {U_{\text{c}}}} \right|\left( {{U_{\text{f}}} - {U_{\text{c}}}} \right) $$ (20)

    当煤炭颗粒达到沉降末速时，ac=0，因此可得煤炭颗粒的沉降末速Uc0为

    $$ {U_{{\text{c0}}}} = 2\sqrt {\frac{{({\delta _{\text{c}}} - {\rho _{\text{b}}})g{d_{\text{c}}}}}{{3{C_{\text{D}}}{\rho _{\text{f}}}}}} $$ (21)

    由式(21)可知，颗粒沉降末速与颗粒密度和粒度均呈正相关关系。因此，在无振动气固流化床分选过程中，密度不同的煤−矸颗粒如果粒度差异大，其沉降末速可能相同，导致该类等沉煤−矸颗粒不易分离，分选精度低。引入振动能量后，沿轴向相邻的2层重介质颗粒层压降与气流速度呈现类周期性波动。假设此时床层中某区域的气流速度由Uf1增大了$\Delta U$到了Uf2，对于该区域沉降末速相同的等沉煤−矸颗粒而言，气速增大会促使它们由原来的适应气速Uf1的平衡状态运动到适应气速Uf2的平衡状态，在此过程中煤−矸颗粒的沉降速度由Uc1变为Uc2，耗时分别为Tc1和Tc2。将煤矸颗粒分别标记为C1和C2，以颗粒C1为例计算Tc1，对式(20)积分可得

    $$ \int\nolimits_0^{{T_{{\text{c1}}}}} {{\text{d}}t = \int\nolimits_{{U_{{\text{c}}1}}}^{{U_{{\text{c}}2}}} {\frac{{4{d_{{\text{c1}}}}{\delta _{{\text{c1}}}}}}{{4({\delta _{\text{c}}}_1 - {\rho _{\text{b}}})g{d_{{\text{c}}1}} - 3{C_{{\text{D}}1}}{\rho _{\text{f}}}{U_{\text{f}}^2}}}} } {\text{d}}{U_{\text{f}}} $$ (22)

    求解得到：

    $$ {T_{{\text{c}}1}} = \frac{{{d_{{\text{c1}}}}{\delta _{{\text{c}}1}}}}{{\sqrt {3g{d_{{\text{c1}}}}{C_{{\text{D}}1}}{\rho _{\text{f}}}({\delta _{{\text{c}}1}} - {\rho _{\text{b}}})} }}\ln \left[ {\frac{{({U_{{\text{c}}0}} + {U_{{\text{c2}}}})({U_{{\text{c}}0}} - {U_{{\text{c1}}}})}}{{({U_{{\text{c}}0}} - {U_{{\text{c2}}}})({U_{{\text{c}}0}} + {U_{{\text{c1}}}})}}} \right] $$ (23)

    同理可以得到颗粒C2的沉降耗时Tc2，二者相除得到

    $$ \frac{{{T_{{\text{c1}}}}}}{{{T_{{\text{c}}2}}}} = \frac{{{d_{{\text{c}}1}}{\delta _{{\text{c}}1}}{C_{{\text{D}}2}}}}{{{d_{{\text{c}}2}}{\delta _{{\text{c}}2}}{C_{{\text{D}}1}}}} $$ (24)

    因为振动流化床层流化质量均匀稳定，所以CD1=CD2；等沉颗粒沉降末速相同，所以$ \dfrac{{{d_{{\text{c1}}}}{C_{{\text{D}}2}}}}{{{d_{{\text{c}}2}}{C_{{\text{D}}1}}}} = \dfrac{{{\delta _{{\text{c2}}}} - {\rho _{\text{f}}}}}{{{\delta _{{\text{c}}1}} - {\rho _{\text{f}}}}} $。则式(24)可变为

    $$ \frac{{{T_{{\text{c}}1}}}}{{{T_{{\text{c2}}}}}} = 1 - \frac{{{\rho _{\text{b}}}({\delta _{{\text{c}}1}} - {\delta _{{\text{c}}2}})}}{{{\delta _{{\text{c}}2}}({\delta _{{\text{c}}1}} - {\rho _{\text{b}}})}} $$ (25)

    由于煤−矸颗粒密度不同，所以Tc1/Tc2≠1，说明等沉煤−矸颗粒自一个相同速度达到另一个相同速度时，用时不同，意味着二者在沉降过程中存在着运动位移差，这正是等沉煤−矸颗粒在振动重介质分选流化床中得以分离的基础。

    进一步地，开展振动重介质流化床分选验证试验。为确定适合分选的振动与气速协同操作参数范围，设置振动频率分别为5、10、15、20、25、30和35 Hz，振幅分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 mm，逐渐增大操作气速，在不同的振动参数与操作气速下进行煤炭分选试验，选取分选精度E≤0.18 g/cm3的气速范围绘图如图7所示。

    图  7  分选精度E≤0.18 g/cm3时对应的操作条件范围
    Figure  7.  Operating condition range with separation probable error of E≤0.18 g/cm3
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    某一振动参数对应的点沿Z轴方向与曲面上界面和下界面的交点即为该振动参数下可以实现煤炭分选精度E≤0.18 g/cm3的有效操作气速范围。在低振幅下，增加振动频率对分选效果的提升不明显；同样地，在低频率下，单纯地增加振幅也很难改善分选效果。很明显，虽然振动能量可以优化分选效果，但过大的能量输入不仅浪费能量，而且也会造成床层混乱，对分选起到负作用。根据图7可以确定振动重介质流化床分选细粒煤的适宜操作范围，有助于细粒煤振动重介质流化床分选过程的灵活调控。

    针对新疆托克逊黑山露天煤矿薄煤层6～1 mm细粒煤进行分选试验。根据前节研究可知，A=2 mm、f=25 Hz时振动重介质流化床流化质量较好。在此振动条件下，由图7可获得适宜操作气速为0.113～0.157 m/s。分别设置操作气速为0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16 m/s，依次进行6～1 mm细粒煤分选试验。每次分选20 s后，立刻切断振动与气流，待床层稳定后自上而下将床层均匀分为5层，逐层取出煤样，测量产率、灰分与发热量。综合对比发现，在气速为0.13 m/s时分选效果较好，结果如图8所示。

    图  8  A=2 mm、f=25 Hz、U=0.13 m/s时分选产品产率、灰分与发热量
    Figure  8.  Yield, ash content and calorific value of separated products when A=2 mm, f=25 Hz and U=0.13 m/s
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    自上而下煤样灰分逐渐升高，发热量显著降低，5层样品根据灰分与发热量特征可以明显分为3种产品：第1、2层产品灰分低且较为接近，可以混合作为精煤，综合产率72.38%、灰分15.32%、发热量22123 kJ/kg，相较于原煤提高了4571 kJ/kg，效果显著；第3层灰分高于原煤，发热量16580 kJ/kg，可视为中煤；第4、5层灰分均较高，综合产率21.34%、灰分77.76%、发热量2992 kJ/kg，成为矸石产品。另外，中煤产率6.28%，与精煤、矸石产率差距较大，且独立聚集在第3层，表明床层中精煤、中煤、矸石产品之间纵向间距明显，有利于设备放大连续分选过程快速排料、避免错配。

    3.   结　　论

    (1)振动重介质流化床流化质量改善机理：周期性运动的布风板通过非弹性碰撞直接将其振动特性传递给床层底部颗粒，驱使底部颗粒间空隙呈类周期性缩胀，进而导致穿其而过的气流速度类周期性波动，沿床层自下而上地传递振动能量，驱动重介质颗粒规律性振荡和挤压气泡。气泡的高频破裂与低频兼并促进了气泡相中气体向乳化相的扩散，从而降低了气泡相体积，削弱了床层波动，改善了流化质量，形成了均匀稳定流态化环境。

    (2)基于经典两相理论，结合床层塌落过程中气泡相与乳化相的逸出规律，提出了表征振动重介质流化床中进入气泡相的气体分配率的两相理论修正系数Yv计算方法：

    $$ {Y_{\text{v}}} = \frac{{{\gamma _{\text{b}}}}}{{{\gamma _{\text{b}}'}}} = \frac{{({H_{\text{f}}} - {H_{\text{b}}})U}}{{[{H_{\text{f}}} - {H_0}(1 - {\varepsilon _0})](U - {U_{{\text{mfv}}}})}} $$

    (3)阐明了床层流化特性的区域差异性以及由此引发的均匀稳定性变化趋势，提出了振动能量对床层流化质量的改善程度评价指数Rimp计算方法。进一步地，以分选精度E≤0.18 g/cm3作为评价指标，确定了振动重介质流化床分选细粒煤的适宜操作参数范围，为后续设备放大提供依据。

  • 图  1   振动重介质流化床试验系统示意

    Figure  1.   Schematic diagram of vibration dense medium fluidized bed system

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    图  2   不同床层高度处的粒群冲击力

    注：$\Delta t $为不同床高处的粒群起始振动时间差；E[Fpc(t)]为不同床高处的粒群冲击力数学期望。

    Figure  2.   Particle impact force of different bed heights

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    图  3   颗粒间冲击力沿床高分布

    Figure  3.   Particle collision force at different bed heights

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    图  4   起始振动时间差沿床高分布

    Figure  4.   Initial vibration time difference at different bed heights

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    图  5   不同操作条件下的塌落曲线

    Figure  5.   Collapse curves under different operating conditions

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    图  6   不同操作条件下的床层密度、标准差与偏度间的对比

    Figure  6.   Comparison of average value, standard deviation and skewness of bed density at different operating fluidization number

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    图  7   分选精度E≤0.18 g/cm3时对应的操作条件范围

    Figure  7.   Operating condition range with separation probable error of E≤0.18 g/cm3

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    图  8   A=2 mm、f=25 Hz、U=0.13 m/s时分选产品产率、灰分与发热量

    Figure  8.   Yield, ash content and calorific value of separated products when A=2 mm, f=25 Hz and U=0.13 m/s

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    表  1   磁铁矿粉与煤粉物理特性

    Table  1   Main physical properties of magnetite powder and coal powder

    材料 粒度范围/mm 质量分数/% 真密度/(kg·m−3) 堆密度/(kg·m−3)
    煤粉 < 0.1 11.26 1673 987
    0.1～0.3 14.81 1664 966
    0.3～0.5 21.34 1658 932
    0.5～0.7 19.66 1647 897
    0.7～0.9 25.58 1662 901
    0.9～1.0 7.35 1669 883
    合计 100 1660 933
    磁铁矿粉 0.1～0.2 37.26 4493 2669
    0.2～0.3 62.74 4603 2577
    合计 100 4560 2612
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    表  2   基于塌落曲线得到的相关参数

    Table  2   Relevant parameters calculated based on collapse curves

    A/mm f/Hz Umfv/(m·s−1) N Yv Yc[31] ((Yc – Yv)/Yc)/%
    1 15 0.098 1.2 0.76 0.77 1.30
    1.5 0.77 0.79 2.53
    1.8 0.79 0.80 1.25
    1 20 0.091 1.2 0.72 0.77 6.49
    1.5 0.74 0.79 6.33
    1.8 0.77 0.80 3.75
    2 25 0.082 1.2 0.63 0.78 19.23
    1.5 0.66 0.79 16.46
    1.8 0.71 0.80 11.25
    4 10 0.094 1.2 0.74 0.77 3.90
    1.5 0.76 0.79 3.80
    1.8 0.78 0.80 2.50
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-23
  • 修回日期:  2023-11-11
  • 网络出版日期:  2023-12-21
  • 刊出日期:  2023-12-24

目录

摘要
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  • 1.   试验系统与方法

  • 1.1   试验系统与材料

  • 1.2   流化质量评价方法

  • 2.   结果与讨论

  • 2.1   振动能量的轴向传递与床层响应

  • 2.2   振动激励下气体相间分布规律

  • 2.3   振动对流化质量的强化效果与评价方法

  • 2.4   振动重介质流化床细粒煤分选

  • 3.   结　　论

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