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JIANG Yongning，QI Jian，BA Yulong,et al.Fluidization characteristics of multiple dense medium and efficient separation of low-quality coal in dry dense medium fluidized bed[J].Clean Coal Technology，2021,27(5):10-16.
我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国[1]。我国2/3以上煤炭资源分布在西部干旱缺水地区[2-4]，传统的湿法分选技术严重受限，干法分选逐渐成为研究重点[5-6]。基于气-固两相流的流态化干法分选技术是通过上升气流与加重质颗粒混合形成气固流化床层，煤由于自身的密度与床层密度的差异呈不同运动状态：低于床层密度的精煤上浮，高于床层密度的矸石下沉，实现分选[7-9]。干法选煤技术采用空气代替水[10-11]，无煤泥水污染、成本低、优势明显。因此，研究和推广气固流化床干法选煤技术具有重要的现实意义。
加重质是干法重介质流化床床层的主要物质，加重质的物性特征与组成决定流化床分选性能[12]。很多学者采用不同加重质开展了干法重介质流化床流化研究，WEINTRAUB等[13-14]采用43～74 μm磁铁矿粉作为加重质，ZENNOSUKE等[15-16]采用CaCO3、玻璃珠等作为加重质，但流化床密度波动大，分选稳定性差。骆振福等[17]通过加重质改性改良加重质表面润滑性，采用硬脂酸试剂作为改性剂。唐利刚等[18]拓展了加重质的粒级组成，优化了加重质粒度结构。刘昆仑[19]采用硼铁矿粉作为加重质，对13～6 mm粒级煤进行有效分选，分选可能偏差E=0.075。
笔者重点研究了二元窄粒级、二元宽粒级及三元加重质在流化床中的流化特性，深入分析加重质性质对干法重介质流化床分选效果的影响，为优化干法重介质流化床中加重质的设计提供参考。
干法重介质流化床试验系统如图1所示，主要分为供风与除尘装置、流化床和测试装置。供风装置由鼓风机、储气罐、压力表、流量计及阀门组成，为流化床提供动能。流化床为矿物提供分选环境，床体长×宽×高为300 mm×50 mm×600 mm。床体的空气分配器采用2层多孔板中间加2层工业滤布构成，以保证床体供风均匀。测试系统由压力传感器和测压管组成，压力传感器安装于床体侧壁上，由测压管计数。在气体分布器上部20 mm处的流化床边壁设置第1个测压点，依次向上，每隔40 mm增设1个测压点。试验过程中流化床产生的粉尘由除尘系统收集，防止污染环境。
图1 干法重介质流化床分选系统示意
Fig.1 Schematic diagram of dry dense medium
fluidized bed separation system
1.2.1 床层膨胀率
膨胀率定义为
(1)
其中，θ为床层膨胀率，%；H0为静床层高度，mm；H为床层高度，mm。在稳定流化区域，床层膨胀率与流化气速呈正相关关系，膨胀率越大，表明床层密度可调节性越大。
1.2.2 床层压降
床层压降P的计算公式为
(2)
其中，ρ为水的密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；Δh为U型管的高度差，mm。床层压降分布即为床层的密度分布。
硼铁矿粉、磁铁矿粉因具有磁性、密度适中，常被用作分选流化床加重质。试验在静床高160 mm、风压0.02 MPa条件下，对74～45、150～74和300～150 μm粒级的磁铁矿粉及125～74、150～125和300～150 μm粒级的硼铁矿粉进行流化试验，考察流化特性和床层密度稳定性，试验结果如图2、3所示。
由图2、3可知，74～45 μm粒级的磁铁矿粉在气速1.1 cm/s时，床层压降达到最大值；气速增至1.47 cm/s时，固定床逐渐转化为流化床；气速在1.96～2.94 cm/s时，床层膨胀率在9.33%～11.33%，床面均匀涌现较小尺寸的气泡，床层密度波动小，具有较好的流化活性。150～74 μm粒级的磁铁矿粉在气速3.67～4.16 cm/s时，床层膨胀率在8.67%～10.00%，床层表面均匀鼓小泡，膨胀率适中，流化效果较理想。300～150 μm粒级的磁铁矿粉在气速9.80～12.24 cm/s时，床层膨胀率在4.67%～10.00%，床层密度稳定性好，流化效果较理想。气速超过12.86 cm/s后，床层压降骤降，床面剧烈波动，甚至出现喷涌，返混也越发严重，流化状态逐渐恶化。125～74 μm粒级的硼铁矿粉在气速为13.18～15.07 cm/s时，床层膨胀率在12.86%～14.29%，床层压降波动较小，床层密度较稳定，流化效果较理想。150～125 μm粒级硼铁矿粉在气速为10.36～12.24 cm/s时，床层膨胀率在16.25%～17.50%，床层压降波动较小，床层表面均匀鼓小泡，床层密度较稳定，流化效果较理想。300～150 μm粒级硼铁矿粉在流化气速为3.58～4.14 cm/s时，床层膨胀率在12.50%～18.75%，流化床活性继续增大，床层压降波动较小，床层表面均匀鼓小泡，床层密度较稳定，流化效果较理想。
图2 磁铁矿粉与硼铁矿粉的流化特性曲线
Fig.2 Curves of fluidization properties of magnetite powder and paigeite powder
图3 磁铁矿粉与硼铁矿粉的床层膨胀率曲线
Fig.3 Curves of bed expanding rate of magnetite powder and paigeite powder
综上，随着硼铁矿粉与磁铁矿粉粒度降低，带出加重质颗粒所需的气速降低，床层生成的气泡尺寸较小，床层流化均匀性强，密度均匀；反之，硼铁矿粉与磁铁矿粉粒度增大，气泡兼并形成大气泡，导致床层流化紊乱，流化质量降低。故在流化床分选过程中应合理控制流化气速，保证流化效果。
以单一硼铁矿粉与磁铁矿粉作为加重质流化时，不同粒级组成下均具有良好的流化效果，但加重质粒级范围窄，制备成本高。基于干扰沉降模型，粒度相近的硼铁矿粉与磁铁矿粉难以均匀混合，主要是由于二者密度差异大，导致沉降末速相差较大。在赵嘉博等[7]研究的基础上，选择150～125 μm和125～74 μm粒度的硼铁矿粉，分别与74～45 μm磁铁矿粉以不同质量分数混合形成二元加重质，研究其流化特性。每组硼铁矿粉与磁铁矿粉的质量比均取1∶4、1∶2、1∶1、2∶1和4∶1，试验结果如图4所示。
图4 硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉(mM)混合的流化特性曲线
Fig.4 Curves of fluidization properties of paigeite powder mixed
with 74-45 μm magnetite powder(mM)
由图4可知，150～125、125～74 μm硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉混合后，随着74～45 μm细粒级加重质质量分数的增加，最小流化气速降低，流化曲线整体左移。这是由于细粒级加重质占比增大导致混合加重质整体粒度降低，使得最小流化气速降低。5种不同比例的硼铁矿粉与磁铁矿粉混合加重质流化床层压降波动均较小，流化效果较好。说明在适当气速范围内，2种粒级的硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉的质量比可在较大范围内调整。
在介质制备过程中，窄粒级的硼铁矿粉产率较低，在实际选煤过程中，制备大量窄粒级的介质较困难，且会造成介质浪费，成本增大。为此，有必要拓宽硼铁矿粉粒级，对宽粒级二元加重质的流化特性进行研究。根据刘昆仑等[19]研究成果，将硼铁矿粉150～125 μm和125～74 μm两个粒级按照7∶3配成组合粒级150～74 μm，将300～150 μm和150～74 μm按照3∶1配成组合粒级300～74 μm。300～74 μm粒级的硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉按质量比1∶10、1∶5、1∶4、1∶2、1∶1、2∶1、4∶1、5∶1和10∶1混合，即硼铁矿粉质量分数分别为9.09%、16.67%、20.00%、33.33%、50.00%、66.67%、80.00%、83.33%和90.91%，试验结果如图5所示。
图5 300～74 μm硼铁矿粉(mB3)与74～45 μm
磁铁矿粉(mM)混合的流化特性曲线
Fig.5 Fluidization characteristic curve of 300-74 μm paigeite
powder(mB3)mixed with 74-45 μm magnetite powder(mM)
由图5可知，2个粒级的硼铁矿粉在9种质量比的流化质量均相对稳定，床层密度波动均较稳定。其中，300～74 μm硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉在不小于1∶1配比下，即300～74 μm硼铁矿粉质量分数大于50.00%时，床层压降波动更小，返混现象小，床层密度均匀稳定，尤其是300～74 μm硼铁矿粉质量分数为80.00%、83.33%和90.91%时，床层密度更加稳定。因此在适当的气速范围内，这2个粒级的配比在较宽范围内调整，均可达到稳定的流化状态。宽粒级二元加重质混合时，稳定流化后的流化曲线随细粒级增多而波动加剧，难以形成稳定的分选环境。
在干法重介质流化床干法选煤过程中会混入煤粉，导致床层流化质量变化，这是硼、磁铁矿粉可否用作多元加重质颗粒的关键依据。在保证流化床密度均匀稳定的前提下，300～74 μm硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉质量比设为4∶1，再与小于1 mm煤粉按不同比例混合后流化，研究硼铁矿粉、磁铁矿粉、煤粉形成的三元加重质流化特性，结果如图6所示。
图6 不同煤粉质量分数的三元加重质流化特性曲线
Fig.6 Fluidized curves of three-medium-solids with
different coal fines contents
由图6可知，随着煤粉质量分数增加，三元加重质的流化曲线逐渐右移，说明随煤粉质量分数增加，起始流化速度呈增大趋势，符合不同粒度加重质起始流化速度的变化规律。由于加入的煤粉平均粒度大于硼铁矿粉和磁铁矿粉，煤粉质量分数增加相当于增加了三元加重质的平均粒度，使起始流化速度逐渐增大。
对于实际操作的流化床，若使加重质床层在气流作用下完全流化，操作气速必须达到起始流化速度Umf。起始流化速度主要受颗粒粒度影响，颗粒密度的影响次之。将床层流化曲线上通过固定态和流化态的曲线进行线性关联，可得到二元加重质起始流化速度Umf与加权算术平均粒度ds的关系。采用Origin7.5软件对150～125、125～74及300～74 μm硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉混合后Umf与ds的对应值进行回归分析，得到其回归模型和拟合曲线(图7)。
图7 硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉混合形成的加重质
Umf与ds的关系曲线
Fig.7 Regression curves between Umf and ds after the mixing of
paigeite powder and 74-45 μm magnetite powder
150～125 μm硼铁矿粉：Umf=1.155 66+
(3)
125～74 μm硼铁矿粉：
(4)
300～74 μm硼铁矿粉：
(5)
从图7可以看出，3种粒级的硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉混合后起始流化速度的试验值与模型曲线吻合很好，说明该回归模型可用。
为了进一步分析二元加重质在干法重介质流化床中的分布，将各粒级、各质量比的二元加重质流化稳定后，立刻停机，沿床层轴向自上而下，间隔40 mm逐层采样，检测每层中硼铁矿粉的质量分数，并计算相对标准差(δ′)和相对极差(L′)，结果如图8所示。
图8 相对标准差及相对极差与硼铁矿粉质量分数的关系
Fig.8 Relationship between δ′ and L′and paigeite
ore powder contents
随硼铁矿粉含量增加，床层密度降低，干扰沉降等沉比减小，二者粒径比逐渐超过干扰沉降等沉比，使较多的硼铁矿粉分布于床层下部。由图8可知，随着硼铁矿粉质量分数增加，硼铁矿粉与磁铁矿粉分层现象相对减弱，硼铁矿粉与磁铁矿粉混合的均匀程度随硼铁矿粉质量分数的增加而提高，质量分数达80%时，二者已混合较均匀。实际生产中，可通过改变宽粒级硼铁矿粉粒度组成来调整硼铁矿粉在床层中总的分布，改善床层密度均匀稳定性。
根据床层顶部与底部的密度差分析不同煤粉质量分数下的三元加重质流化床密度的均匀稳定性，如图9所示。
图9 顶部与底部床层密度差与煤粉质量分数的关系
Fig.9 Relationship of density difference between top and
bottom beds and pulverized coal content
由图9可知，煤粉质量分数不超过15%时，床层上、下部的密度差异较小，三元加重质流化床密度均匀；煤粉质量分数达17.5%时，床层密度差骤增，床层紊乱。其原因，一方面，随着煤粉量增大，流化床黏度明显增大，使气固两相流的稳定性变差；另一方面，流化床中的部分煤粉同时处于被分选状态，导致分层。煤粉质量分数越大，分层越严重，流化状态越差，密度波动陡增。
为进一步验证多元加重质的干法重介质流化床的分选效果，在300～74 μm硼铁矿粉质量分数为80.00%、流化气速为5.65 cm/s条件下进行原煤分选试验。选取13～6 mm粒级原煤，每次试验的分选时间均为45 s，之后立刻切断气流，床层回落静止后沿轴向自上而下分5层每隔30 mm取样，底层为第5层，分别计算原煤及加重质的质量和产率，分选结果如图10所示。
图10 低质煤分选结果
Fig.10 Low quality coal separation results
由图10可知，13～6 mm原煤经多元加重质流化床分选后可得到灰分10.95%、产率70.90%的精煤，分选效果良好。随密度升高，矸石中的分配率逐渐升高，精煤中的分配率先增加后降低，在重产物中的分配率逐渐升高。
1)磁铁矿粉与硼铁矿粉的流化特性研究表明，300～150、150～74和74～45 μm粒级的磁铁矿粉和300～150、150～125和125～74 μm粒级的硼铁矿粉均能达到良好的流化状态。随加重质粒度减小，起始流化气速显著降低，膨胀性能逐渐增强。
2)二元加重质流化特性表明，150～125、125～74 μm硼铁矿粉与74～45 μm磁铁矿粉混合流化时，其混合的均匀程度随硼铁矿粉质量分数的增加而提高。300～74 μm粒级硼铁矿粉与74～45 μm粒级磁铁矿粉在9种不同质量比条件下，床层压降均较稳定。其中，300～74 μm硼铁矿粉质量分数超过50.00%时，床层压降波动更小，床层密度均匀稳定，随着硼铁矿粉质量分数增加，硼铁矿粉与磁铁矿粉分层现象相对减弱。
3)随着煤粉质量分数增加，三元加重质的流化效果逐渐变差。为保证流化床床层密度较好的均匀稳定性，三元加重质中煤粉质量分数不宜超过15%。300～74 μm硼铁矿粉质量分数为80.00%时，13～6 mm原煤在多元加重质流化床中分选，精煤灰分为10.95%、产率为70.90%，分选效果良好。
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