脉动液固流化床粗煤泥分选试验研究

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第 42卷 2014年第 12期

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脉动液固流化床粗煤泥分选试验研究邢耀文，万克记，王见明，桂夏辉，王英伟中国矿业大学化工学院江苏徐州 221116

摘要：为探索脉动液固流化床分选粗煤泥的分选效果，寻求最佳的脉动水流波形，设计了恒定水流和不同振幅频率的脉动水流条件试验，分析了引入脉动前后的液固流化床的分选效果和产品特性，结合颗粒动力学方程对脉动水流分选机理进行了分析。结果表明：小振幅高频率的脉动水流可以获得灰分含量为 15.55%,产率为 77.47%的最佳分选指标；与相同上升水量的恒定水流 TBS分选机相比，精煤产率可提高 2.09%,灰分下降 0.09%;脉动水流使不同密度物料产生不同程度的加减速效应，按密度分层作用随之强化；针对 TBS入料粒度小、范围窄的特点，分选机只需要小振幅的水流，过高的振幅会严重破坏床层的稳定性，恶化分选效果。关键词：粗煤泥；液固流化床；脉动；分选机理中图分类号：TD943 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2014)12-0092-05

分 选

Test study for separation of coarse coal slime with pulsing liquid-solid uidized bedXING Yaowen, WAN Keji, WANG Jianming, GUI Xiahui, WANG YingweiSchool of Chemical Engineering& Technology, China University of Mining& Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China

Abstract:To explore the separation effects of coarse coal slime with the pulsating liquid-solid uidized bed and seek the best pulsing ow waveform, the paper conducted the test for pulsing ow condition at constant ow as well as various vibration amplitude and frequency. And then, it analyzed the separation effects and product characteristics of the liquid-solid uidized bed before and after introducing the pulsation, and studied the separation mechanism of pulsating flow in combination with particle dynamics equation. The results showed the best separation indexes involving ash content of 15.55% and yield of 77.47% were obtained by applying the pulsating ow with small vibration amplitude and high frequency. Compared with the separation indexes of constant- ow TBS with the same rising ow, the yield of clean coal increased by 2.09% and the ash content decreased by 0.09%. Pulsating ow made various-density material generate various acceleration and deceleration, and layering effects were strengthened with the density. In view of small feedings size and narrow size range of TBS, ow with small vibration amplitude should be applied to the separator. Overhigh vibration amplitude would damage the stability of the bed and degrade the separation effects. Key Words:coarse coal slime; liquid-solid uidized bed; pulsing; separation mechanism炭分选是实现煤炭洁净利用的重要手段[1]。近年来，我国煤炭分选加工行业

发展迅速，特别是重介旋流器不断向大型化发展，煤炭重介分选粒度

煤

基金项目：国家自然科学基金委员会创新研究群体科学基金项目 (50921002)作者简介：邢耀文，男，1989年生，硕士研究生，主要研究方向为矿物微细粒的分选。

下限不断上升，在浮选中具有更高选择性的旋流-静态微泡浮选柱的广泛应用使得浮选粒度上限下降，最终导致介于重介旋流器有效分选下限和浮选有效分选上限之间的 0.25~ 2.00 mm的粗煤泥得不到有效分选[2]。加之煤炭机械化开采程度的提高和地质条件的恶化，煤炭出现了“贫、杂、细”化的现象，原煤中细粒煤

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所占比例不断增加。据不完全统计，3.0~ 0.5 mm部分原煤含量多数在 20%~45%之间，这部分含量的增大使得“重选+浮选”工艺弊病更显突出[3],粗煤泥高精度分选越来越受到选煤工作者的重视。伴随着煤炭行业 10年黄金期的结束，在国内煤炭市场连续疲软的大背景下，粗煤泥能否高效分选回收，逐渐成为影响和制约选煤厂精煤产率和经济效益的关键。目前小直径煤泥重介质旋流器、水介质旋流器、摇床及螺旋分选机作为工业常用的粗煤泥分选设备，其特点各异，但都有其应用的局限性，应用效果不够理想[4-5]。液固流化床分选技术是近年来新兴的细粒煤分选技术，具有设备占地小、成本较低、处理量大等优势[6]。但常规的干扰床层分选机在应用方面存在着要求入料粒度级较窄，对粗粒轻产物的分选精度差的缺陷，对于可选性较难的中煤的实际分选效果欠佳。陈文刊、李亚萍等人[10][7][8-9]

Tab. 2密度级< 1.3

表 2入料密度组成 Density constitution of feedings

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/ (g cm-3)/%

产率灰分浮物累积/%沉物累积/% ( ±0.1)含量/%产率灰分产率灰分密度级/ (g cm-3)产率/% 4.04 4.16 4.04 20.02 42.85 61.58 4.16 100.00 30.41 6.05 6.99 9.67 95.96 31.51 79.98 36.50 57.15 47.96 38.42 63.64 22.34 86.11 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 20.02 38.81 41.56 26.77 16.08 30.38

1.3~1.4 15.98 6.53 1.4~1.5 22.83 7.82 1.5~1.6 18.73 15.8> 1.8合计

1.6~1.8 16.08 32.42 77.66 14.38 22.34 86.11 100.00 30.41 100.00 30.41

由表 1可知，处于 TBS (液固流化床)最佳入料粒度范围的 -1.0+ 0.25 mm粒级产率为 74.13%,灰分为 31.03%;-2.0+ 1.0 mm粗粒级产率为 25.87%,粒度的增大会弱化 TBS分选机按密度分选作用，粒度分级作用得到强化。试验过程中，-2.0+1.0 mm这部分粗颗粒会因大的沉降末速进入底流而造成精煤损失。由表 2可知，试样各密度级产率相差不大，主导密度级不明显；-1.4 g/ cm 3低密度级浮物产率偏低，达 20.02%;1.4

~1.8 g/ cm3中间密度级产率高达 57.64%,灰分含量为 17.26%;>1.8 g/ cm3密度级灰分含量高达 86.11%,说明该密度级应为大量充分解离的无机矿物质；当要求精煤灰分< 15%时，理论分选密度超过 1.8 g/ cm3,根据中国煤炭可选性评定标准 (GB/ T16417—1996)可知，原煤可选性等级为较难选。

分 选

对液固流化床粗煤泥分

选技术在粗煤泥分选中的的优缺点进行了阐述，李延峰对液固流化床粗煤泥分选机理进行了研究，设计了带有新型水流分布器的液固流化床分选机，并在葛店选煤厂取得了较好的分选指标。赵宏霞等人[11]对液固流化床分选机内的颗粒在不同流态下的沉降末速进行了计算。孙路路等人[12]发现稳定且均匀分布的上升水流和均布的粗煤泥下降水流是影响精煤质量和产率的重要因素，并利用 SolidWorks软件设计了具有较高的液固接触效率机械结构的高效干扰床。惠兵、何瑞明、李鑫等人[13-15]

对脉动液固流化床分选性能进行了

研究，发现脉动干扰床分选效果要优于传统干扰床分选机。但对于不同波形脉动水流分选效果探讨及其影响规律研究较少，为此，笔者在传统液固流化床的基础上，改进并设计了新型脉动液固流化床，通过脉动水流的引入强化分选过程中的密度效应，比较常规液固流化床与脉动液固流化床的分选效果，探索最佳的脉动水流波形，并初步分析了脉动液固流化床分选机理，为进一步工业试验和工艺优化提供依据。

1.2试验装置与方法试验设备采用定制的 110 mm有机玻璃脉动液固流化床，主要包括给料系统、脉动水流控制系统和分选系统 3部分，试验装置示意如图 1所示。试验过程中，固定给料浓度为 400 g/ L,给料速度为 2 kg/ min干煤泥。矿浆经搅拌桶充分搅匀后，由泵给入到分选

1试验1.1试验材料试样取自内蒙古酸刺沟选煤厂分级旋流器底流，筛取 2.00~ 0.25 mm粒度作为试验入料，粒度组成如表 1所列，密度组成如表 2所列。Tab. 1粒级/ mm -2.0+ 1.0 -1.0+ 0.25合计

表 1入料粒度组成 Size constitution of feedings灰分/% 29.72 31.03 30.69筛上累计产率/% 25.87 100.00灰分/% 29.72 30.69

产率/% 25.87 74.13 100.00

图 1试验装置示意 Fig. 1 Sketch of test device

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机中，煤粒与自下而上的上升水流相遇做干扰沉降运本栏目编辑 张代瑶动，同时形成具有一定密度的流化床层，密度小于床层密度的物料进入溢流成为精煤产品，而密度大于床层密度的颗粒则穿过床层进入底流成为尾矿。试验过程中，通过变频器调节上升水流大小，并借助 PLC编程实现不同波形的上升水流。床层压力自控制系

统采用压力传感器— PID—尾矿阀的控制方案。根据床层压力的设定值和床层压力的检测值之间的偏差，通过 PID进行运算，自动调节设备底部尾矿出口的阀门开度，使床层的检测值能够跟踪设备床层的设定值，从而达到控制设备床层压力稳定的目的。

不同脉动波形对分选效果的影响如图 3所示。 Q1= 0.04×sin / 2 t+ 0.344 m3/ h, (1) Q2= 0.04×sin t+ 0.344 m3/ h, (2) Q3= 0.04×sin2 t+ 0.344 m3/ h, Q4= 0.08×sin / 2 t+ 0.344 m/ h, Q5= 0.08×sin t+ 0.344 m/ h, Q6= 0.08×sin2 t+ 0.344 m/ h,3 3 3

(3) (4) (5) (6)

分析图 3可知，随上升水流脉动频率的增加，不同水流振幅情况下的精煤产率均呈现上升趋势，振幅低时可以获得更高的精煤产率；产品质量方面，在低振幅工况下，随频率增加精煤灰分下降，而当上升水流振幅增加至 0.08 m3/ h时，灰分随脉动频率的增加而增加，小振幅高频率的上升水流可以获得灰分含量为 15.55%,产率为 77.47%的最佳分选指标。当脉动波形为高振幅与高频率的组合时，床层稳定性会遭到破坏，此时仅可获得灰分含量为 15.90%,产率为 74.80%的指标，分选效果下降。由此可见，小振幅高频率的脉动水流更有利于促进液固流化床内部床层的松散，减少颗粒间的包裹与夹带，通过颗粒的加减速效应，强化密度分选，分选效果得到改善。

2结果与讨论2.1恒定水流液固流化床分选试验不同上升水流 Q和床层压力对液固流化床分选效果的影响如图 2所示。从图 2可以发现，当上升水流Q保持恒定时，随床层压力的增大，分选机内固相容积浓度增大，导致床层密度和分选密度变大，精煤产率和精煤灰分呈现单调递增趋势；当床层压力保持恒定时，精煤灰分和产率也均随上升水流的增加而增加，大的上升水流也能获得高的精煤产率，说明流化床的分选密度受到床层压力和上升水流的双重影响。此外，随上升水流 Q的逐步增加，精煤产率随床层压力的增加而增大趋势减缓。

分 选94

图 3不同脉动波形对分选效果的影响 Fig. 3 In uence of pulsing ow waveform on separation effects

将各脉动水流分选指标与上升水流为 0.344 m3/ h、床层压力为 18.6 kPa的恒定水流试验指标相比发现：当振幅为 0.04 m3/ h时，脉动水流可获得更高的精煤产率和更低的灰分。例如，在振幅为 0.04 m3/ h且频图 2不同上升水流和床层压力对分选效果的影响 Fig. 2 In uence of rising ow and bed pressure on separation effects

率为 60次/ min时，精煤产率可提高 2.09%,灰分下降 0.09%;当振幅为 0.08 m3/ h时，其所得的精煤产率均要低于恒定

水流。这也进一步说明脉动水流的波形要匹配物料的性质，不合理的脉动并不能改善分选效果。分别采取上升水流为 0.344 m3/ h床层压力为 18.6 kPa的恒定水流试验和振幅为 0.04 m3/ h且脉动频率为 60次/ min (即低振幅高频率)脉动水流试验的精煤产品，筛分后计算得到精煤各粒级产率及灰分情况，如图 4所示。

2.2脉动水流液固流化床分选试验为探究脉动水流对液固流化床的分选效果的改善，寻找最佳的脉动水流波形，以 2.1节的试验为基础，固定床层压力为 18.6 kPa,PLC编程选取以下 6种按不同正弦波形变化的上升水流 (见式 (1)~ (6)),观察方程发现，6种波形水流在其一个完整脉动周期内与恒定上升水速为 0.344 m3/ h时的上升水量相同。

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Fig. 4

图 4精煤各粒级产率及灰分比较 Comparison of yield and ash content of each particle size of clean coal

从图 4可以看出，引入脉动水流后，-2.0+ 1.0 m m低灰粗粒级产率提高 2.62%,其灰分变化不明显；而对 -1.0+ 0.25 mm细粒级的影响主要表现在产品质量的改善，灰分可降低 1.70%;由此可见，脉动水流在一定程度上可降低入料中粗粒级错配率，同时强化细粒级基本按密度分选。

作用随之强化。值得注意一点是，在水流上升末期和下降初期，水流加速度会对分选产生一定程度的不利影响。脉动频率和振幅对分选分层效果的影响过程，简单讨论如下：脉动水流的振幅影响着床层扬起的高度和松散度，有关文献表明，床层所需的扬起高度与给料粒度呈正相关关系，因此，针对 TBS入料粒度小、范围窄的特点，要求的床层扬高小。由此可见，TBS只需要小振幅的水流，过高的振幅会严重破坏床层的稳定性。从另一方面讲，振幅的引入对扩宽入料粒度范围有着积极的意义。脉动频率对分选效果的影响主要体现在对颗粒加速度的影响；低频率脉动时，水流速度、煤粒直径以及形状因素对分选的不利影响越发突出，分选效果恶化；当采用高频率脉动时，加速度因素影响得到加强，直径和形状影响削弱，床层可以更充分地按密度进行分选。

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分 选

2.3脉动水流强化分选机理分析脉动液固流化床床层是个复杂的两相流体系，准确推导脉动水流的分选机理难度很大，笔者结合单个矿粒在垂直脉动介质流中的运动规律对脉动水流强化分选机理加以初步分析。查阅相关文献可知，颗粒在脉动水流中受到主要作用力有：自身重力，介质阻力，附加惯性力，附加推力以及机械阻力 (基于机械阻力当前尚无法用公式准确表达，在此，忽略机械阻力项的影响)。维诺格拉道夫

在高登初速度假说的基础上得到颗粒在床层内的受力方程式为 m= V ( m - ) g±R±R1±R2, (7)

3结论(1)引入脉动水流后，小振幅高频率的上升水流可以获得灰分含量为 15.55%,产率为 77.47%的最佳分选指标。与相同上升水量的恒定水流 TBS分选机相比，精煤产率可提高 2.09%,灰分下降 0.09%。产品中 -2.0+ 1.0 mm低灰粗粒级产率提高 2.62%,其灰分变化不明显；而对 -1.0+ 0.25 mm细粒级的影响主要表现在产品质量的改善，灰分可降低 1.70%。脉动水流在一定程度上可降低入料中粗粒级错配率，同时强化细粒级基本按密度分选。 (2)脉动水流使不同密度物料产生不同程度的加减速效应，在水流加速度方向向上的上升初期和下降末期，低密度颗粒可以获得更大的加速度向上加速或大的减速度向下减速运动，按密度分层作用随之强化。针对 TBS入料粒度小，范围窄的特点，分选机只需要小振幅的水流，过高的振幅会严重破坏床层的稳定性，恶化分选效果。参考文献[1]刘炯天.关于我国煤炭能源低碳发展的思考[J].中国矿业大学学报：社会科学版， 2011,57(1): 5-12.[2]刘文礼，陈子彤，干扰床分选机分选粗煤泥的规律研究[J].选煤技术， 2007,35(4):11-13.[3]梅国民，王全强，刘焕胜.细粒煤分选方法评述[J].煤炭技术，2005,24(12),60-62.[4]焦红光，谌伦建，铁占续.细粒煤重选设备的技术现状与分析[J].煤炭工程，2006,53(1): 14-17.[5]谢国龙，俞和胜，杨颋.浅析粗煤泥分选设备的工作机理及其应用[J].矿山机械，2008, 36(7):80-84.[6] Galvin K P,Doroodchi E,Callen A M,et al. Pilotplant trial

式中：m为颗粒的质量；V为颗粒的体积； m、 分别为煤粒和介质的密度；v为颗粒的运动速度；R、 R1、R2分别为颗粒受到的介质阻力、附加质量力和附加推力。将式 (7)做代入化简计算后得到颗粒在脉动水流中的运动微分方程[16-17],即。 (8)

式中：v c为颗粒与介质流的相对运动速度； 为上升水流加速度；d v为颗粒直径； 为形状系数；j为单位向量。分析式 (8)可知，矿粒密度、粒度、形状均对颗粒运动状态产生影响，脉动水流使不同密度物料产生不同程度的加减速效应，在水流加速度方向向上的上升初期和下降末期，低密度颗粒可以获得更大的加速度向上加速或大的减速度向下减速运动，按密度分层

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一种细粒煤干法分级螺旋脱粉装置研究王超1,苏壮飞2,赵二宁31

安徽理工大学材料科学与工程学院安徽淮南 232001 2唐山国华科技国际工程有限

公司河北唐山 063000 3安徽理工大学经济与管理学院安徽淮南 232001

分 选

摘要：针对分级筛对≤6 mm煤颗粒分级效率低、易堵塞等不足，探寻一种用于细粒煤干法分级的螺旋脱粉装置。本装置通过螺旋筛面下气流通道和补风调节装置进行供风、调风，强化煤颗粒螺旋输送和分级。通过对螺旋脱粉装置进行模型简化，运用 FLUEMT软件对其中气流干扰的可控性进行仿真，初步了解气流对物料运输过程中稳定性的影响，以及对物料松散分层和分级的影响，为下一步对螺旋脱粉装置的深入研究和应用提供参考。关键词：螺旋脱粉装置；干法分级；螺旋输送；气流干扰；仿真中图分类号：TD534 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2014)12-0096-04

Research on a spiral shedding device for dry grading of ne coalWANG Chao1, SU Zhuangfei2, ZHAO Erning3College of Material Science& Engineering, Anhui University of Science& Technology, Huainan 232001, Anhui, China 2 Tangshan Guohua Technology International Engineering Co., Ltd., Tangshan 063000, Hebei, China 3 College of Economics& Management, Anhui University of Science& Technology, Huainan 232001, Anhui, China1

Abstract:TIn view of low separation ef ciency and easy clogging of the sieving screen during separation of coal whose particle size was not more than 6 mm, the paper explored a spiral shedding device for dry grading of ne coal. The device was equipped with air ow channel and air control unit under the spiral sieving surface so as to supply and control air ow. It also intensi ed the spiral delivery and grading of coal particles. After作者简介：王超，男，1987年生，博士研究生，主要研究方向为矿物加工流体机械。

of the reflux classifier[J]. Minerals Engineering,2002(15): 19-25.[7]赵继芬，惠兵，王飞跃.新型高效粗煤泥干扰床分选机的研究[J].煤炭工程，2013,60(3):120-122.[8]陈文刊，李延锋，徐世辉，等.液固流化床分选粗煤泥技术发展与应用[J].矿山机械，2011, 39(9):75-79.[9]李亚萍，沈丽娟，陈建中，等.浅谈干扰沉淀床分选机[J].矿山机械，2007, 35(4):91-94.[10]李延锋.细粒煤在液固流化态介质中高效分离研究[D].徐州：中国矿业大学，2004.[11]赵宏霞，杜高仕，李敏，等.干扰床分选技术的研究[J].煤炭加工与综合利用，2005,23(2):16-18.[12]孙路路，沈正义.高效干扰床分选机结构设计探索[J].矿山机械，2012,40(2): 75-77.[13]惠兵.阻尼脉动干扰床分选机的研究[D].焦作：河南理工大学，2010.[14]何瑞明，脉动液

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a6oj.html