呂一波

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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流化床粗煤泥分選床層特性

呂一波

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

在自制LCH-2400型流化床分選機(jī)機(jī)體內(nèi),通過分層采樣分析,研究流化床粗煤泥分選過程中的流態(tài)化特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)上升水流速度是13.94 mm/s時(shí),分選密度1.62 g/cm3,實(shí)驗(yàn)指數(shù)n值為2.34,流化床層中粗煤泥形成了高度為200 mm的矸石層、1 800 mm的過渡層和100 mm的精煤層,矸石層中大于1.8 g/cm3密度級(jí)含量是80.1%,小于1.3 g/cm3密度級(jí)含量是4.96%,形成了有利分選的矸石層,為分選機(jī)高效分選創(chuàng)造了條件。

流化床; 粗煤泥; 分選; 床層密度

流化床選煤研究已有多年,取得了一定的成果[1-7]。振動(dòng)流化床氣流流速對(duì)分選效果有很大的影響。隨著風(fēng)量的加大,分選密度呈減小趨勢(shì)。不同風(fēng)速時(shí),床層各個(gè)點(diǎn)的密度分布不一樣?？刂骑L(fēng)速,獲得均勻、穩(wěn)定的密度床層,為分選提供了條件[1-3]。

流化床粗煤泥分選依據(jù)粗煤泥中的矸石和精煤在流態(tài)化情況下因密度差異而使沉降運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同來實(shí)現(xiàn)分選的。分選機(jī)內(nèi)部流態(tài)化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是影響分選精度的重要因素,其性能直接影響分選機(jī)的水流運(yùn)動(dòng)、粗煤泥的運(yùn)動(dòng)速度。筆者利用自制LCH-2400型流化床分選機(jī),通過分層采樣研究流化床粗煤泥分送的流態(tài)化特性。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及原理

流化床粗煤泥分選實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由給料裝置、LCH-2400型流化床粗煤泥分選系統(tǒng)、供水系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1　分選系統(tǒng)Fig. 1　Separation system

循環(huán)泵以0.2 MPa的壓力將循環(huán)水打入流化床分選機(jī)的入水口,控制上升水流的速度使物料在流化床內(nèi)實(shí)現(xiàn)流態(tài)化,促使物料在流化床的中部形成一個(gè)流態(tài)穩(wěn)定的分選區(qū)。因粗煤泥的密度、粒度特性的差異,其顆粒在流化床中所受的干擾沉降速度不同，故而實(shí)現(xiàn)分選。上升水流的速度決定了分選機(jī)的分選密度。高密度顆粒,因其干擾沉降末速大于上升水流速度而作緩慢下降運(yùn)動(dòng),并由分選機(jī)的底流口排出,成為尾礦。低密度顆粒的干擾沉降末速小于流化床上升水流速度,在上升水流的作用下向上運(yùn)動(dòng),由分選機(jī)溢流口排出,成為精礦,從而實(shí)現(xiàn)精礦與尾礦的分離。

1.2實(shí)驗(yàn)條件

LHC-2400型分選機(jī)循環(huán)水流量為65 m3/h,礦漿入料量189 m3/h,分選機(jī)矸石產(chǎn)率是13.82%。生產(chǎn)正常后開始采樣,分選機(jī)分選密度為1.62 g/cm3。

1.3采樣方式

在分選機(jī)內(nèi)部,分別用500 mL取樣瓶采樣并封裝,以900、1 100 mm為半徑,以分選機(jī)流化板為床層高度基準(zhǔn)面,向上高度分別取200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 mm的橫斷面,共18個(gè)采樣點(diǎn)。

將500 mL取樣瓶固定在帶有刻度的φ20 mm的圓鋼上,取樣瓶口用有繩的橡膠塞堵住,手持圓鋼將取樣瓶插入采樣點(diǎn)位置,拉動(dòng)繩子將取樣瓶口橡膠塞取下來,在重力作用下,粗煤泥與循環(huán)水進(jìn)入到取樣瓶中。30 s后提升圓鋼將取樣瓶取出并旋緊瓶口塞子,粘貼注明取樣地點(diǎn)標(biāo)簽。用同樣的方法依次采取18個(gè)實(shí)驗(yàn)樣。

1.4實(shí)驗(yàn)方法

檢查裝有懸浮液的取樣瓶,觀察取樣瓶是否有液體漏出。漏出液體的取樣瓶為不合格實(shí)驗(yàn)樣,需要重新采集全部實(shí)驗(yàn)樣。

(1) 懸浮液密度:測(cè)量采樣瓶中懸浮液的質(zhì)量和體積,計(jì)算求出懸浮液密度值。

(2) 粗煤泥密度:溢水法。

(3) 粗煤泥的體積分?jǐn)?shù):溢水法。

(4) 粗煤泥浮沉實(shí)驗(yàn):參照GB/T 478—2001《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》進(jìn)行操作。

2　結(jié)果與討論

2.1流化床床層密度分布規(guī)律

流化床粗煤泥分選機(jī)分選粗煤泥的過程中,粗煤泥在上升水流沖擊力、沉降過程中運(yùn)動(dòng)阻力、顆粒重力以及顆粒間碰撞力的作用下,其顆粒按密度逐漸分層。粗煤泥按密度分層的規(guī)律將是影響分選指標(biāo)的關(guān)鍵因素。為了數(shù)字化描述分選機(jī)床層粗煤泥密度組成,連續(xù)采集分選機(jī)內(nèi)部礦漿18個(gè)實(shí)驗(yàn)樣,對(duì)實(shí)驗(yàn)樣進(jìn)行粗煤泥浮沉實(shí)驗(yàn),得到量化的密度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　分選機(jī)床層高度與粗煤泥密度、懸浮液密度關(guān)系

Fig. 2Density of coarse slime, suspension and relationship to bed height of separator

由圖2可知,床層高度h≥400 mm時(shí),粗煤泥密度與懸浮液密度值沒有明顯的變化;當(dāng)床層高度h為200～400 mm時(shí),粗煤泥密度與懸浮液密度值顯著增加;當(dāng)床層高度h=200 mm時(shí),半徑為900、1 100 mm的矸石顆粒密度分別是2.22、2.13 g/cm3,形成有利分選的矸石床層,為矸石排放創(chuàng)造了很好的條件。

2.2流化床床層不同密度物含量變化規(guī)律

分選機(jī)內(nèi)部粗煤泥密度變化規(guī)律直接反映了分選機(jī)工作效果。分析18個(gè)粗煤泥的浮沉實(shí)驗(yàn),得到分選機(jī)內(nèi)部不同床層高度小于1.3 g/cm3、大于1.8 g/cm3密度級(jí)粗煤泥產(chǎn)率關(guān)系,如圖3所示。其中，曲線1為半徑1 100 mm、1.0～0.2 mm粒度級(jí)煤小于1.3密度級(jí)的產(chǎn)率；曲線2為半徑1 100 mm、1.0～0.2 mm粒度級(jí)煤大于1.8密度級(jí)的產(chǎn)率；曲線3為半徑900 mm、1.0～0.2 mm粒度級(jí)煤小于1.3密度級(jí)的產(chǎn)率；曲線4為半徑900 mm、1.0～0.2 mm粒度級(jí)煤大于1.8密度級(jí)的產(chǎn)率。

圖3　分選機(jī)床層高度與不同密度級(jí)產(chǎn)率關(guān)系

Fig. 3Relationship between bed height of separator and yield of different density grade

圖3中顯示床層高度h≤200 mm時(shí),小于1.3 g/cm3密度物產(chǎn)率為4.96%,低密度物數(shù)量明顯減少;大于1.8 g/cm3密度物產(chǎn)率為80.1%,高密度物數(shù)量明顯增加,形成了很好的矸石層。當(dāng)床層高度在200～400 mm區(qū)間,高密度物含量和低密度物含量發(fā)生了明顯的變化,在這個(gè)空間范圍內(nèi),粗煤泥顆粒得到了有效的分選。床層高度為400 mm時(shí),懸浮液中粗煤泥密度組成發(fā)生明顯變化,小于1.3 g/cm3密度物產(chǎn)率為35.12%,大于1.8 g/cm3密度物產(chǎn)率為13.62%。當(dāng)床層高度為400～1 400 mm時(shí),懸浮液中粗煤泥顆粒密度組成沒有明顯變化。當(dāng)床層高度在1 400～2 000 mm區(qū)間時(shí),小于1.3 g/cm3密度物產(chǎn)率開始增加;大于1.8 g/cm3密度物產(chǎn)率開始減少,該床層區(qū)域?yàn)榉诌x區(qū)域,同時(shí),靠近分選機(jī)溢流堰方向小于1.3 g/cm3密度物含量在增加,說明中心入料沖擊作用影響了粗煤泥的分選,周邊分選效果好于中心處。當(dāng)床層高度為2 000 mm時(shí),懸浮液粗煤泥密度組成發(fā)生了明顯變化,小于1.3 g/cm3密度物產(chǎn)率為56.932%;大于1.8 g/cm3密度物產(chǎn)率為0.63%,形成了100 mm(流化床床層全高為2 100 mm)高的精煤層。

2.3粗煤泥干擾沉降速度

流化床粗煤泥分選機(jī)在分選的過程中,沉降速度是實(shí)現(xiàn)按密度分選的重要依據(jù)。粗煤泥沉降速度隨著密度的增加而增大。控制分選機(jī)流化床上升水流的速度,就可以控制不同密度的粗煤泥顆粒的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)粗煤泥顆粒干擾沉降速度大于上升水流速度時(shí),粗煤泥顆粒將沉降到流化床的底部,成為尾礦矸石產(chǎn)品。反之,當(dāng)粗煤泥顆粒干擾沉降速度小于上升水流的速度時(shí),粗煤泥顆粒將隨著上升水流上升到分選機(jī)的溢流堰,成為精礦產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)精煤與矸石的分離。由此可見,流化床上升水流的速度與粗煤泥干擾沉降速度是影響分選效果的關(guān)鍵因素。

2.3.1流化床上升水流速度

流化床粗煤泥分選機(jī)入料量(QR)是189.0 m3/h,需要循環(huán)水量(QX)是65 m3/h,底流排放量(QP)是27 m3/h。由計(jì)算可知,當(dāng)?shù)琢髋欧艜r(shí),分選機(jī)流化床上升水流速度為13.94 mm/s;當(dāng)?shù)琢魍Ｖ古欧艜r(shí),分選機(jī)流化床水流上升速度為15.60 mm/s。

在實(shí)際生產(chǎn)中,排放時(shí)間是根據(jù)懸浮液密度傳感器探測(cè)密度值信號(hào)決定閥門排放時(shí)間與閥門開度。當(dāng)閥門排料時(shí),分選機(jī)上升水流速度υs min最小是13.94 mm/s。該速度即為分選粗煤泥顆粒干擾沉降速度υg。

2.3.2粗煤泥干擾沉降速度

依據(jù)分選機(jī)底流矸石、溢流精煤、入料粗煤泥的浮沉實(shí)驗(yàn)資料,繪制了分選機(jī)的產(chǎn)品分配曲線,由分配曲線得知,分選機(jī)實(shí)際分選密度1.62 g/cm3。

將分選機(jī)入料中粒度≥0.2 mm粗煤泥顆粒置于配制好的1.61 g/cm3密度液中,取出沉物,將沉物再置于1.63 g/cm3密度液中,撈取浮物。該浮物的粒度范圍為0.2～2.0 mm,密度級(jí)范圍為1.61～1.63 g/cm3。取出浮物中的50個(gè)顆粒,分別置于沉降管中,測(cè)量顆粒的自由沉降末速,得粗煤泥自由沉降末速υ0算術(shù)均值為45.3 mm/s。在流化床中,粗煤泥自由沉降末速與干擾沉降末速υg高登關(guān)系式為

υg=υ0(1-φ)n,

式中:φ——懸浮液中粗煤泥的體積分?jǐn)?shù),%；

n——實(shí)驗(yàn)指數(shù)。

懸浮液中粗煤泥體積分?jǐn)?shù)φ是流化床的重要參數(shù)。流化床中粗煤泥體積分?jǐn)?shù)最大值是49.09%(r=900 mm,h=400 mm)。該體積分?jǐn)?shù)值不是一個(gè)常數(shù),總體趨勢(shì)是隨著床層高度的增加而減少,最小值是30.81%(r=900 mm,h=2 000 mm)。當(dāng)h=200 mm時(shí),顆粒進(jìn)入矸石層,此時(shí),粗煤泥的平均體積分?jǐn)?shù)是39.70%。流化床粗煤泥分選機(jī)中粗煤泥體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖4所示。

圖4　分選機(jī)床層高度與粗煤泥體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

Fig. 4Relationship between bed height of separator and volume concentration of coarse slime

由高登關(guān)系式可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)指數(shù)n為2.34,重力選煤中n的取值范圍是2.33～8.33[8]。實(shí)際計(jì)算值符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律。n值確定后,粗煤泥顆粒的干擾沉降末速就可以計(jì)算。隨著體積分?jǐn)?shù)的變化,顆粒的沉降末速隨之改變。任何一個(gè)粗煤泥顆粒由于在分選機(jī)內(nèi)部位置的不同其沉降末速也不一樣。顆粒進(jìn)入到床層高度為200 mm截面時(shí),成為尾礦排出。

3　結(jié)　論

(1)流化床床層分成矸石層(h=0～200 mm),半徑為900、1 100 mm的矸石顆粒密度分別是2.22、2.13 g/cm3,小于1.3 g/cm3密度物產(chǎn)率為4.96%,大于1.8 g/cm3密度物產(chǎn)率為80.1%,形成有利分選的矸石床層。當(dāng)床層高度h為200～400 mm時(shí),粗煤泥密度與懸浮液密度值顯著增加,在這個(gè)空間

范圍內(nèi),粗煤泥顆粒實(shí)現(xiàn)了有效的分選。當(dāng)床層高度h為2 000 mm時(shí),懸浮液粗煤泥密度組成發(fā)生了明顯變化,小于1.3 g/cm3密度物產(chǎn)率為56.932%,大于1.8 g/cm3密度物產(chǎn)率為0.63%，形成了100 mm高的精煤層。

(2) 流化床粗煤泥分選機(jī)干擾沉降末速受底流閥門開與關(guān)的影響。上升水流速度決定了顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),粗煤泥干擾沉降末速?zèng)Q定了粗煤泥顆粒進(jìn)入上升流還是下降流。計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)υs為13.94 mm/s時(shí),分選密度δ為1.62 g/cm3,實(shí)驗(yàn)指數(shù)n值為2.34,分選機(jī)內(nèi)部體積分?jǐn)?shù)隨著床層高度的增加而減小。由于分選機(jī)體積分?jǐn)?shù)不同,粗煤泥沉降末速在分選機(jī)內(nèi)部是不一樣的。

[1]駱振福, MAOMING FAN, 陳清如, 等. 振動(dòng)參數(shù)對(duì)流化床分選性能的影響[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 35(2): 209-213.

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(編輯晁曉筠)

Fluidized bed’s characteristics of coarse slime in separator

LüYibo

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

This paper introduces a study on the fluidized bed’s characteristics of coarse slime in a self-made LCH-2400 separator by using stratified sampling design. The result show that the up-flow velocity of 13.94 mm/s, experimental exponentnvalue of 2.34, and the separation density of 1.62 g/cm3produces gangue coarse slime with a height of 200 mm, transition coarse slime with height of a 1 800 mm, and clean coal with a height of 100 mm and yields the gangue coarse slime formed from the 80.1% content with density greater than 1.8 g/cm3and 4.96% content with density less than 1.3 g/cm3, forming a gangue layer favorable to separation, thereby facilitating higher separation efficiency.

fluidized bed; coarse slime; separation; bed density

1671-0118(2012)03-0225-04

2012-05-03

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E200840);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(1155Z014)

呂一波(1960-)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向：煤炭分選技術(shù)，E-mail:mynamelyb@usth.edu.cn。

TD922

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