秦云飛，駱振福，趙躍民，呂波，陳彩靜，付芝杰，黃偉，李強

(中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州，221116)

磁鐵礦粉在流化床干法選煤工藝中因其具有流化性能好、易回收、成本低的特點，經常作為流化床分選中的加重質[1]。煤炭分選用的磁鐵礦粉粒度一般為0.300～0.074 mm，在Geldart 分類中屬于B 類顆粒。這類顆粒的特點是初始鼓泡速度與初始流化速度相等。因此，當氣體流速達到初始流化速度后，床層內即出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。其乳化相中的氣固返混較弱，相間氣體交換速度也較低[2-4]。床層塌落技術作為流態(tài)化研究中的一項重要技術，可用以將床層內部兩相流動形態(tài)的空間分布轉化為時間函數(shù)，即以塌落曲線來表征床層料面高度隨時間的變化過程，該方法常用于評價Geldart A 類顆粒的流化質量、考察床層結構和氣泡行為。通過分析床層塌落曲線，可以獲取乳相空隙率、乳相和泡相體積分數(shù)、氣泡平均上升速率等一系列流化過程中的重要參數(shù)，繼而用以衡量細顆粒的流化性質。具有一定滯氣性能的A 類顆粒體現(xiàn)出明顯的3 階段塌落特性[5-9]：氣泡溢出階段、受阻沉降階段和濃相壓實階段。人們對B 類顆粒的塌落行為報道得較少。王銘華[10]在電路板塑料顆粒流化床資源化技術研究中發(fā)現(xiàn)，當粒徑為123 μm、質量為150 g 電路板塑料顆粒流化時有一定的膨脹高度，其床層塌落呈現(xiàn)出明顯的線性脫氣階段和濃相壓縮階段，在不同的流速下，床層從開始塌落到靜止需要6～8 s。李彥等[11]研究表明高氣速可加速塌落過程，塌落時間略有縮小，高氣速下床層塌落終止后床層靜止高度較低，隨氣速減小床層靜止后高度呈增大趨勢。金涌等[12]在采用床層塌落技術測量氣固流化床濃相空隙率的實驗中指出氧化鋁催化劑(屬于B 類粒子)的空隙率在床層緩慢沉降時不會改變，并且風箱是否采用瞬時排空對塌落的后期會造成影響，而且很難用簡單方法加以修正。本研究目的在于考察磁鐵礦粉顆粒在鼓泡流化床中的床層塌落行為，研究其可能的影響因素，表征流化性能，并對塌落機制進行分析， 以便為工業(yè)上選煤加重質磁鐵礦粉的選取提供一定幫助。

1 實驗

床層塌落實驗在常溫、常壓條件下外徑為180 mm的流化床裝置中進行，試驗系統(tǒng)如圖1 所示。

本試驗系統(tǒng)由空氣過濾器、羅茨鼓風機、鼓風機鼓風壓力表、配電柜、穩(wěn)壓風包、放風消聲器、流量調節(jié)閥、流量計、流化床和U 型管壓差計等部分組成。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment system

在常溫常壓下，空氣經過濾后由鼓風機進入轉子流量計計量流量，然后經流化床底部布風板均勻布風后吹入床層，待床層內的顆粒在某一氣速條件下穩(wěn)定流化后，突然切斷氣源，床層料面開始塌落，直至全床層進入非流化的堆積態(tài)，且料面不再繼續(xù)下降為止。整個實驗過程使用OLYMPUS 公司生產的i-speed 系列高速動態(tài)攝像儀進行拍攝，記錄床高的變化過程。在操作時采用500 幀/s 的速度進行拍攝，然后將所拍內容導入PC 機，使用軟件對錄像進行處理，順序讀出各時刻的床層高度，用Origin 繪制出床層塌落曲線。

實驗用的加重質顆粒為煤炭分選使用的寬粒級高密度磁鐵礦粉，其真密度為4 200 kg/m3，堆密度為2.47 g/cm3，粒度分布范圍為0.074～0.300 mm，磁性物質量分數(shù)為99.71%，磁化強度為77.21 (A·m2)/g。

實驗所用物料分為1 號和2 號顆粒，其粒度分布見表 1。

表1 磁鐵礦粉的粒度組成Table 1 Size distribution of magnetite powder

2 實驗結果及分析

2.1 1 號磁鐵礦粉的塌落曲線

圖2 所示為1 號磁鐵礦粉的塌落結果，塌落過程具有類似A 類顆粒的3 階段床層塌落特性：初期為快速的氣泡溢出過程；此后，濃相層下降，靠近床底部的顆粒開始堆積，形成堆積層，即受阻沉降階段；最后堆積層內的氣體由于顆粒的自身質量而被緩慢地擠出，床層達到靜床高Hs即濃相壓縮階段。塌落過程迅速，從開始塌落到受阻沉降結束僅需要0.35 s 左右。

其中雖然可以識別出有一個短暫的塌落速率下降過程，但已經不太明顯。這說明1 號磁鐵礦粉形成的床層中氣體大多以氣泡群形式存在，通過密相顆粒層的氣體很少。

2.2 2 號磁鐵礦粉的床層塌落曲線

2 號磁鐵礦粉的塌落曲線如圖3 所示。

圖2 1 號磁鐵礦粉的床層塌落曲線Fig.2 Bed collapse profile for No.1 magnetite powder

圖3 2 號磁鐵礦粉的床層塌落曲線Fig.3 Bed collapse profile for No.2 magnetite powder

由圖3 可知：2 號磁鐵礦粉具有典型的B 類顆粒塌落特性。其過程沒有明顯的受阻沉降和濃相壓縮階段。與楊子平等[13]在應用床層塌落法判別流態(tài)化特征中得到的結果類似，B 類物料的塌落曲線只包含氣泡溢出階段，當氣泡全部溢出，床界面就達到平衡高度。

2.3 不同流化氣速下的塌落行為比較

分別對2 組磁鐵礦粉不同操作氣速下的塌落曲線進行分析，引入塌落速度Uc，床層膨脹率RBE和標準塌落時間TSC3 個參數(shù)對其塌落行為進行比較[14-17]：

其中：Hf和Hs分別為開始塌落和塌落結束時的床高；t0和ts分別為開始塌落和受阻沉降結束的時間。

圖4～6 所示為不同氣速下2 組磁鐵礦粉顆粒塌落曲線Uc，RBE和TSC的比較。

圖5 不同氣速下2 組磁鐵礦粉RBE 比較Fig.5 Comparison of bed expansion ratio for No.1 and No.2 magnetite power at different gas velocities

圖6 不同氣速下2 組磁鐵礦粉TSC 比較Fig.6 Comparison of standardised collapse time for No.1 and No.2 magnetite power at different gas velocities

Uc表征了床層塌落的速度。2 號磁鐵礦粉從開始塌落到床層高度不變，只有1 種塌落速度，1 號磁鐵礦粉有一個很短暫的受阻沉降過程，所以，Uc可以認為是平均塌落速度，反映了氣體從濃相區(qū)逸出的速度。

從圖4 可以看出：1 號磁鐵礦粉隨初始氣速增大床層塌落速度變化趨勢不明顯，但2 號磁鐵礦粉有明顯的增大趨勢。所以，可以得出初始氣速只對含粗顆粒較多磁鐵礦粉床層塌落速度有較大影響，而對細顆粒群則影響不明顯。

圖5 表明床層膨脹率隨初始氣速的增大呈上升趨勢，并且2 組顆粒又有明顯差別，在相同氣速下，含細顆粒較多的1 號磁鐵礦粉比含粗顆粒較多的2 號磁鐵礦粉膨脹率大。這是由于小顆粒群比表面積較大，易形成多孔結構，所以，床層空隙率較大，膨脹率也就大。

顆粒在流化床中的塌落時間不僅與塌落速度有關，還與顆粒塌落要經過的床層高度有關。標準塌落時間TSC能很好地反映流化過程中條件的變化，因為它考慮了床層結構的可能變化。

圖6 表明在每一個初始氣速下1 號磁鐵礦粉(含細顆粒較多)的TSC都比2 號磁鐵礦粉(含粗顆粒較多)大。這意味著粗顆粒群的滯氣能力較差。細顆粒群由于分子間作用力大，有較高的膨脹率和較低的塌落速度，滯氣能力強。圖6 所呈現(xiàn)的這一規(guī)律為拓寬氣固流化床干法選煤加重質的粒度范圍提供了參考。

在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)當塌落過程結束時，床高Hs也呈規(guī)律性變化，具體如圖7 所示。

圖7 不同氣速下Hs 比較Fig.7 Comparison of height of settled bed at different gas velocities

當氣速高于某個特定值時，隨氣速增大床層靜止高度呈下降趨勢。對于本實驗中1 號、2 號磁鐵礦粉來說，這個特定值分別為6.5 cm/s 和7.6 cm/s。從圖7 也可以清晰地看出：2 組顆粒經過塌落過程后床層靜止高度與流化時高度趨勢相反。細顆粒群的膨脹率大，流化時床層高度高，但是，經過塌落過程后床層結構更加壓實，有部分細顆粒填充到粗顆粒之間的縫隙中，所以，靜止時床高反而低。而粗顆粒群該現(xiàn)象不明顯，所以，靜止時床高較高。

3 磁鐵礦粉的床層塌落機制及塌落速度計算模型

3.1 床層塌落塌落機制

以上是2 組顆粒的塌落曲線及結果的相關分析，由此可提出如圖8 所示的磁鐵礦粉顆粒床層塌落機理模型。

塌落前(t=0)：全床處于鼓泡流化狀態(tài)，超過最小流化速度那部分多余氣體以氣泡形式通過床層。濃相區(qū)顆粒濃度基本均一，對應的區(qū)域為A 區(qū)域。

氣泡逸出階段(0＜t＜ts)：突然切斷氣源后，床層開始塌落；隨著塌落過程的進行，氣泡迅速上升逸出床層，A 區(qū)域逐漸縮小，床層下部開始形成顆粒濃度較大的B 區(qū)域并逐漸增大。同時，床層底部形成濃度更高以致顆粒彼此接觸的密實相C 區(qū)域。當t=ts時，A 區(qū)域恰好消失，氣泡逸出階段結束。

圖8 塌落機理模型Fig.8 Model of collapse mechanism

受阻沉降階段(ts＜t＜t∞)：雖然B 區(qū)域中顆粒濃度較高，但是顆粒間仍然含有部分氣體，并且粗顆粒越多，這部分氣體越少。這是由于粗顆粒滯氣能力較差。受阻沉降階段即為B 區(qū)域顆粒間氣體的逸出過程。隨著這部分氣體進一步逸出，床層高度緩慢降低，床層底部密實相C 區(qū)域升高。當床層料面不再繼續(xù)下落時，全床呈現(xiàn)自然堆積狀態(tài)，此時，床高為Hs，塌落過程完成。

根據(jù)懸浮體系的沉降理論[18-20]，在沉降過程中，床層內的顆粒濃度呈現(xiàn)上稀下濃的不均勻分布，因此，床層底部的密實區(qū)在塌落初期就出現(xiàn)。嚴格地說，在氣泡逸出階段不排除有床層底部的濃相氣體逸出，但是，由于氣泡逸出階段塌落速度高于受阻沉降階段平均塌落速度20 多倍，因此，B 和C 區(qū)域壓縮對氣泡逸出階段氣體逸出量的影響可以忽略不計。

3.2 塌落速度計算模型

假設磁鐵礦粉塌落時只有一個塌落速度存在，這是由于氣泡逸出所造成的。顯然對含細顆粒較多的1號磁鐵礦粉該模型計算誤差會偏大。

在穩(wěn)態(tài)流化時，氣泡的平均停留時間為

以氣泡形式通過床層的體積流率為

式中：Q 為氣體體積流率，m3/s；Qmf為臨界流化下的體積流率，m3/s。

而氣泡的滯留量為

當氣源切斷后，床中殘存氣泡的平均停留時間為：

假設氣泡上升速度和體積濃度隨床層高度沒有顯著變化(在氣泡逸出相中，塌落速度為常數(shù)這一實驗事實證明了以上假設)，并且氣源切斷后氣泡上升速度不變，此時流化床層內氣相體積的減少速率為

而床層表面的塌落速度為

式中：A 為床層截面積，m2；U 為氣體流速，m/s；Umf為最小流化速度，m/s。

為驗證理論模型用于測量氣固流化床床層塌落速度的可靠性，采用Origin 數(shù)據(jù)處理軟件結合計算公式對實驗過程中所測定的數(shù)據(jù)進行分析及處理。圖9 所示為2 號磁鐵礦粉Uc計算值與測量值的對比。

圖9 不同氣速下Uc 計算值與測量值比較Fig.9 Comparison of calculated values and measured values on collapse rate

從圖9 中Uc公式計算值與實際測量值的比較可知：兩者變化趨勢一致，在流化床達到穩(wěn)定流化后，吻合度較高，而且氣速越高，兩者差值越小。這說明理論所得的塌落速度計算模型能夠很好地用于估算流化床的床層塌落速度。部分氣速下差別較大，其原因是：一方面，是實驗過程中所產生的實驗誤差；另一方面可能是氣源切斷后在風包內的壓力降到常壓以前，氣流會繼續(xù)向流化床內供氣造成的影響。

4 結論

(1) 選煤用磁鐵礦粉的床層塌落呈現(xiàn)出 B 類顆粒塌落特征，只是在細顆粒含量較多時才表現(xiàn)出類似A 類顆粒的塌落行為。

(2) 顆粒的粒度組成對塌落行為影響較為明顯：當細顆粒含量較多時，流化床層膨脹率較高，塌落結束時床層高度反而低，標準塌落時間也較長。

(3) 粗顆粒滯氣性能較差，氣體迅速從顆粒之間溢出。所以，氣固流化床干法選煤加重質應該在保證床層穩(wěn)定性的前提下有一定含量的細顆粒，在一定程度上有助流作用。

(4) 根據(jù)理論推導得出一個適用于氣固流化床床層 塌 落 速 度 測 定 的 計 算 模 型Uc=(U -Umf)4 Hf/(Hf+Hs)，其計算值與實際測量值吻合較好。

[1] 駱振福, 趙躍民. 流態(tài)化分選理論[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學出版社, 2002: 45-46.LUO Zhenfu, ZHAO Yuemin. Separation theory of fluidization[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2002: 45-46.

[2] 賀靖峰, 趙躍民, 何亞群, 等. 濃相氣固高密度流化床內的氣泡動力學行為特性[J]. 煤炭學報, 2012, 37(2): 295-300.HE Jingfeng, ZHAO Yuemin, HE Yaqun, DUAN Chenlong, et al. Dynamic fluid bubble behaviors in the dense gas-solid fluidized bed with high densities[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37(2): 295-300.

[3] 徐守坤, 管玉平, 陳清如, 等. 空氣重介質流化床氣泡行為及其對分選的影響[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2001, 30(3): 268-271.XU Shoukun, GUAN Yuping, CHEN Qingru, et al. Bubble performance of air dense medium fluidized bed and its effects on coal preparation[J]. Journal of China University of Mining &Technology, 2001, 30(3): 268-271.

[4] 周云龍, 宋連壯, 周紅娟, 等. 基于圖像處理的氣固流化床中氣泡行為的分析[J]. 化工自動化及儀表, 2011, 38(1): 60-64.ZHOU Yunlong, SONG Lianzhuang, ZHOU Hongjuan, et al.Bubble behavior analysis in gas-solid fluidized bed based on mage processing technology[J]. Control and Instruments in Chemical Industry, 2011, 38(1): 60-64.

[5] 郭慕孫, 李洪鐘. 流態(tài)化手冊[M]. 化學工業(yè)出版社, 2008:297-304.GUO Musun, LI Hongzhong. Handbook of fluidization[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2008: 297-304.

[6] Cherntongchai P, Brandani S. A model for the interpretation of the bed collapse experiment[J]. Powder Technology, 2005,151(1/2/3): 37-43.

[7] 王垚, 金涌, 魏飛, 等. 納米級SiO2顆粒流化床的塌落行為[J].化工學報, 2001, 52(11): 957-962.WANG Yao, JIN Yong, WEI Fei, et al. Bed collapse behavior of SiO2nano-particles[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2001, 52(11): 957-962.

[8] 韋魯濱, 陳清如, 邢洪波, 等. 氣固流化床中粗粒的沉降行為[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2000, 29(2): 136-139.WEI Lubin, CHEN Qingru, XING Hongbo, et al. Settling behavior of coarse particles in gas-solid fluidized bed[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2000, 29(2):136-139.

[9] SONG Shulei, ZHAO Yuemin, LUO Zhenfu, et al. Motion behavior of particles in air-solid magnetically stabilized fluidized beds for separation[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2012, 22(5): 725-729.

[10] 王銘華. 電路板塑料顆粒流化床資源化技術研究[D]. 東營:中國石油大學, 2008.WANG Minghua. Experimental investigation on resource technology of scrap printed circuit boards particles using fluidized bed[D]. Dongying: China University of Petroleum,2008.

[11] 李彥, 陳爽, 王銘華, 等. 超細顆粒表面改性后床層塌落行為研究[J]. 化學工程與裝備, 2006(1): 13-16.LI Yan, CHEN Shuang, WANG Minghua. Research of bed collapse behavior of ultrafine particle after surface modified[J].Chemical Engineering & Equipment, 2006(1): 13-16.

[12] 金涌, 俞芷青, Rowe P N, 等. 采用床層塌落技術測量氣-固流化床濃相空隙率[J]. 化工學報, 1988(2): 137-143.JIN Yong, YU Zhiqing, Rowe P N, et al. On the bed collapse technique for measuring dense phase voidage of a gas fluidized bed[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 1988(2):137-143.

[13] 楊子平, 董元吉, 郭慕孫. 應用床層塌落法判別流態(tài)化特征[J]. 化工冶金, 1983(3): 5-15.YANG Ziping, DONG Yuanji, GUO Musun. Characterizing fluidization by the bed collapsing method[J]. Chemical Metallurgy, 1983(3): 5-15.

[14] Giovanna B, Paola L, David N, et al. The influence of fines size distribution on the behavior of gas fluidized beds at high temperature[J]. Powder Technology, 2006, 163(1/2): 88-97.

[15] Chaim G, Alexander G, Herbert W. A model for the collapse of a fluidized bed[J]. Advanced Powder Technology, 2005, 16(1):49-59.

[16] Lettieri P, Newton D, Yates J G. High temperature effects on the dense phase properties of gas fluidized beds[J]. Powder Technology, 2001, 120(1): 34-40.

[17] Jean R H, Rhonda J E, et al. Fluidization behavior of polymeric particles in gas-solid fluidized beds[J]. Chemical Engineering Science, 1992, 47(2): 325-335.

[18] 唐利剛, 朱慶山, 段晨龍, 等. 干擾流化床中細粒煤散式流化特性數(shù)值模擬研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2012, 41(1): 86-90.TANG Ligang, ZHU Qingshan, DUAN Chenlong, et al.Simulation study of particulate fluidization characteristics of fine coals in hindered fluidized bed[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2012, 41(1): 86-90.

[19] 楚振峰, 解京選, 李延鋒, 等. 液固流化床中物料屬性對固體混合物分布的影響[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2012, 41(4):620-623.CHU Zhenfeng, XIE Jingxuan, LI Yanfeng, et al. Effect of properties of materials on solids distribution in a binary mixture liquid-solid fluidized bed[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2012, 41(4): 620-623.

[20] SHA Jie, XIE Guangyuan, WANG Hong, et al. Effect of the column height on the performance of liquid-solid fluidized bed for the separation of coarse slime[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2012, 22(4): 585-588.