孟 齊,李桂春

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

目前，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中煤炭占較大比重，發(fā)電廠仍以火電廠為主，從而加劇了大氣的污染?；鹆Πl(fā)電機(jī)組中，制粉系統(tǒng)尤為重要，在這個(gè)環(huán)節(jié)中煤炭被充分破碎到一定粒徑以下，煤炭中的礦物質(zhì)和煤粉充分分離，在粗粉分離器的作用下，大塊煤粉與密度較大的硫鐵礦等礦物質(zhì)返回磨煤機(jī)繼續(xù)研磨，僅有少量礦物質(zhì)被分離出來(lái)。在效益逐漸減少的形勢(shì)下，很多電廠開始摻燒含硫量和礦物質(zhì)比較高的劣質(zhì)煤[1]，導(dǎo)致大量的硫鐵礦和其他礦物質(zhì)繼續(xù)進(jìn)入磨煤機(jī)研磨，并進(jìn)入爐膛燃燒，使磨煤機(jī)能耗增加，產(chǎn)生大量的SO2等污染物，增加了煙氣處理成本。此外硫鐵礦等礦物質(zhì)的燃燒，增加了爐膛結(jié)渣率，降低了鍋爐效率[2-3]。因此在燃燒前對(duì)煤粉進(jìn)行脫硫提質(zhì)處理對(duì)于火電廠具有重要意義。

近年來(lái)干法選煤技術(shù)[3]已經(jīng)較成熟，如空氣重介質(zhì)流化床[4]、脈動(dòng)氣流分選[5]、跳汰技術(shù)[6]以及復(fù)合干法選煤技術(shù)[7]已經(jīng)或即將用于煤炭的工業(yè)分選。其中在氣固流態(tài)化技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了完整的流態(tài)化分選體系，包括影響氣固流化床分選過(guò)程的因素和條件[8]，流化床中氣固兩相的流化特性[9-11]，流化床內(nèi)顆粒的分離規(guī)律[12-15]，這些研究都為利用流態(tài)化技術(shù)分選細(xì)煤粉帶來(lái)可能[16]。何玉榮等[17]對(duì)鼓泡流化床氣固兩相流進(jìn)行了模擬研究，建立了氣固兩相流計(jì)算模型，引入歐拉-拉格朗日，得出在不同的床層高度，顆粒的平均運(yùn)動(dòng)速度分布隨著高度的升高而增加的結(jié)論。張亞恒[18]針對(duì)粒徑<1 mm的電廠磨煤機(jī)返料進(jìn)行模擬研究，對(duì)流化床中顆粒運(yùn)動(dòng)形態(tài)和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明返料流化效果比較好，對(duì)于高密度顆粒分選效率可以達(dá)到20%左右，可燃體回收率90%。王帥[19]以電廠磨煤機(jī)返料作為研究對(duì)象，采用模擬和試驗(yàn)的方法進(jìn)行脫硫降灰研究，利用示蹤法模擬研究硫鐵礦在流化床中的運(yùn)動(dòng)軌跡，搭建振動(dòng)流化床試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際分離硫鐵礦等礦物質(zhì)，結(jié)果表明密度大的礦物質(zhì)會(huì)在流化床底部聚集，密度小的顆粒會(huì)上浮在床層上部，將床層分為上下4層，最上層顆粒與底層顆?；曳植钪悼蛇_(dá)45%，可燃體回收率為88.64%，驗(yàn)證了利用氣-固流化床分選磨煤機(jī)返料的可行性。

本文將流態(tài)化分選技術(shù)引入制粉系統(tǒng)，對(duì)返料進(jìn)行流化分選試驗(yàn)，研究返料在試驗(yàn)裝置中的流化規(guī)律，在滿足磨煤機(jī)排渣率不高于2%的前提下，對(duì)硫化鐵等礦物質(zhì)進(jìn)行分離，并利用工業(yè)分析、X熒光光譜儀和全硫測(cè)定來(lái)分析試驗(yàn)的分選效果，研究利用流態(tài)化技術(shù)對(duì)磨煤機(jī)返料分選提質(zhì)的可行性。

1 磨煤機(jī)返料分析

樣品取自貴州某電廠在磨煤機(jī)返料口，經(jīng)工業(yè)分析和元素分析，測(cè)得其灰分為48.6%，全硫含量為2.51%，F(xiàn)e元素含量為2.11%，硫鐵礦含量比較高。稱取樣品150 g，利用標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)進(jìn)行篩分，篩孔粒徑分別為0.880、0.630、0.450、0.220和0.105 mm，其粒徑分布如圖1所示。可以看出，煤粉粒徑主要分布在<0.45 mm，其中主導(dǎo)粒徑為0.45～0.22 mm和0.220～0.105 mm，含量分別達(dá)到47.4%和18.8%。

圖1 物料粒徑分布Fig.1 Material particle size distribution

對(duì)各個(gè)粒徑進(jìn)行灰分和全硫測(cè)定，結(jié)果見表1。各粒徑下灰分接近，說(shuō)明煤塊破碎較均勻;粒徑<0.105 mm的煤粉全硫含量最低，與礦物質(zhì)相比，煤的硬度較低，所以煤炭更易被破碎到小粒徑，而較多含硫礦物粒徑集中于0.105 mm以上;在粒徑>0.45 mm的顆粒中，灰分和全硫含量呈不規(guī)律性，這是由于此粒徑下煤與硫鐵礦還未完全分離，且粒徑較大，總含碳量較高，需要返回磨煤機(jī)繼續(xù)研磨。

表1 主要粒徑分析Table 1 Main particle size analysis

2 流化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

圖2為流態(tài)化分離試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置由供風(fēng)系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗(yàn)臺(tái)主體組成，其主體部分為環(huán)形，在頂部設(shè)有排風(fēng)口，風(fēng)室在試驗(yàn)臺(tái)底部，經(jīng)閥門的調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)可以提供0～0.8 MPa的風(fēng)壓，在內(nèi)圓處收集分選后輕物質(zhì)，環(huán)形底部設(shè)有排渣孔，用于收集重物質(zhì)，在滿足開孔率的前提下，風(fēng)帽采用鐘罩式，避免煤粉倒流。

圖2 流態(tài)化分離試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of fluidized separation test system

2.2 分選試驗(yàn)

每次取磨煤機(jī)返料3 kg，共進(jìn)行3組試驗(yàn)，取不同的分選率(分離后床室中重樣所占比例)，比較不同試驗(yàn)的分選效果。取樣后加入流化床試驗(yàn)裝置中，并使物料分布均勻，記錄床層高度(物料均勻的情況下物料層厚度)為80 mm。打開風(fēng)機(jī)通風(fēng)，通過(guò)控制閥門逐漸增加風(fēng)量和風(fēng)速，觀察流化情況，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄床室內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的壓力變化。床室內(nèi)物料依次經(jīng)歷固定床、鼓泡床和快速流態(tài)化，隨著風(fēng)速和風(fēng)量的增加，床層孔隙率增加，部分煤粉作為輕樣被機(jī)械性攜帶進(jìn)入內(nèi)環(huán)儲(chǔ)存室中，剩余的重物質(zhì)作為重樣被排渣孔排出。每增加一次風(fēng)速，保持10 min，間隔記錄3組壓力數(shù)據(jù)，取算數(shù)平均根。壓力穩(wěn)定后關(guān)閉閥門，物料靜止穩(wěn)定后記錄床層高度，以此高度確定分選率，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行排渣，此時(shí)重物質(zhì)質(zhì)量占試驗(yàn)原物料的比例即為本次試驗(yàn)的真實(shí)分選率。3組試驗(yàn)的分選率分別為25.0%、18.3%和15.4%，最大風(fēng)速分別為1.1、1.3和1.7 m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流化特性曲線

通過(guò)床層的氣流速度不同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)呈現(xiàn)不同的流化狀態(tài)，床層的壓降也會(huì)隨之變化。結(jié)合3組試驗(yàn)，利用“上行”試驗(yàn)方法得到流化特性曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯陲L(fēng)速較低時(shí)，床層壓降隨風(fēng)速的增加而急劇增加，為固定床狀態(tài);當(dāng)風(fēng)速達(dá)到0.12 m/s時(shí)，床層壓降達(dá)到最大值0.23 kPa，開始進(jìn)入臨界流化床狀態(tài)，即本試驗(yàn)的臨界流化速度為0.12 m/s;隨著風(fēng)速的增加，床室內(nèi)的煤粉開始流化，并逐漸出現(xiàn)分層現(xiàn)象，此時(shí)密度和粒徑較大的顆粒開始積聚在下層，小顆粒煤粉顆粒積聚在上層;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到0.51 m/s(即鼓泡速度)并繼續(xù)增加時(shí)，床層開始出現(xiàn)氣泡，床層內(nèi)顆粒交換頻繁加劇(圖3中A區(qū)域)，風(fēng)速繼續(xù)增加，氣泡的上升速度和氣泡體積逐漸增大，出現(xiàn)揚(yáng)析和夾帶等現(xiàn)象，將一小部分細(xì)小顆粒煤粉帶出床室，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)儲(chǔ)粉倉(cāng)中，由于床層的不穩(wěn)定和床料的減少，床層壓降有所降低;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到0.72 m/s后，物料開始進(jìn)入快速流態(tài)化狀態(tài)，床層波動(dòng)加劇(圖3中B區(qū)域)，出現(xiàn)氣流的機(jī)械性攜帶，將密度和粒徑比較小的煤粉帶出床室，實(shí)現(xiàn)煤粉中高密度硫鐵礦和低密度煤粉的進(jìn)一步分離。

圖3 流化特性曲線Fig.3 Fluidized property curve

3.2 粒度分析

對(duì)試驗(yàn)后的輕樣和重樣進(jìn)行粒徑篩分，粒徑分布如圖4所示。3組試驗(yàn)的顆粒分布規(guī)律基本相同，輕樣中煤粉粒徑集中在<0.45 mm，其中粒徑在0.220～0.105 mm的煤粉占55%以上，<0.105 mm的煤粉占14.9%以上，且隨著分選率的降低，這2個(gè)粒徑范圍的顆粒含量有所減少，粒徑>0.45 mm的煤粉含量幾乎為0;重樣中粒徑>0.45 mm的物料占主導(dǎo)，且隨著分選率的降低，粒徑<0.45 mm的顆粒比例逐漸減小。3組試驗(yàn)中，粒徑<0.22 mm的煤粉占試驗(yàn)原樣的比例分別為4.51%、2.93%和1.98%，0.45～0.22 mm的煤粉所占比例分別為7.03%、5.63%和5.02%。

圖4 分離后輕樣和重樣粒徑分布Fig.4 Distribution of light and heavy samples after separation

3.3 主要元素分析

3.3.1 全硫含量

煤粉中的全硫含量有85%來(lái)自硫鐵礦，所以對(duì)分離后重樣的各個(gè)粒徑進(jìn)行了全硫測(cè)定，如圖5所示。3組試驗(yàn)重樣中，各粒徑全硫含量變化趨勢(shì)基本相同，隨著粒徑的增加，全硫含量降低，說(shuō)明分選效果較理想，顆粒按照密度和顆粒實(shí)現(xiàn)了分離。小顆粒中，由于硫鐵礦的密度較大，因此相同體積下所受的重力較大，不易被氣流攜帶出床室;大顆粒中，由于顆粒體積較大，很難被分離出來(lái)，這部分煤粉需要進(jìn)入磨煤機(jī)再次研磨成為小顆粒煤粉。結(jié)合圖4分析，<0.105 mm的煤粉含量在0.1%以下，且全硫含量與試驗(yàn)前的煤樣一致，這是由于排渣孔的存在，導(dǎo)致有很少的煤粉沒(méi)有得到流化分選，但這對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。

圖5 分離后重樣中各粒徑全硫含量Fig.5 Total sulfur content of each particle size in the resample after separation

粒徑在0.220～0.105 mm的顆粒全硫含量在12%以上，是試驗(yàn)原樣的4倍，硫鐵礦在此粒徑下得到了富集，且隨著分選率的降低，富集效果越明顯。試驗(yàn)3中風(fēng)速為1.7 m/s時(shí)，分選率為15.4%，全硫含量高達(dá)15.5%，接近于純硫鐵礦全硫含量。3組試驗(yàn)中粒徑在0.45～0.22 mm的煤粉，全硫含量在4%左右，比試驗(yàn)原樣增加了53%，富集效果沒(méi)有小粒徑煤粉明顯，這是由于風(fēng)速和風(fēng)壓還沒(méi)有達(dá)到該粒徑下的富集程度，隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，硫鐵礦會(huì)在這一粒徑下富集，但是<0.22 mm的顆粒會(huì)全部作為分離輕樣被氣流攜帶至儲(chǔ)煤倉(cāng)中，導(dǎo)致很多硫鐵礦得不到分離。

3.3.2 Fe元素分析

為進(jìn)一步確定硫鐵礦的分選效果，利用X熒光光譜儀對(duì)重樣中0.220～0.105 mm的顆粒進(jìn)行Fe元素分析，如圖6所示。在同一煤種中，光譜的能量強(qiáng)度與元素含量呈正相關(guān)。試驗(yàn)原樣中Fe元素含量?jī)H為2.11%，而試驗(yàn)1中Fe元素含量最低，為3.50%，試驗(yàn)3效果最為明顯，F(xiàn)e元素含量達(dá)到9.01%，是原樣的4倍多，進(jìn)一步說(shuō)明硫鐵礦在粒徑0.220～0.105 mm得到了富集，分選效果較好。

圖6 粒徑在0.220～0.105 mm的顆粒能譜Fig.6 Energy spectra of 0.220-0.105 mm

對(duì)試驗(yàn)3重樣中0.45～0.22 mm的顆粒進(jìn)行測(cè)定，并與0.220～0.105 mm的顆粒進(jìn)行比較，如圖7所示。0.45～0.22 mm粒徑的顆粒，F(xiàn)e元素含量為2.32%，比試驗(yàn)原樣略高，說(shuō)明在此粒徑下，硫鐵礦因?yàn)轱L(fēng)速低未得到富集，且硫鐵礦與煤未充分分離，存在煤中帶礦現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研磨分離。

圖7 試驗(yàn)3重樣中0.220～0.105 mm和0.45～0.22 mm顆粒光譜Fig.7 Spectra of 0.220-0.105 mm and 0.45-0.22 mm in heavy sample of test 3

3.4 灰分變化及可燃體回收率

結(jié)合全硫和Fe元素分析，粒徑>0.22 mm的煤粉未得到充分研磨，利用工業(yè)分析儀對(duì)3組試驗(yàn)重樣中>0.45、0.45～0.22和0.220～0.105 mm三個(gè)粒徑區(qū)間的煤粉進(jìn)行灰分分析，如圖8所示。

圖8 3組試驗(yàn)重樣不同粒徑下的灰分Fig.8 Ash content of different particle sizes in the three experiments

由圖8可知，灰分隨粒徑的增大而減少，粒徑>0.45 mm時(shí)，3組試驗(yàn)的灰分幾乎相同，為53%左右，稍高于原樣的48%;粒徑0.45～0.22 mm的顆粒，灰分隨著分選率的降低而增加，其中試驗(yàn)3含量最高，為65.61%;粒徑0.220～0.105 mm的顆粒，灰分均在70%以上，其中試驗(yàn)3灰分最高，達(dá)到72.3%，說(shuō)明當(dāng)粒徑<0.22 mm時(shí)，對(duì)礦物質(zhì)的分選效果最好，分離出來(lái)的顆?；緸椴豢扇嫉V物質(zhì)。

對(duì)3組試驗(yàn)的分離輕樣進(jìn)行灰分測(cè)定，得出試驗(yàn)1、2、3輕樣灰分分別為43.48%、45.69%、44.91%，結(jié)合原樣灰分為46.91%，利用式(1)[16]計(jì)算可燃體回收率，得出試驗(yàn)1的可燃體回收率僅為79.82%，試驗(yàn)3最高，為87.79%。

(1)

式中，E為可燃體回收率;Ady為原樣灰分;Adq為輕樣灰分;γf為分選率。

如果將分離重樣按照粒徑進(jìn)行二次分離，將>0.22 mm的煤粉返回磨煤機(jī)繼續(xù)研磨，<0.22 mm的煤粉作為排渣排出，結(jié)合此粒徑下灰分高達(dá)70%以上，可燃體回收率可接近100%。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合3組試驗(yàn)得出磨煤機(jī)返料在3 kg物料下的流化特性曲線，起始流化速度為0.12 m/s，床層最大壓降為0.23 kPa，起始鼓泡速度為0.51 m/s，進(jìn)入快速流態(tài)化的速度為0.72 m/s。

2)經(jīng)流化分選后，輕樣粒徑主要分布在<0.45 mm，重樣主要分布在>0.45 mm。隨分選率的降低，重樣中<0.22 mm的顆粒逐漸降低，分選率為15.4%時(shí)其占比1.98%，滿足制粉系統(tǒng)排渣率2%的要求。

3)在重樣分離中，粒徑為<0.22 mm的全硫含量和Fe元素含量比較高;當(dāng)分選率為15.4%時(shí)，此粒徑下含量最高，全硫含量為15.5%，F(xiàn)e元素含量為9.01%，硫鐵礦得到了富集。

4)當(dāng)分選率為15.4%時(shí)，可燃體回收率為87.79%;如果將重樣中<0.22 mm的顆粒去除，可燃體回收率可接近100%。