基于脉动气流的不同颗粒流化特性研究

(中国矿业大学 化学与环境工程学院，江苏 徐州 221000)

煤炭是我国的主体能源，且这一格局在相当长的时间内不会改变。但我国煤炭资源禀赋差，开发利用过程中产生了较大的环境污染，燃煤造成的SO2、烟尘排放量分别占总排放量的85%和70%,这也是近年来我国出现大规模、大面积雾霾污染的原因之一。我国水资源虽在总量上位居世界第六，但由于人口基数大，人均年水资源拥有量仅为世界人均水资源量的1/4，且水资源地域分布极为不均。我国煤炭大多分布在水资源短缺地区，不宜采用湿法分选，尤其褐煤等遇水易泥化的低阶煤更不宜采用湿法分选技术加工提质[1]。水资源短缺也是全球性问题，发展符合全球利益的高效干法选煤技术迫在眉睫[2]。

近年来，我国干法选煤技术得到迅猛发展。复合式干法选煤技术采用气流与振动复合作用方式，用于煤炭的排矸。FGX系列复合干法分选机分选效率达90%以上，可能偏差为0.13～0.2[3-4]。射线分选技术利用了不同物理性质的物料能够不同程度的吸收射线的原理，由物料透射出的射线强度就能反映出物品物质组成。煤和矸石物理性质不同，通过射线的照射进行数字化识别，最终排出矸石，可能偏差为0.05～0.15[5]。中国矿业大学对空气重介流化床选煤展开了深入研究，采用Geldart B类磁铁矿粉作为加重质，形成密度均匀稳定的气固悬浮体，对入选煤炭按密度分选，可能偏差达到0.05～0.08[6]。随着工业采煤设备机械化、大型化，导致原煤中的细粒煤含量逐渐增多。国际选煤科技工作者对细粒煤干法分选技术开展了大量的研究工作，开发出的气固两相流细粒煤分选技术主要包括空气重介质振动流化床细粒煤分选技术、振动流化床细粒煤分选技术、浓相脉动流化床分选技术、振动逆流干法分选机、磁稳定重介质流化床分选技术等[7]。加拿大学者Beeckmans[8]研制了链动逆流流化床半工业性选煤装置，可能偏差值达0.035 g/cm3，文献[9]报道了一种交错进气式的脉动流化床来实现颗粒层的脉动流态化效果。其中脉动流化床所用Geldert B类加重质分选1～6 mm细粒煤可能偏差为0.09～0.16[10]，分选精度还有待提高。Geldert B类颗粒粒径较大，床层膨胀率低，床层密度高，气泡聚并严重，气泡随床高变大，到达床层表面破裂，颗粒混返，影响流化质量[11]。因此迫切的需要一种适用细粒煤分选的加重质，使细粒物料受到床层整体的浮力作用，降低空气重介流化床的分选下限，实现细粒煤的高效分选[12]。

本工作采用Geldert A、Geldert B磁铁矿粉作为加重质开展实验研究，绘制Geldert A与Geldert B颗粒基于脉动流化床的最小流化速度与脉动频率关系图;研究不同床层高度的压力波动特性；分析密度波动标准差，表征床层颗粒系统的流化效果。

1 试验系统与材料

脉动流化床干法分选试验系统(图1)由鼓风机、稳压罐、流量计、电动蝶阀、变频器、压力采集系统，分选流化床等组成。分选流化床是由有机玻璃制成的直径200 mm的圆柱体，静床层高度为100 mm。压缩空气由鼓风机产生，经过稳压罐稳定输出气流，转子流量计来测量流量，电动蝶阀旋转产生流量周期性变化的脉动气流，脉动气流频率由变频器控制电动机转速调节。试验设置了五个微压差传感器，距离布风板距离为20、40、60、80和100 mm，编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，其量程为2 500 Pa，输出信号为0～5 V，激励电压为24 V。数据采集器为NI usb-6361-BNC型。采用 Coinv DASP软件进行压力信号的采集，并可对所采集的压力信号进行转换。本试验选择Geldert A、Geldert B类磁铁矿粉颗粒作为加重质，其性质列于表1。

1—鼓风机；2—稳压罐；3—转子流量计；4—手动阀；5—变频器；6—蝶阀；7—流化床；8—压力传感器；9—转换器；10—电脑图1 试验与测试装置Fig. 1 Testing device

表1 试验用颗粒物理性质参数

2 结果与讨论

2.1 最小流化速度

流化特性曲线中，气速决定颗粒此时所处的的流化阶段，颗粒所受力一般为重力、浮力、气体曳力等力的综合作用，低气速下，气体未能打破颗粒原有的受力平衡，气流给予颗粒的向上的浮力及曳力不足以克服阻力，颗粒处于尚未流化状态，此为第一阶段。在较高的气速下，浮力及曳力增大，大于颗粒自身重力便向上运动，颗粒由紧密压实转化为松散状态，此为第二阶段。如图2～3所示，在颗粒A流化特性曲线中，第一阶段向第二阶段过渡过程中产生了突变，且随着脉动频率增加，突变点逐渐消失。颗粒A在低频低气速情况下，床层为固定床，由于气流穿过床层时产生能量耗散，下层颗粒有向上运动的趋势，上层颗粒基本不动，到达一定气速后，由于细颗粒互相粘附，颗粒之间具有较强的作用力，颗粒形成活塞向上运动，气体突破床层则床层压降下降，因此有突变点出现。在脉动频率与气流的协同作用下，床层进入完全流化，此时的表观气速即为最小流化速度。脉动频率越大，在相同的浮力及曳力作用下，颗粒振荡作用越强，床层越松散，颗粒之间的空隙越大，气固接触率越高，颗粒之间及颗粒与床层边壁之间作用力越小，则最小流化速度越小[13]。而且流化床阶段床层的压降基本处于稳定值，将此时的颗粒近似的看作处于动态平衡状态，曳力与浮力的合力与重力相抵消，方程式表现为：

FD+Fb=FG。

(1)

其中：FD为颗粒所受流体曳力，Fb为颗粒所受浮力，FG为重力。

颗粒所受曳力可表示为：

FD=ΔpfA。

(2)

其中:Δpf为床层压降，A为流化床横截面积。

浮力可表示为：

Fb=ρgVs=ALρg(1-ε)。

(3)

其中：ρ为空气密度，Vs为流化床床层的体积，L为流化床床层高度，ε为床层空隙率。

重力为:

FG=mg=ALρsg(1-ε)。

(4)

其中：ρs为颗粒密度，m为颗粒总质量。

因此合力方程可表现为：

Δpfg=mg-ρgVs=AL(1-ε)(ρs-ρ)g。

(5)

上述公式又可表示为：

(6)

即流化床床层阻力与单位面积中颗粒总重力相同，因此流化床阶段床层压降基本相同。

图2 不同脉动频率下气流速度对颗粒A床层压降的影响Fig. 2 Effect of airflow velocity on bed pressure drop of Geldert A particles at different frequencies

随着脉动频率升高，最小流化速度呈先减小后增大的趋势，如图4，颗粒A最小流态速度为5.68 cm/s，颗粒B为10.0 cm/s，颗粒A更易流化[14]。低频情况下，气流的开闭时间较长，气流打开阶段，床层流化，气流关闭阶段则床层塌落，且在时间充足的情况下塌落成为固定床，随着脉动频率增加，最小流化速度变小，消除临界流态点时颗粒间的“锁链”效果变好[15-16]。当脉动频率超过最佳频率时，最小流化速度增大，是由于此时脉动的周期性小，整个床层趋于连续流化，脉动效果变差。

图3 不同脉动频率下气流速度对颗粒B床层压降的影响Fig. 3 Effect of airflow velocity on bed pressure drop of Geldert B particles at different frequencies

2.2 床层压力波动

试验测量了床层中不同高度处的压力波动，流化床压力波动是气泡运动造成的[17]，但流化床内其他因素对其也有影响，压力波动信号受到这些综合因素的协同作用。波动形态和幅值是波动现象的重要表征，波形表示压力波动的类型，幅值表征波动的强度[18]。图5是以采集的压力信号为原始数据，转换成压力为0做基线的压力信号波动图。从布风板到床层表面，波动幅值依次减小，周期性减弱。由于脉动气流的强制振动能量在床层中衰减，到达床层表面过程中，能量被颗粒不断吸收，造成信号的削弱，且气体所产生的气泡在床层表面破裂，引起颗粒动荡混返，产生了除脉动频率所引起的波动之外的二次波动。

此外，脉动气流开始和结束时亦存在二次波动[19]，其过程如下：当气流速度大于最小流化速度时，颗粒受浮力及曳力作用，处于膨胀状态；气流速度衰减至最小流化速度以下时，升力不足以支撑颗粒运动，床层底部颗粒开始塌落，储存在颗粒中的气体由于惯性会继续向上运动，此时上层颗粒仍处于流化状态。脉动气流完全关闭时，中上层颗粒开始向下塌落，而表面颗粒会出现延迟现象，仍存在短暂的流化，因此产生了二次波动。二次波动剧烈，气泡和附加运动干扰了此时的流化状态，意味着分选物料在床层中不仅仅按密度沉降，二次波动会加剧其混返程度。

图4 最小流化速度随气流脉动频率的影响Fig. 4 Effect of minimum fluidization velocity on the frequency of air pulsation

(a)20 mm；(b)40 mm；(c)60 mm；(d)80 mm图5 脉动频率为3.49 Hz时床层压力波动Fig. 5 Bed pressure fluctuation at 3.49 Hz frequency

2.3 床层密度特性

床层密度的均匀稳定是实现物料有效分选的前提保证。在流化床中床层密度分布不均主要是因为气泡的产生造成了床层波动。由于脉动波在流化床中向加重质颗粒传递能量及脉动对气泡产生破碎作用，抑制了气泡的生成、长大，使床层中气相流动稳定，床层密度波动变小。为进一步研究颗粒A和颗粒B的流化床层的密度是否具有一定均匀稳定性及均匀性大小，对不同操作条件下采集的信号进行密度标准差分析，得到如图6、图7所示的标准差与气速和脉动频率的关系图，随着气速和脉动频率的增大，标准差均出现先减小后增大的趋势。在低频及低气速状态下，床层中的气泡在床层中产生、兼并、长大、破碎，严重影响了床层的密度稳定性；脉动频率增大，气流的强制振动能量抑制了气泡的产生，使床层平稳流化；在高频及高气速区，床层中气泡产生的频率越来越快，小气泡聚并成大气泡，大气泡破裂，造成床层扰动增大，且湍流下的颗粒也破坏了床层稳定性，使密度标准差增大。对于颗粒A，当脉动频率为3.49 Hz，流化数为1.3时，标准差最小；颗粒B，脉动频率为5.24 Hz，流化数为1.3时，标准差最小。随着颗粒粒度的增大，密度标准差增大，床层的均匀性变差。颗粒A床层中气泡平稳，波动不剧烈，具有较好的流化质量,适合流化床分选，物料在其中按密度进行分层并为其选择合适的分选气速范围提供依据。

3 结论

1) 颗粒受重力、浮力、曳力作用，随着流速增大，打破受力平衡时颗粒开始流化，Geldert A类颗粒流化特性曲线在由固定床衍变到流化床状态时有突变点并逐渐达到稳定值，脉动频率增大，颗粒间静摩擦力减小而突变点逐渐消失，两种颗粒最小流化速度均先减小后增大，脉动气流的强制能量有助于降低颗粒最小流化速度。Geldert A类颗粒在低频状态下就可达到最小流化速度，且最小流化速度的值较Geldert B类颗粒低，Geldert A类颗粒比Geldert B类颗粒更易流化。

图6 颗粒A密度波动标准差随气速与气流脉动频率的变化Fig. 6 Variation of standard deviation of density fluctuation of Geldert A particles with gas velocity and airflow frequency

图7 颗粒B密度波动标准差随气速与气流脉动频率的变化Fig. 7 Variation of standard deviation of density fluctuation of Geldert B particles with gas velocity and airflow frequency

2) Geldert A类颗粒流化床层中存在二次波动，气体在床层塌落时向上运动使床层表面颗粒有短暂的流化，干扰床层正常流化，加剧颗粒混返。

3) Geldert A类颗粒密度标准差随脉动频率和气速的增大呈先减后增的趋势，最小密度标准差值也较低，因此颗粒A使所分选物料在床层中按密度分层的能力较强，适合细粒物料的分选。

4) 脉动流化床流化特性的研究为深入探讨其密度稳定性、为干法选煤分选细粒煤提供了提论基础，后续实验基于本实验继续研究气固两相流的分布，发展床层稳定性理论。