细粒煤磁稳定气固流化床流化特性及分选提质

2021-10-30宋树磊张亚东赵鹏飞高天洋赵跃民

煤炭学报 2021年9期

张博，宋树磊，张亚东，赵鹏飞，高天洋，赵跃民

(1.中国矿业大学煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室，江苏徐州 221116; 2.中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221116)

煤炭在世界能源消费结构中占有重要地位，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。选煤是提高煤炭利用效率、降低煤炭污染的最有效途径，2020年我国原煤入选率为74.1%。传统选煤方法以湿法为主，而我国2/3以上煤炭分布在西部干旱缺水的地区，湿法选煤需消耗大量的水资源，与我国煤炭资源分布现状相矛盾，因此亟需煤炭的干法高效分选理论与技术研究[1-3]。

空气重介质流化床干法选煤技术是将气固两相流态化技术应用于选煤领域的一种高效分选方法，其特点是以气固两相悬浮体作为分选介质，入选物料在流化床中按密度分层，低密度颗粒上浮，高密度颗粒下沉，实现了不同密度和粒度颗粒的分离[4-5]。基于此原理，赵跃民等[6-7]研发了首套模块式空气重介质流化床干法选煤示范系统，实现了50～6 mm 级煤炭的高效干法分选。虽然块煤分选工艺已实现工业化，但细粒煤粒度较小，分选过程中其受到的床层浮力效应较弱，单纯依靠重力场进行分选精度较低，尚处于实验室研究阶段[8-9]，因此，为强化细粒煤按密度分层离析趋势，学者们提出引入外加能量使普通气固流化床形成外加力场气固流化床，增强气固接触效率，改善床层流态化质量，提高细粒煤在床层中的分选精度，将磁场引入气固流化床，形成磁场控制下的气固颗粒系统，即磁场流化床[10-12]。

国内外学者针对磁场流化床的颗粒运动规律、分选特性及流化床内部运动规律进行了系统的研究，揭示了磁场流化床的操作区域及流化特性，构建了流态化相图用以描述磁场流化床的流化状态[13];并通过对磁稳定流化床的机理研究，提出了磁场流化床稳定流化的判定准则并借助动力学模拟构建了磁场流化床的气固两相流模型[14]，近年来对于磁场流化床的研究多集中于不同条件下磁场流化床的流体动力学分析，通过对不同颗粒条件[15-17]、不同磁场条件[18]、不同操作参数[19-20]下磁场流化床内部颗粒受力和运动的分析，对磁稳定流化床进行了研究[21-22]，对复杂条件下的磁场流化床的气固两相流模型进行了完善[23-25]。在前期研究基础上对磁场流化床煤炭分选效果进行了探究，结果表明磁场流化床可对细粒煤粉进行有效的分选[26]，但对细粒煤磁场流化床分选过程中的磁场分布特性和流化特性研究仍有所欠缺，难以做到细粒煤磁场流化床分选过程中的精准调控。

针对细粒煤磁场流化床分选过程的分选特性问题，笔者采用磁稳定流化床对6～3 mm细粒级煤炭进行了试验研究。采用Geldart C类磁铁矿粉加重质替代常规Geldart B类磁铁矿粉加重质(在流化过程中，C类加重质可产生较小的气泡，流化效果更好)，研究了细粒煤磁场流化床分选过程中的磁场分布特性和流化特性，并进行了的分选试验，确定了细粒煤磁稳定流化床分选的最佳操作参数范围。

1 试验系统与材料

1.1 试验系统

本研究采用的磁稳定分选流化床试验系统如图1所示，系统由供风装置、分选流化床和除尘装置组成。其中供风系统包括罗茨鼓风机和稳压风包，能够为磁稳定流化床提供压力稳定的压缩空气。试验时，通过调节气速v和电压U使得流化床床层在气流和磁场能量的综合作用下流化，当流化稳定时，利用U型压力计与流化床边壁等间距设置的单向开口连接测量床层轴向不同高度压降，研究床层流化特性。在最佳操作条件下对6～3 mm原煤进行分选试验，采用可能偏差E值对分选效果进行分析和评定。

图1 试验系统组成示意Fig.1 Schematic diagram of experiments system

图2为分选试验使用的环形错流(床层中介质受到的气流作用并非垂直向上的)磁稳定流化床，床体呈椭圆形，能够保证床体流化区域中磁场强度的均匀分布。布风板采用倾斜孔设计，孔轴线与水平面夹角为45°，能够使进入流化床内的气流具有水平和竖直方向上的分量，使得床层中的磁铁矿粉在气流曳力作用下能够较好流化。

图2 环形错流磁稳定流化床结构示意Fig.2 Schematic diagram of annular crossflow magnetically stabilized fluidized bed structure

1.2 试验材料

本试验采用磁铁矿粉的磁性物质量分数为95.72%，磁铁矿粉的粒度组成如图3所示，磁铁矿粉中0.100～0.040 mm 粒级的质量分数为71%，0.130～0.100 mm 粒级占磁铁矿粉总质量的23%，0.145～0.130 mm 粒级为6%。细粒级磁铁矿粉含量较大，在本试验中选用0.074～0.045 mm 粒级磁铁矿粉作为加重质，用以达成细粒煤的分选条件。

图3 试验用磁铁矿粉粒度分布Fig.3 Particle size distribution diagram of magnetite powder for test

本试验采用华兴矿6～3 mm粒级原煤作为分选入料，表1为原煤浮沉试验数据。由原煤浮沉试验可知，原煤中<1.5 g/cm3密度级原煤占52.17%，灰分为11.01%，>1.8 g/cm3密度级原煤占29.89%，灰分为73.57%，煤泥质量分数为7.64%，原煤整体灰分水平较高，矸石含量较大但不易泥化，适于利用磁稳定流化床进行干法分选。图4为原煤灰分可选性曲线，由图4可知，当理论精煤灰分为10.0%时，理论精煤产率为43.8%，理论分选密度为1.45 g/cm3，对应的±0.1质量分数为35.6%，属于难选煤。

图4 6～3 mm粒级原煤浮沉灰分可选性曲线Fig.4 Size of 6-3 mm and raw coal wash ability curve of ash

表1 6～3 mm粒级原煤浮沉试验数据Table 1 Size of 6-3 mm coal float test data sheet

2 试验结果与分析

2.1 磁稳定流化床磁场分布特性

磁稳定流化床床层的流化是依靠外加赫姆霍兹电磁线圈产生磁场，介质颗粒在磁力和气流曳力共同作用下均匀松散流化。图5为赫姆霍兹电磁线圈的结构示意，由上下2个部分的线圈组成，线圈结构为类螺线管结构，以确保线圈内部均匀稳定磁场的形成。为便于分析，选取3个代表性较强的平面作为辅助分析，分别为上层线圈与下层线圈的中心平面，以及2层线圈的中间平面。如图5所示，竖直方向上，由线圈外向上层或下层平面靠近时，磁感线密度增大，对应磁感强度增大，随后当磁场进一步向中层平面靠拢时，磁场方向发生改变，而由于2层线圈磁感线的交叉，磁感线密度并未发生较大变化，磁场较为均匀。水平方向上，在上层与下层平面上，远离线圈中心区域的磁感线分布较为稀疏，磁场强度较低，而在中层平面上则相反，磁感线分布更加密集，磁场强度更高。这种磁场分布特征会使线圈中心区域的磁感线分布较为均匀，形成稳定的均匀磁场。

图5 赫姆霍兹电磁线圈磁感线分布示意Fig.5 Helmholtz coil magnetic line distribution

磁稳定流化床内的磁场分布情况决定了磁稳定流化床床层流化质量，因此，研究床层磁场分布特性，有利于揭示磁稳定流化床散式流化特性。利用磁场探针在离线圈中心半径为5，10，15，20，25 cm处环绕一周，期间以一定频率对磁感应强度进行测量，得到磁稳定流化床磁场分布，结果如图6所示，图6中测量点序列指在当前环绕半径下，磁场探针对磁感应强度进行测量的序号。在平面磁场的探测中，上层与下层平面上的磁场强度分布特征较周边强中心弱，在半径为150 mm范围磁场分布稳定，磁感应强度稳定在9 mT左右。中层平面上的磁感应强度分布特征趋势相反，为中间强周边弱，但在半径为150 mm范围内磁感应强度同样稳定在9 mT左右。由此可见在线圈中心150 mm范围内，床层磁场呈圆柱状均匀分布，利于床层的均匀稳定流化和煤炭的分层离析。

图6 电磁线圈水平方向磁场分布Fig.6 Horizontal magnetic field distribution diagram of electromagnetic coil

线圈内磁场强度的精确控制是实现磁稳定流化床床层均匀流化，改善床层密度分布的关键。因此，为探究外加电压与磁场强度间的数值关系，分别在不同电压下用探针探测环绕线圈中心150 mm范围内的磁场强度。在此范围内磁场强度分布较为均匀，选取该范围内磁场强度的平均值作为试验中的各电压下磁场强度代表值，图7为线圈外加电压与磁场强度的数值关系，可看出磁场强度及磁感应强度与外加电压呈线性相关，对3者进行线性拟合，得到磁场强度H与电压之间的线性方程(1)及磁感应强度B与电压的线性方程(2):

图7 赫姆霍兹电磁线圈外加电压与磁场强度的数值关系Fig.7 Relationship between the applied voltage of the Helmholtz electromagnetic coil and the magnetic field strength

H=122.605 61U

(1)

B=0.157 02U

(2)

方程表明通过控制外加电压能够实现磁稳定流化床内磁场强度的调控，进而改善床层流化质量，调控细粒煤分选效果。

2.2 磁稳定分选流化床流化特性

磁场作用下流化床的流化特性是决定流化床分选效果的关键，压力波动信号是气泡特性和颗粒特性等多种因素综合动态的反映，气泡运动行为是造成压力波动的主要原因。通过测量床层压力波动信号，对其进行功率谱分析，以获得床层频域流化信息。图8为磁稳定流化床不同流化状态的压力信号及其功率谱图。如图8所示，在磁场强度为定值时，随着气速的增加，压力信号随时间的波动幅度先降后升，床层压降Pm幅值可达600 Pa。当v=15.4 cm/s，床层压降在Pm=300 Pa处波动，且幅值波动较小。表明当气速超过起始鼓泡速度时，床层内多余的气体以气泡的形式进入气泡相，并在上升的过程中，不断靠近聚并，形成大气泡，床层压力波动程度增加，在外加磁场作用下，磁铁矿粉在床层中形成磁力链，当气泡上升致使磁力链产生偏离，在磁场力作用下磁力链具有恢复原来形态的趋势，因此会对气泡产生向内的挤压力，当磁场强度达到临界值时，气泡就会破裂，大气泡被破裂成数量较多的小气泡，生长和运动行为受到抑制。当气速增大到v=19.2 cm/s时，床层压力信号波动剧烈，此时外加磁场对床层气泡的抑制作用降低。当气速为定值时，随着磁场强度的增加，压力信号随时间的波动幅度先降后升，当H=9 200 A/m时，压力信号幅值波动较小。结果表明在低磁场强度下，磁场力并不足以抑制气泡的生长，而高磁场强度下，床层内部形成了多条密集的直径较大的“磁力链”，致使整个床层近乎于固定，磁力链间空隙增大，通入床体内的过量气体从磁力链间的空隙中大量穿过，作用于磁铁矿粉上的气流较少，从而致使床层的流化效果随着气速的增大逐渐恶化，压力波动较大。图8(d),(h)为不同操作条件下，床层压力波动信号的功率谱图。如图8(d)所示，随着气速的逐渐增大，压力波动信号的功率谱幅值逐渐增大，表明随着气速的增大，气泡的尺寸越大，引起的床层压力波动也越剧烈，床层流化效果变差。同时气泡产生频率随着气速的增加也呈增大趋势，当v=15.4 cm/s和19.2 cm/s时，气泡的产生频率分别为4.17 Hz和7.35 Hz。随着磁场强度的逐渐增大，压力波动信号的功率谱幅值呈降低趋势，而气泡产生的频率呈增大趋势，气泡产生频率分别为5.25 Hz和9.05 Hz。结果表明，随着磁场强度的逐渐增大，床体对气泡的抑制作用逐渐增强，磁场对大气泡产生机率的抑制能力增大，因此过剩气体以产生频率较高的微泡形式通过床层。

图8 磁稳定流化床不同流化状态下的压力信号及其功率图谱Fig.8 Pressure signals and power spectra of magnetically stabilized fluidized beds in different fluidization states

图9为床层起始流化气速、起始鼓泡气速和颗粒带出气速的变化规律。由图9可知，在一定的磁场强度下，床层的起始流化气速<起始鼓泡气速<颗粒带出速度。在磁场上升的过程中起始流化气速波动较小，起始流化气速与磁场强度的变化并无特别明显的相关性，而随着磁场强度的增强，床层的起始鼓泡流化气速逐渐从3.25 cm/s增加到10.63 cm/s，磁场强度与起始鼓泡流化气速呈现正相关，同时颗粒带出速度随着磁场强度的增大逐渐由9.13 cm/s增大到17.60 cm/s。在散式流态化过程中，颗粒均匀地分布于床内并伴随无序运动，气流以微泡的形式存在，床层只形成乳化相。随着表观气速的逐渐增大，乳化相持续膨胀，床内颗粒间空隙率均匀增大，乳化相间的微泡互相兼并产生大气泡，致使床层进入鼓泡流态化阶段，而随着磁场强度的增大，床层所受磁场力增强，床层中的磁力链对气泡的切削作用增强，气泡的兼并行为受到抑制，颗粒同时在磁力和气流曳力的协同作用下，保持均匀的散式流化状态，增强了床层流化的均匀稳定性。但随着磁场强度的进一步增大，致使床层的起始鼓泡流化气速增大，且在磁场力的作用下，大量被吹起的细粒磁铁矿粉附着在已经形成的磁力链上，增加了颗粒带出气速。

图9 不同磁场强度下各流化速度特征值曲线Fig.9 Curves of characteristic values of fluidization velocities under different magnetic field strengths

流化床床层膨胀率随着气速和磁场强度变化的规律如图10所示。随着气速的增加，床层膨胀率逐渐增大，该结果表明，当过量气体进入到床层时，介质颗粒在气流曳力的作用下开始逐渐松散、移位、流化，进而床层逐渐膨胀。随着磁场强度的升高，流化床的床层膨胀率随之减小，从 0磁场强度下的36.36%减小到16 400 A/m磁场强度下的17.62%。磁力链数量增大，在高磁场力的作用下床层逐渐压实，进入床层中的气体无法有效破坏磁力链体系，因此，随着磁场强度的增大，进入床层的气体越难以克服磁力链作用下床层介质颗粒形成的阻力，导致床层膨胀率随磁场强度的增大逐渐减小。

图10 不同磁场强度下床层膨胀率曲线Fig.10 Curves of bed expansion rate under different magnetic field strengths

流化床从流化状态回归到自然状态时，床层表面会出现轻微的弧度。图11为不同磁场强度下磁铁矿粉表面弧度曲线，图11中黑色曲线是床层表面轮廓曲线，红色曲线是根据床层轮廓曲线拟合的多项式函数曲线。从图11中可看出，随着磁场强度的增加，床层表面的轮廓曲线的弧度也随之增大，从最低点(0,0)点到最高两点水平连线间的距离从0磁场强度下的3 mm增大到16 400 A/m下的43 mm。由床层轮廓的拟合曲线可看出，随着磁场强度的增大，床层轮廓的曲率随之增大，曲率半径随之减小。曲线的弯曲程度越来越大。该结果表明，当床层流化时，由于床层内的磁铁矿粉形成了磁力链，其本身的位置被固定，由于边壁效应，靠近边壁的磁铁矿粉首先被吹起，持续增大磁场强度会强化边壁效应，使边壁的磁铁矿粉形成更高的磁力链，因此床层表面的弧度会随着磁场强度的增大而增加。

图11 不同磁场强度下磁铁矿粉表面弧度曲线Fig.11 Curve of the surface of magnetite powder under different magnetic field intensity

流化床床层密度分布的均匀稳定性是评价床层流化效果的重要指标，图12为不同磁场强度下床层密度变化曲线，由图12可知，在一定磁场强度下，随着流化气速的增加，床层密度波动趋于平稳。结果表明，Geldart C类磁铁矿粉具有较高的表面能和较大的黏性力，颗粒间的接触更为紧密，颗粒间作用力强，当气速较低时，颗粒受气流曳力的作用悬浮，但由于颗粒间作用力的影响，颗粒被束缚在一定空间内，导致低气速下的流化稳定性较差，当气速继续升高，气流曳力冲破颗粒间作用力的封锁，流化效果逐渐改善，故为保证流化效果应尽量选择较高的操作气速，而过高的气速会导致气泡相的增加，降低床层密度的稳定性，经过试验在操作气速v=15.4 cm/s时床层流化效果最稳定。保持操作气速恒定，随着磁场强度的增大，床层密度增大且波动减缓，压降曲线更加平稳。

图12 不同磁场强度下床层密度变化曲线Fig.12 Bed density change curves under different magnetic field strengths

2.3 磁稳定分选流化床表观黏度

在分选过程中床层表观黏度的大小是决定流化床中物料运动规律及沉降、上升速度的重要参数，直接影响矿粒在流化床中的分选时间。采用小球降落法对床层黏度变化规律进行测量。

在无限空间的流体中，如果流体黏度较大而球的直径较小，小球下落速度较慢，运动过程中不产生漩涡，此时雷诺数Re<1，根据斯托克斯定律，小球受到黏性摩擦阻力。为简化计算，将磁稳定流化床中的介质看作均匀的黏性流体。小球在磁稳定流化床中沉降主要受到的力有重力、浮力和黏性摩擦阻力，当小球达到匀速沉降阶段时，3者受力平衡:

(3)

式中，dp为小球直径;ρp为小球密度，kg/m3;g为重力加速度;ρb为磁稳定流化床床层密度，kg/m3;μe为磁稳定流化床表观黏度，Pa·s;v′为小球下落的速度，m/s。

表观黏度计算式为

(4)

由于小球在磁场流化床中的沉降并非是在无限体积的均匀介质中的自由沉降，因此对式(4)进行修正以后可得

(5)

式中，D为流化床床体直径。

根据式(5)测得不同状态下床层的表观黏度，图13为一定气速下的床层表观黏度和磁场强度的关系，随着磁场强度的升高，床层表观黏度呈波动上升状态。当气速为8.81 cm/s时，床层的表观黏度在不同磁场强度下的变化规律最为稳定，呈现出稳定的上升态势，在此气速下，流化颗粒的孔隙率适中，在不同性质的颗粒产生定向运动时，由于颗粒间距适中，颗粒间阻力较小，在受到颗粒间阻力作用后，容易完成重新排序，使得床层保持稳定，若气速过大，颗粒间距过大，气泡互相兼并，使床层产生过多大气泡，进而影响床层的均为稳定。该结果表明，随着磁场强度的升高，在磁场力的作用下，床层内部形成的磁力链更加密集且紧固，床层堆积更加密实，床层的流动性降低，表观黏度随着磁场强度的升高而持续增大。

图13 不同磁场强度下磁稳定流化床床层表观黏度Fig.13 Apparent viscosity curve of magnetically stabilized fluidized bed under a certain gas velocity

图14为床层表观黏度随流化气速变化规律。随着流化气速的升高，床层的表观黏度逐渐降低，由2.18 Pa·s持续下降至1.58 Pa·s，且在9 200 A/m磁场强度下，床层表观黏度的变化最为稳定。该结果表明，随着流化气速的增大，床层内的细粒磁铁矿粉床层会在气流的作用下分散，床层内部孔隙率增大，床层密度降低，床层迅速松散，流化，床层表观黏度降低。

图14 不同气速条件下磁稳定流化床床层表观黏度曲线Fig.14 Apparent viscosity curve of a magnetically stabilized fluidized bed under a certain magnetic field strength

2.4 磁稳定分选流化床分选试验

在最佳操作气速v=15.54 cm/s的条件下对 6～3 mm 细粒煤进行分选试验研究，采用可能偏差E值作为煤炭分选效果的评价指标。无磁场和不同磁场强度下6～3 mm 细粒煤的产品分配曲线及可能偏差值曲线如图15，16所示，图15中，E1为1段分迭可能性偏差;E2为2段分迭可能性偏差;δP1为1段迭的分迭密度，δP2为2段分迭的分迭密度，随着磁场强度的增高，重产物在中煤和矸石中的分配率增加，轻产物在精煤中的分配率增加，磁稳定流化床的可能偏差值逐渐降低，在无磁场时，2段可能偏差值分别为E1=0.381 g/cm3，E2=0.429 g/cm3。在电压为75 V，磁场强度为9 200 A/m时分选的可能偏差达到最低，此时2段可能偏差值分别为E1=0.136 g/cm3，E2=0.156 g/cm3。随着磁场强度的进一步增大，分选的可能偏差开始小幅回升，该结果表明，在低磁场强度下，随着磁场强度的增大，床层内部形成的磁力链更加坚固，气泡受磁力链挤压难以生成和变大，床层密度更为稳定，分选精度上升;随着磁场强度的进一步增大，床层内部形成的磁力链直径变大，高度上升，磁力链间的空隙急剧增大，气流从空隙中流出，床层密度发生波动，分选精度下降，故在磁场强度为9 200 A/m，流化气速v=15.4 cm/s 条件下，磁稳定流化床对 6～3 mm 细粒煤具有最佳分选效果，其2段分选精度E值分别为0.136 g/cm3和0.156 g/cm3。