煤炭作为世界上最主要的能源之一，2015年煤炭约占世界能源的29.2%。中国作为世界第一煤炭生产和消费大国，2015年煤炭总产量为37.5亿t，其中煤炭消费量占我国当年能源消费总量的64.0%[1]，因此，推进煤炭洁净与提质加工成为必然的趋势。传统的煤炭分选工艺主要以湿法分选为主，主要的分选设备有以跳汰机、旋流器、湿法重介分选系统、浮选机、干扰床分选机等[2-4]。水资源的匮乏已成为全球性的难题，传统的分选方法已受到了较大限制，无法采用大型的煤炭湿法分选设备。随着上述问题的日益突出，干法分选已逐渐成为煤炭分选的热点话题，各国学者开展了大量研究，并研制出复合式干法分选系统、空气跳汰机、空气重介质流化床分选系统[5-13]。
随着综合机械化采煤技术的不断普及使用，原煤中小于6 mm细粒煤的含量不断攀升，由于粒径较小的原因，颗粒在传统的气固流化床中会随着加重质颗粒不断沉降或者返混，难以按照床层密度进行分选，因此，需要采用合理的手段对床层中气相与固相加重质两相的不均匀结构进行调控，加强气固两相的充分接触，保证床层的密度稳定性，促进细粒煤的有效分选。Luo等[14-15]研究了床层压降和布风板孔隙率对床层密度稳定性的影响。Sahu等[16]提出了流化床密度稳定性的评价指标，包括流化指数、床层膨胀率等。Zhang等[17]提出了一种对工业型流化床床层密度均匀性和稳定性控制的新方法。增加内部构件在床层内形成二次布风是提高床层稳定性的一种有效的方法，主要添加的内构件包括栅格状筛网[18]和高密度粗颗粒[19]等。
本文中采用多层滤布对传统布风板的基础上对流化床压降进行了调控，强化气固两相接触，利用DASP压降测试系统研究了床层压降以及最小流化速度的变化规律，分析了不同床层高度流化床密度的时空特性，在上述的基础上采用流化床对山西常村煤矿细粒原煤（粒径为3～6 mm，下同）进行分选试验研究，分析了不同因素对细粒煤的影响以及分选效率。
1 试验
1.1 装置
试验系统如图1所示，主要由供风系统、分选系统、测试系统以及图像采集系统组成。供风系统主要由罗茨鼓风机、风包、变频器、压力计、流量计以及风量调节器组成，为试验提供稳定的流量，确保试验的顺利进行。分选系统主要由空气分布室、布风板、分选床体组成。其中布风板的开孔率为12%。测试系统由金属探头、Alpha传感器、NI采集卡以及DASP数据处理软件组成，可有效地测试流化床中压降信号随时间的变化规律，为保证试验数据的准确可靠，采样频率为128 Hz，采样时间控制为30 s。多层滤布具有易获得、便于组装拆卸等特点。
图1 气固流化床分选系统示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental system with a gas-solid fluidized bed
1—变频器；2—鼓风机；3—储气罐；4—压力计；5—风速调节阀门；6—流量计；7—空气室；8—布风板；9—滤布；10—分选床；11—压力传感器；12—NI采集卡；13—电子计算机。
1.2 加重质性质
气固流化床采用粒径为0.074～0.3 mm为主导粒级的Geldart B颗粒磁铁矿粉作为分选介质，真密度为4.6 g/cm3，粒径组成如图2所示，粒径为0.15～0.3 mm的颗粒质量分数为45.29%，为最主要的粒级组成。这有利于满足床层稳定流化的需求，并保证分选过程中的密度均匀稳定性，并且此种介质直接采用磁选机可以实现对其进行高效回收。
图2 粒径组成示意图
Fig.2 Particle size distribution of dense medium
1.3 煤样性质
试验的样品由山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，其工业分析结果（质量分数）如表1所示。从表中可以看出，原煤灰分为23.15%，属于中灰煤。水分为0.44%，含水量较低，为干法分选提供了有利的条件。
表1 常村煤矿原煤样工业分析结果
Tab.1 Industrial analysis Changcun coal sample%
水分 灰分 挥发分 硫分 固定碳0.44 23.15 12.82 0.47 63.59
本文中选取原煤中细粒煤进行分选试验，其可选性曲线如图3所示，属于较易选煤。
1.4 评价指标
床层密度的均匀性是保证气固流化床分选效果的重要前提，而床层密度分布实际上就是床层压差的分布，是床层内部各点压力降在时间和空间上的一种平均。床层压降分布标准差不仅可以对同一位置的压差变化进行时均统计，还能有效地分析床层中不同位置的压降的空降变化，能够较好地衡量床层密度分布状况好坏，从而较好地反映床层流化状态。
图3 原煤的可选性曲线
Fig.3 Washability curves of raw coal
式中：δ为床层压降分布标准差；Pi为第i个测量点或者t=i时的床层压降，Pa；P为各个测量点密度的均值，Pa；N为测量点的总数。
分选结束后将床层自上而下平均分为5层，对每层的样品的灰分进行测试，选取灰分离析度S作为反映单因素试验变化趋势的标准见式（2）。
式中：Ai为分选后每层平均灰分，%；A0为原煤灰分，%，n为分层粒径大小。
当密度离析效果越好，相应分选效果越好，上层为灰分较小的精煤，下层为灰分较大的矸石，中间层则为灰分介于两者中间的中煤，整体上离析后细粒煤床层的灰分沿床高方向上偏离入料煤样灰分的程度较大，其S值也越大，相反，当细粒煤床层均匀混合时，各处床高处灰分均与入料煤样灰分无偏离，即Ai=A0，则S=0。
2 分析与讨论
2.1 布风板压降分析
布风板的理想特性是，既能均匀地分布气流，又不对气流构成过大的、非必要的阻力，同时，流化床中没有沟流和非流化颗粒，能保持床层密度和高度的均匀与稳定，这需要合理的设计布风板。布风板的理论压降ΔP d可利用式（3）表示。
式中：C D为阻力系数；U为气速；α为分布板的开孔率；ρf为气体密度。
由式（3）可以看出，加入海绵后大大提高了布风板压阻，有效地提高了流化床流化稳定性。
对加入多层滤布的布风板压降后进行了测量，结果如图4所示。从图中可以看出气固流化床的分布板压降整体上随着气速的增加呈线性增加，变化规律也与布风板压降的理论计算方法吻合程度较高。
图4 加入多层滤布后布风板压降曲线
Fig.4 Pressure drop of air distributor after adding multilayer filter cloth
在此基础上，Luo等[14]进一步针对分选气固流化床提出了利用ΔPΔ判别流化床的流化质量与分选性能，其表达式为：
当ΔPΔ≤ΔP D时，表明压降中心位于气体分布板，可以有效地形成密度均匀稳定的微泡浓相流化床，适合于矿物的分选。
采用对流化床的流化质量与分选性能进行分析，运用线性拟合方法比较ΔPΔ与ΔP D的大小，如果斜率小于1，表明 ΔPΔ＜ΔP D，否则反之。
图5为压降中心分析示意图。
图5 压降中心分析示意图
Fig.5 Pressure drop center analysis
如图所示，ΔPΔ与ΔP D的压降关系曲线的斜率明显小于1，这说明加入双层滤布后压降中心的位置进一步降低，强化了颗粒与气体的有效接触，更利于均匀稳定床层的形成。对于B类颗粒而言，气固流化床中主要分为乳化相与气泡相，理论上讲，当气体速度大于促进颗粒悬浮即气体速度以后，一部分气体用于颗粒相的悬浮，形成乳化相，多余的气体会兼并成气泡，并逸出床层。然而，由于采用的宽粒级B类加重质颗粒初始堆积状态下颗粒的分布不均匀，气体引入后会偏向流入能量最小的区域，这会造成床层中发生局部的沟流现象，造成床层颗粒相的气固接触不均匀，采用双层滤布对布风板压降进行调控，使气流与颗粒接触之前起到了一定的缓冲作用，将气体有序地给予床层中，促进气体与颗粒相的均匀接触，一定程度上降低局部沟流现象的发生。
2.2 床层流化特性分析
采用ΔP-v的关系曲线绘制不同床高的流化特性曲线，结果如图6所示。从图中可以看出，从整体上看，开始压降随着气速的增加而增大，随后当气速达到临界流化气速U mf时，床层从固定床开始转化为流化床，压降逐渐稳定下来。由于床层压降ΔP理论上与所加入颗粒的质量呈正相关的关系，因此可以看出，床层压降随着床高的增加而逐渐增大，最小流化速度与随着床高的增加几乎保持不变。
图6 不同床高的流化特性曲线
Fig.6 Fluidization curves of different bed height
图7 床层高度对压降的波动影响
Fig.7 Pressure drop fluctuation of different bed height
图8 床层压降的空间波动云图
Fig.8 Spatial fluctuation nephogram of bed pressure drop
2.3 床层密度均匀稳定性分析
对空气重介流化床中床层压降波动在空间上的变化进行分析，测压点分别控制在H为40、80、120 mm，风速设置为0.12、0.13、0.14、0.15、0.16 m/s。由于空气重介流化床属于微泡准散式，因此对于细粒煤的分选要求床层波动较为平稳，避免气泡间剧烈的兼并以及破裂等行为的发生。当气速超过最小流化气速时，床层中的压降波动主要是由气泡行为引起的，因此，首先对不同床高条件下的压降波动进一步分析。采用云图拟合方法构造出不同条件下的各个位置的压降波动情况，结果如图7、8所示。
从图中可以看出，流化床的整体压降波动平稳， 显示出良好的流化状态，这也进一步验证了引入多层滤布有助于均匀布风，降低由于颗粒浓度不均匀引起的沟流等现象，一定程度避免了气体在未达到最小流化速度之前的兼并现象，从而强化了床层中的颗粒与气相的作用，有效地实现了颗粒相向乳化相的转化。另一方面，随着床高的增加，床层的压降波动逐渐增大，这说明随着床层的高度的增加，气泡兼并频率逐渐增加，气泡的不规则运动对床层密度的均匀稳定的影响也逐渐增加，因此，分选实验时应控制适宜的分选高度。
图9 不同气速条件下细粒煤分选示意图
Fig.9 Coal separation of different gas velocity
图10 不同床高条件下细粒煤分选示意图
Fig.10 Coal separation at different bed height
2.4 分选试验
对不同气速条件下的细粒煤分选结果进一步进行分析，如图9所示。从图中可以看出，随着气速的逐渐增加，细粒煤分选效率呈现先增加后减小的趋势。这是由于床层气速较小时，床内介质的流化程度较低，松散程度较低，因此，床层活性较小，黏度较大，入料不能完全分层；工作气速较大时，床层膨胀率增加，床层活性增大，床层密度均匀稳定，介质阻力减小，入料较好地完成分层；进一步增加工作气速，床层密度减小，床层开始出现较大气泡，但稳定性差，错配效应较大，在介质返混的作用下低密度入料实际分选密度较大程度地偏离床层密度，导致目标产物产率降低。
进一步对不同床层高度条件下细粒煤的分选结果进行分析，结果如图10所示。从图中可以看出，随着床层高度的增加，细粒煤分选结果也呈现先增加后减小的趋势。这是由于在床层高度较小时，同等入料条件下，入料所占床层的总体积增加，这造成大量颗粒在床层表面堆积，分选空间不足，恶化床层的流化特性，对细粒煤的有效分选造成负面影响。当床层高度过高时，床层中气泡行为较为剧烈，造成床层稳定性差，并进一步造成加重质的返混效应，在介质返混的作用下低密度入料实际分选密度较大程度地偏离床层密度，降低细粒煤的分选效率。
综上上述，选取最佳分选条件下细粒煤的分选结果进行分析，如图11所示。从图中可以看出，采用多层滤布对床层布风板压降调控后，空气重介可以有效实现细粒煤的分选，使其灰分质量分数由23.15%减少至10.83%，实现了细粒煤的脱灰，对环境保护具有重要的意义。
图11 细粒煤分选试验结果分析
Fig.11 Analysis of fine coal separation performance
3 结论
在传统流化床的基础上运用双层滤布有助于增加布风板压降，改善流化床层的流化特性，减小床层中的压降波动，保持床层流化的均匀稳定，降低气泡行为对细粒煤分选的干扰。
引入多层滤布后的气固流化床随气速和床高的不断增加，分选效率呈现先增加后减小的趋势，并且可以使山西常村煤矿原煤灰分由23.15%减小至10.83%，促进了细粒煤的脱灰，对环境保护具有重要的意义。
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