空气重介质流化床干法洗煤技术

空气重介质流化床干法洗煤技术
一、前言
煤燃烧前的选洗是一种燃烧前脱除煤中灰分的方法，煤在燃烧前通过物理洗选脱除煤中灰分的同时，脱除了富集着大量有害污染元素矿物的尾煤，从而在燃烧前达到降低煤中的有害元素的含量的目的。

燃煤SOx、粉尘、以及易挥发有害痕量元素如Hg、As、Se等的排放起到了有效的控制。

洗煤技术包括湿法、干法等，我国2/3以上的煤炭资源分布在西北等干旱缺水地区，难以采用常规的湿法选煤方法进行分选，利用煤与矸石的物理性质差别实现分选的干法选煤技术可以解决传统的基于水为介质的湿法选煤技术耗水量大的问题。

干法选煤有利于我国煤炭工业的战略西移，促进洁净煤炭事业的全面发展。

各种干法分选技术比较而言，相对于风力摇床、风力跳汰等技术，空气重介质流化床属于干法重介质分选，理论上是一种经济、简单而有效的燃烧前脱除煤中有害污染元素的重选方法，国内外主要研究的方向为加重质的级配和通过引入外加力场的方法来改善流化质量。

二、空气重介质流化床干法选煤的机理
空气重介质流化床干法选煤是将气固流态化技术应用于选煤领域里的一种新的高效分选技术，其原理是：以微细颗粒作为固相加重质，形成具有一定密度的流化床层，不同密度组成的被分离矿物（由有用矿物与无用矿物组成）进入流化床层后按床层密度分层，轻者上浮，重者下沉，从而实现气固流化床对矿物的分选。

1.空气重介质气固流化床的床层密度
空气重介质流化床的分选介质是气固两相流化床。

气固两相流化床之所以可以作为分选介质，是因为它具有似流体的性质，而且具有一定的密度。

图1表示
的是气固流化床的似流体特性。

图中1(a)表示床层中任意两点压差等于此两点间
的床层静压头；图1(b)表示密度小于流化床层密度的物体浮于床面，反之则沉于
床底，其基本原理和重液浮沉法实现煤的密度分离的原理一样，都是基于阿基米
德原理。

图1气固流化床的似流体性
在床层处于良好的流化状态下，根据床层受力平衡原则，可得流化床层密度
的表达式：
(1)
式中，为床层孔隙率；，分别为颗粒加重质及气体的密度。

由于很小，且>>，所以上式可写为：
(2)
从(2)可以看出，决定流化床密度的因素是和。

对于主要由加重质
的形状和粒度分布以及气流速度决定的。

由此可以看出，要使空气重介质流化床
选煤达到良好的效果，必须选取密度和粒度分布合适的重介质，以及合适的气体
流速。

2.形成密度均匀流化床的机理
被选物料在流化床中是按床层密度分层的，因此床层密度的均匀性是影响分选效果的关键因素。

床层密度的均匀性表现为流化床内气固充分接触，重介质无分层分级现象，理想的适合于选煤的流化床内能形成一定量的微泡，但不是大泡的鼓泡床。

气泡在流化床内的运动行为是流化过程中形成均匀的床层密度的一个主要因素。

图2描述了流化床内气泡及重介质的流动状态，流化床在流化过程中形成的气泡外形类似球形，底部则向里凹，气泡底部低于附近重介质的压力，因此使得重介质在底部形成了局部涡流(见图2 b,d)。

在气泡在上升过程中，尾部涡流夹带的重介质颗粒越来越多，当上升到一定距离，被夹带的重介质增至一定质量就会脱落沉降下来。

在这个过程中，气泡就把原来在较低处的重介质带到相对高处，与此同时，乳相内的重介质逐步向下移动以填补因气泡上升而带走的加重质的空间，形成了加重质的上下循环的状态即返混现象(如图2 c所示)。

图2 空气重介质流化床中气泡及重介质流动状态
在流化过程中，使流化床内重介质形成上述理想流动状态的最关键的因素就是流化床内的气流速度。

因为气流速度的大小直接导致了气泡产生的数量和形状，从而决定了重介质运动的剧烈程度。

因此为了使的流化床达到理想的分选效果，必须控制气体流速在一定的范围内,使之既能够保证重介质的活性和混合流动特性，又不至于影响床层密度的均匀性。

三、影响空气重介质流化床分选效果的因素
1.流化气速的影响
对于流化床的入料而言,流化过程中存在着一个临界流化气速，即是当物
料在床中得到的上升力等于物料的自身重力条件下的气体流速。

理论临界流化气
速可由下式（3）计算获得：
(3)式中：
：重介质颗粒几何粒径，um；
：重介质密度，kg/m3；
：气体密度，kg/m3；
：矿床层空隙率；
：颗粒球型因子；
：最小流化雷诺数；
Ar：阿基米德常数；
：气体粘度；
其中：
(4)
(5)
对于有固定粒径分布的重介质颗粒来说，可由下式获得：
(6)
X i表示：某一粒径段的质量分数
d pi表示：某一粒径段的平均粒径，um
上式(3)是一种简单而通用的计算最小流化速度的方法。

可能会随着试验
参数（如气体压力、流化床高度）等因素的变化而变化。

在气-固流化床流化过
程中，随着气体流速的增加，床内的介质慢慢开始形成均匀平滑的流动状态，随
着流速的变大，流化床表面将会出现小气泡，气泡出现的频率和数量随着气体流
速的升高而增大，当气体流速减小时，气泡会越来越小，直至消失。

这里定义在
两次实验过程中，气泡出现和消失时的气体流速的平均值为临界鼓泡流速（V mb）。

2.重介质物理形态的影响
对于不同粒径和密度的重介质,临界流化气速以及重介质颗粒在流化床中的
流化特征也不同，因此重介质的物理形态也是另一个影响流化床分选效果的重要
因素。

空气重介质流化床中使用的重介质属于颗粒状固体，不同粒径和密度的的
重介质在流化过程中的流化特征行为大不相同。

Geldart等提出了粉体流化特征
分类法，把不同粒径的粉体流特征化行为分为了四大类，是目前得到广泛认可的
一种分类标准。

3.流化床中重介质和气泡的运动行为特征
为了了解和掌握固体颗粒在流化床流化过程中的运动规律，人们尝试了多种
方法去描述流化过程。

对流化过程中颗粒的分离/聚合(segregate/mixing)行为的研
究对于设计气固流化床系统尤为重要。

重介质颗粒在流化过程中的分离聚合特征
与受众多因素的影响。

例如颗粒之间的密度比、粒径比、形状、气体流化速度、
气流分布以及装载率等。

研究者们曾通过各种实验研究这些因素对流化效果的影响，但目前的研究还未得出明确的结论。

主要是由于流化床的流化特性随着不同
的介质和气体流速的选择，呈现出来变化趋势并不规律。

因此，为了全面了解一
个流化床系统的流化特性，须对不同的入料和介质分别独立进行试验，才可得到
最优的流化工况。

虽然目前的研究对于气-固两相流流化床的流动特性还未得到全面的认识，但在以下几个方面的特性国内外研究学者已经基本达成一致的共识。

1)流化床在达到临界流动状态下的形态可视为一种忽略其粘度的流体。

2)流化床在流化过程中的空隙率在不计算气体积泡的情况下，和床层空隙率相当。

在最小流动状态下的流化床内的介质颗粒是相对静止的。

在较高的气体流速下，上升的气泡会使得介质颗粒产生扰动、混合以及轴向的移动。

3)流化床的空隙率随着气体流速的增加而增大。

4)气泡在流化床内上升的过程中，其下方形成尾涡区，该区域内的紊流状态使得固体颗粒得到上升的作用力。

从而使得入料形成分离。

5)颗粒在流化床内运动可用“湾流”(Gulf streaming)模型来描述。

气固流化床中，气体进入床层后与固体颗粒相混合，构成一个气固混合体。

一部分与固体颗粒均匀混合，构成连续相：另一部分不与固体颗粒混合，以气泡状态在床层中上升、合并，形成较大的气泡，构成气泡相。

在流化床内的分布对流化床内的湾流的特征有显著影响。

流化床流化过程中的气泡的分布及运动特征也是影响流化床分选效果的一个因数，Dechsiri等人把流化床内气泡在“湾流”模型下的分布特征分为了三种不同类型，依此来描述流化床中颗粒运动的行为。

1)非理想气泡分布。

当流化床中的气泡分布不理想的时候，会在床内形成局部范围内的颗粒的高速运动区域，大块的入料会在这些区域内有较高的上升速度，而在其他区域内，却下降速度缓慢，这样就会导致分选效果较差。

2)较理想的气泡分布。

在较理想的气泡分布的情况下，流化床内可在较大的范围内形成气泡活性较低的区域，在该区域内大块入料的上升的数量会较1)的情况下多但上升速率却会低于1)情况下的上升速度。

3)理想气泡分布。

在理想的气泡分布的情况下，入料颗粒仅仅会在气泡的尾流区域内上升，而下降速率在整体范围内较低且均匀。

流化床分选达到最佳效果。

4.流化床内煤粒受力模型
流化床内煤粒在流化床内流化过程中的受力为煤粒自身重力、气固悬浮体对
煤粒的有效浮力、气流的粘性摩擦力及气流场的浮力。

由于>>，受力可以简化为：
(7)
当时，煤粒上浮；当时，煤粒下沉，从而实现了煤粒按密度的
分选。

煤粒在气泡相中的受力情况如下图所示，可表示为：
(8)
图3：气泡对煤粒的作用力
在气泡相中，被分选煤粒的重力远大于气流场的浮力和气流的粘性摩擦力，
因此煤粒受重力作用会迅速下沉到气泡底部，造成分选过程的突然“短路”。

气
泡和煤粒的直径越大，这种“短路”现象就会越明显。

大颗粒的煤粒一旦下沉到
床层底部，一般很难再次浮起，而被误配到重产物中。

因此在分选过程中，应严
格控制气泡的大小，避免大气泡的产生，使流化过程在微泡状态下进行。

四、空气重介质流化床分选特点
1.重介质颗粒粒度范围
重介质颗粒在气流的均匀作用下形成气固流化床，气流速度是可操作的参数，因此重介质的特性是决定流化床性能的一个关键因素。

研究表明，使床层稳定的最佳重介质的粒度范围为150-300um，考虑到制备这种粒级较窄的重介质的产率低，允许小于150um的重介质颗粒有一定的含量，这对于以150-300um粒级为主导级的重介质的流化，在一定程度上也有助流作用。

Yourovsky等人的研究也表明，达到最为均一的床层密度的重介质的粒度范围在0-420um之间的多分散的重介质颗粒。

当0-420um粒径范围内的重介质中10-100um的重介质颗粒的比例占20%时，流化床的流化状态较315-420um全窄粒级的重介质的流化状态有明显改善。

2.入料的粒径影响
煤粒在流化床中按密度分层，如果床层密度缺乏均匀稳定性，煤粒就无法实现有效地分选。

要使床层压降波动小，颗粒活性大，形成气固两相充分接触、密度均匀稳定的流化床，必须选择合理的工艺和操作参数。

另一方面，在利用空气重介质流化床对煤炭干法分选的过程中，对入料(煤炭)的粒径的选择也受到多种因素的影响。

通常来说，粒径较粗的入料在空气重介质流化床中易受到床层的浮力作用，易实现按密度大小的分层。

对于粒径较小的入料，由于其粒度不足够大于重介质颗粒的粒度，因此难以受到床层的浮力作用，或者说其所受的浮力作用难以占主导地位。

同时由于空气重介质流化床为准散式流化床，床层中的气泡使得在流化过程中重介质产生返混现象，可导致颗粒较细的入料随着重介质一起返混或沉降，削弱了细粒入料按床层高度方向密度分层的效果。

随着入料煤粒粒径的减小，其对应的可能偏差随之增大。

说明分选效率随着入料煤粒的粒径的减小而下降。

细粒径段煤粒在独立分选时的分选效率明显较有粗粒级煤粒存在的情况下好，可能的原因是由于大颗粒煤粒实际上属于Geldart 粉体流化特征分类中的D类颗粒，在流化过程中易形成较大易破碎的气泡，随
着流化床中这类颗粒的增加，使得细粒径煤粒在流化过程中沿垂直方向上的位移活动会变得越来越剧烈，因此随重介质颗粒在流化过程中的“返混”现象加剧。

反之，随着流化过程中粗粒径煤粒数量的减小，“返混”现象减轻，因此分选效率也会得到相应提高。

因此对于空气重介质流化床对煤的分选来说，选取较小的入料粒径范围以及较小的加载率，可使得流化床的分选效果得到提高。

对于细微级煤炭分选技术，依靠外来能量则是实现不易流化的微细加重质很好流态化的一条有效途径。

振动空气重介质流化床就是将振动能量引人空气重介质流化床，强化了气固之间的接触，因而可以使微细加重质很好地流态化，形成更接近散式流态化的状态，这种流化床非常适合于细粒煤分选。

3.气体流速的影响
在空气重介质流化床的分选过程中，气体流速对分选效果好坏的影响主要体现在能否使重介质达到理想流化状态后，减少重介质在床体内的沿床层高度方向上的位移。

气体流速偏小，会使重介质无法在床体内形成理想的流化状态，入料煤粒就无法实现密度的分离；气体流速偏大，会使得重介质在床体内的流化状态紊乱，重介质颗粒在床体内沿高度方向上的位移的数量增大，同样也会导致入料煤粒难以在流化床实现密度的分离。

因此，对于不同的重介质和床体结构，存在着一个理想流化气速，使得在该气体流速下，入料煤粒在流化床内的分选效果最佳，理想流化气速无法通过理论计算得出，需通过实验来验证。

通过研究不同流化气速对入料煤粒分选效果的影响发现，当气体流速刚达到临界鼓泡气速时，流化床内刚刚形成流动状态，但此时对煤粒的分选不理想，这主要是因为气速过小，重介质颗粒的活动压度低，介质在流化床中基本呈静态悬浮，使得床层乳化相的粘性阻力较大，被分选物料难以得到充分的分层。

随着气速的逐渐增大，会出现理想流化气速，在理想流化气速下，入料煤粒的分离效果达到最佳。

而随着气体流速的进一步增大，当超过理想流化气速后，入料煤粒的分离效果又出现明显的下降。

这主要是因为气速过大产生了较严重的重介质的“返混”现象，导致流化床内形成紊乱的流动状态,无法形成稳定的床层密度，从而无法实现对入料煤粒，尤其是细粒径煤粒的有效分离。

Dechsiri等人报道表明，当流化床内的气泡达到理想气泡分布时，重介质颗粒在流化床内的下降速度
较低，且在整体范围内下降速度均匀。

五、研究进展及工业应用
空气重介质流态化技术首次大规模应用是20世纪20年代，其后美国的F. Thomas等人曾尝试用流化床（固相为细砂）来分选块煤，但由于流化床中加重质颗粒的返混导致细粒煤与加重质颗粒循环混合，使得细粒煤不能按密度正常分选，使得此种技术没有进入大规模工业应用。

70年代，P. N. Rowe，A. W. NIENOW等(1976)做了流化床分选的基础实验研究。

E. Douglas和T. Walsh( 1971)设计了流化床选煤实验装置。

70年代末80年代初，前苏联在卡拉干达城的巴尔霍敏柯煤机厂制造出了CBC－25型和CBC－100型样机（见图2）。

该试验样机以天然不需加工的赤铁矿粉为加重质，入料粒级150～25mm，分选密度1.8kg/L。

图2 CBC-100 型试验样机
期间加拿大的J. M. Beeckmans，R.J.Germain等(1977，1982)做了很多基础性研究和分选实验，研制成功逆流流化床半工业性选煤装置。

荷兰代尔夫特理工大学设计制造了一种类似于Eveson开发研制的半工业性振动分选机，主体结构为一个矩形槽，长宽高分别为160×15×20cm，处理量为0.35～6.5t/h，加重质是平均粒度为0.22mm的石英砂。

在该装置中，作者研究了入料水分组成和流化气速对分选效果的影响，结果表明，在实际处理量为20t/h时，能取得较为满意的分选效果，入料粒级可达25～0.8mm，E值为0.14～0.20kg/L，最适宜的分选粒级为20～6mm，E值可达0.035kg/L。

美国的M. Weintraub等也进行了流化床选煤技术方面的研究，利用圆筒形流化装置，以磁铁矿粉为加重质进行了分选试验，实现了按密度分选，粒级不同所需的分选时间不同。

加拿大的X. Dong等(1990)提出气动逆流流化床选煤装置（见图3）。

图3 链动逆流化床选煤装置示意图
国内陈清如院士等自1984年开始研究空气重介质流化床干法选煤技术工艺，先后进行了重介质气固系统的散式流态化流化床静态分选、加重质制备等研究，此后进行了空气重介质流化床选煤过程中的动态分析、密度的实时监测、分选过程流化床密度的稳定性等研究，在此期间，对流化床密度的测量、混合加重质的低密度流化床的特性、非磁性流化介质的净化与回收、三产品空气重介质流化床的形成机理及分选特性等方面的研究也取得了进展。

1992年6月，在黑龙江省七台河市建成了50t/h世界上第一座空气重介质流化床干法选煤厂。

分选机结构如图4所示，该机由空气室、气体分布器分选室和产品输送刮板装置组成。

该实验装置分选的可能偏差约为0.05～0.07kg/L。

图4 空气重介质流化床干法分选机示意图
但由于于工程技术原因，该项目始终未能向大型化和工业应用迈进。

北京博后筛分工程技术有限公司历时五年，突破多项工程技术难题，于2013年终于研制成功500t/h大型空气重介质干法选煤系统，使我国空气重介质干法选煤技术走向大型化和工业化成为现实。

六、总结
水资源短缺不仅是我国面临的问题，也是世界性难题。

我国煤炭的入选比例一直较低，动力煤的人选比例更低，这不仅造成了煤炭资源的浪费，也形成了严重的环境污染。

空气重介质干法分选系统研制的初衷是为解决干旱地区、高寒地区及褐煤的分选问题，系统在这些条件下的优势十分明显，且具有投资小、建设周期短、占地面积小、处理量大、分选精度高、无煤泥水等特点，但是系统的优势同样可在非干旱地区、非高寒地区及非褐煤地区体现出来，空气重介质干法选煤系统不久会成为选煤家族的重要成员，将开启无水选煤的新时代。

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