磨煤机返料中硫铁矿流化分选试验研究
孟 齐,李桂春
(黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)
摘 要:针对磨煤机返料中的硫铁矿等物质导致磨煤机磨损严重以及增加电厂的脱硫成本问题，提出利用流态化原理对磨煤机返料流化分选，通过对硫铁矿等物质的脱除，达到高效节能、经济环保的目的。以华能某电厂磨煤机返料为试验对象，利用流化试验台进行分选试验，研究分选过程中各因素对分选效率的影响。结果表明，流化效果比较理想，硫铁矿在<0.22 mm得到富集，分离出的重产物全硫含量在15%以上，灰分高达72.3%，可脱除大部分硫铁矿等不可燃物质。当分选率为15.4%时，可燃体回收率为87.79%;如果将重样中<0.22 mm的颗粒去除，可燃体回收率可接近100%。
关键词:磨煤机返料;流化;分选;硫铁矿;可燃体回收率
中图分类号:TD94
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2018)04-0040-06
收稿日期:2017-12-27;责任编辑:张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.17122701
作者简介:孟 齐(1994—)，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为洁净煤技术和金属矿物分选。E-mail:919684105@qq.com
引用格式:孟齐,李桂春.磨煤机返料中硫铁矿流化分选试验研究[J].洁净煤技术，2018，24(4):40-45.
MENG Qi,LI Guichun.Experimental study on fluidized separation of pyrite in coal-mill refuel[J].Clean Coal Technology，2018，24(4):40-45.
Experimental study on fluidized separation of pyrite in coal-mill refuel
MENG Qi,LI Guichun
(College of Mining Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China)
Abstract:In view of the serious wear of coal mill caused by pyrite and other materials in coal mill recharge and the increase of desulfurization cost in power plant,the fluidization principle was put forward to separate coal mill return material by removing pyrite and other substances.To achieve the purpose of efficient energy saving,economic and environmental protection,the separation experiment was carried out on a fluidized bed with a coal mill in Huaneng Power Plant.The influence of various factors on the separation efficiency was studied.The results show that the fluidization effect is ideal,pyrite is enriched below 0.22 mm,the total sulfur content of heavy product is more than 15%,and ash content is up to 72.3%.The removal of most noncombustible materials such as pyrite can provide certain theoretical data for the economic operation of power plant.When the separation rate is 15.4%,the combustible recovery is 87.79%.If the particles less than 0.22 mm are removed from the heavy sample,the combustible recovery body can be close to 100%.
Key words:coal mill return material;fluidization;separation;pyrite;combustible recovery
0 引 言
目前，我国能源结构中煤炭占较大比重，发电厂仍以火电厂为主，从而加剧了大气的污染。火力发电机组中，制粉系统尤为重要，在这个环节中煤炭被充分破碎到一定粒径以下，煤炭中的矿物质和煤粉充分分离，在粗粉分离器的作用下，大块煤粉与密度较大的硫铁矿等矿物质返回磨煤机继续研磨，仅有少量矿物质被分离出来。在效益逐渐减少的形势下，很多电厂开始掺烧含硫量和矿物质比较高的劣质煤[1]，导致大量的硫铁矿和其他矿物质继续进入磨煤机研磨，并进入炉膛燃烧，使磨煤机能耗增加，产生大量的SO2等污染物，增加了烟气处理成本。此外硫铁矿等矿物质的燃烧，增加了炉膛结渣率，降低了锅炉效率[2-3]。因此在燃烧前对煤粉进行脱硫提质处理对于火电厂具有重要意义。
近年来干法选煤技术[3]已经较成熟，如空气重介质流化床[4]、脉动气流分选[5]、跳汰技术[6]以及复合干法选煤技术[7]已经或即将用于煤炭的工业分选。其中在气固流态化技术的基础上形成了完整的流态化分选体系，包括影响气固流化床分选过程的因素和条件[8]，流化床中气固两相的流化特性[9-11]，流化床内颗粒的分离规律[12-15]，这些研究都为利用流态化技术分选细煤粉带来可能[16]。何玉荣等[17]对鼓泡流化床气固两相流进行了模拟研究，建立了气固两相流计算模型，引入欧拉-拉格朗日，得出在不同的床层高度，颗粒的平均运动速度分布随着高度的升高而增加的结论。张亚恒[18]针对粒径<1 mm的电厂磨煤机返料进行模拟研究，对流化床中颗粒运动形态和流场进行数值计算，结果表明返料流化效果比较好，对于高密度颗粒分选效率可以达到20%左右，可燃体回收率90%。王帅[19]以电厂磨煤机返料作为研究对象，采用模拟和试验的方法进行脱硫降灰研究，利用示踪法模拟研究硫铁矿在流化床中的运动轨迹，搭建振动流化床试验台实际分离硫铁矿等矿物质，结果表明密度大的矿物质会在流化床底部聚集，密度小的颗粒会上浮在床层上部，将床层分为上下4层，最上层颗粒与底层颗粒灰分差值可达45%，可燃体回收率为88.64%，验证了利用气-固流化床分选磨煤机返料的可行性。
本文将流态化分选技术引入制粉系统，对返料进行流化分选试验，研究返料在试验装置中的流化规律，在满足磨煤机排渣率不高于2%的前提下，对硫化铁等矿物质进行分离，并利用工业分析、X荧光光谱仪和全硫测定来分析试验的分选效果，研究利用流态化技术对磨煤机返料分选提质的可行性。
1 磨煤机返料分析
样品取自贵州某电厂在磨煤机返料口，经工业分析和元素分析，测得其灰分为48.6%，全硫含量为2.51%，Fe元素含量为2.11%，硫铁矿含量比较高。称取样品150 g，利用标准振筛机进行筛分，筛孔粒径分别为0.880、0.630、0.450、0.220和0.105 mm，其粒径分布如图1所示。可以看出，煤粉粒径主要分布在<0.45 mm，其中主导粒径为0.45～0.22 mm和0.220～0.105 mm，含量分别达到47.4%和18.8%。
图1 物料粒径分布
Fig.1 Material particle size distribution
对各个粒径进行灰分和全硫测定，结果见表1。各粒径下灰分接近，说明煤块破碎较均匀;粒径<0.105 mm的煤粉全硫含量最低，与矿物质相比，煤的硬度较低，所以煤炭更易被破碎到小粒径，而较多含硫矿物粒径集中于0.105 mm以上;在粒径>0.45 mm的颗粒中，灰分和全硫含量呈不规律性，这是由于此粒径下煤与硫铁矿还未完全分离，且粒径较大，总含碳量较高，需要返回磨煤机继续研磨。
表1 主要粒径分析
Table 1 Main particle size analysis
2 流化试验
2.1 试验装置
图2为流态化分离试验系统，试验装置由供风系统、流量调节系统、数据采集系统和试验台主体组成，其主体部分为环形，在顶部设有排风口，风室在试验台底部，经阀门的调节，风机可以提供0～0.8 MPa的风压，在内圆处收集分选后轻物质，环形底部设有排渣孔，用于收集重物质，在满足开孔率的前提下，风帽采用钟罩式，避免煤粉倒流。
图2 流态化分离试验系统
Fig.2 Schematic diagram of fluidized separation test system
2.2 分选试验
每次取磨煤机返料3 kg，共进行3组试验，取不同的分选率(分离后床室中重样所占比例)，比较不同试验的分选效果。取样后加入流化床试验装置中，并使物料分布均匀，记录床层高度(物料均匀的情况下物料层厚度)为80 mm。打开风机通风，通过控制阀门逐渐增加风量和风速，观察流化情况，并利用数据采集系统记录床室内不同测点的压力变化。床室内物料依次经历固定床、鼓泡床和快速流态化，随着风速和风量的增加，床层孔隙率增加，部分煤粉作为轻样被机械性携带进入内环储存室中，剩余的重物质作为重样被排渣孔排出。每增加一次风速，保持10 min，间隔记录3组压力数据，取算数平均根。压力稳定后关闭阀门，物料静止稳定后记录床层高度，以此高度确定分选率，试验结束后进行排渣，此时重物质质量占试验原物料的比例即为本次试验的真实分选率。3组试验的分选率分别为25.0%、18.3%和15.4%，最大风速分别为1.1、1.3和1.7 m/s。
3 试验结果与分析
3.1 流化特性曲线
通过床层的气流速度不同时，试验台呈现不同的流化状态，床层的压降也会随之变化。结合3组试验，利用“上行”试验方法得到流化特性曲线，如图3所示。可以看出，在风速较低时，床层压降随风速的增加而急剧增加，为固定床状态;当风速达到0.12 m/s时，床层压降达到最大值0.23 kPa，开始进入临界流化床状态，即本试验的临界流化速度为0.12 m/s;随着风速的增加，床室内的煤粉开始流化，并逐渐出现分层现象，此时密度和粒径较大的颗粒开始积聚在下层，小颗粒煤粉颗粒积聚在上层;当风速达到0.51 m/s(即鼓泡速度)并继续增加时，床层开始出现气泡，床层内颗粒交换频繁加剧(图3中A区域)，风速继续增加，气泡的上升速度和气泡体积逐渐增大，出现扬析和夹带等现象，将一小部分细小颗粒煤粉带出床室，进入试验台储粉仓中，由于床层的不稳定和床料的减少，床层压降有所降低;当风速达到0.72 m/s后，物料开始进入快速流态化状态，床层波动加剧(图3中B区域)，出现气流的机械性携带，将密度和粒径比较小的煤粉带出床室，实现煤粉中高密度硫铁矿和低密度煤粉的进一步分离。
图3 流化特性曲线
Fig.3 Fluidized property curve
3.2 粒度分析
对试验后的轻样和重样进行粒径筛分，粒径分布如图4所示。3组试验的颗粒分布规律基本相同，轻样中煤粉粒径集中在<0.45 mm，其中粒径在0.220～0.105 mm的煤粉占55%以上，<0.105 mm的煤粉占14.9%以上，且随着分选率的降低，这2个粒径范围的颗粒含量有所减少，粒径>0.45 mm的煤粉含量几乎为0;重样中粒径>0.45 mm的物料占主导，且随着分选率的降低，粒径<0.45 mm的颗粒比例逐渐减小。3组试验中，粒径<0.22 mm的煤粉占试验原样的比例分别为4.51%、2.93%和1.98%，0.45～0.22 mm的煤粉所占比例分别为7.03%、5.63%和5.02%。
图4 分离后轻样和重样粒径分布
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%来自硫铁矿，所以对分离后重样的各个粒径进行了全硫测定，如图5所示。3组试验重样中，各粒径全硫含量变化趋势基本相同，随着粒径的增加，全硫含量降低，说明分选效果较理想，颗粒按照密度和颗粒实现了分离。小颗粒中，由于硫铁矿的密度较大，因此相同体积下所受的重力较大，不易被气流携带出床室;大颗粒中，由于颗粒体积较大，很难被分离出来，这部分煤粉需要进入磨煤机再次研磨成为小颗粒煤粉。结合图4分析，<0.105 mm的煤粉含量在0.1%以下，且全硫含量与试验前的煤样一致，这是由于排渣孔的存在，导致有很少的煤粉没有得到流化分选，但这对试验结果没有影响。
图5 分离后重样中各粒径全硫含量
Fig.5 Total sulfur content of each particle size in the resample after separation
粒径在0.220～0.105 mm的颗粒全硫含量在12%以上，是试验原样的4倍，硫铁矿在此粒径下得到了富集，且随着分选率的降低，富集效果越明显。试验3中风速为1.7 m/s时，分选率为15.4%，全硫含量高达15.5%，接近于纯硫铁矿全硫含量。3组试验中粒径在0.45～0.22 mm的煤粉，全硫含量在4%左右，比试验原样增加了53%，富集效果没有小粒径煤粉明显，这是由于风速和风压还没有达到该粒径下的富集程度，随着风速的进一步增加，硫铁矿会在这一粒径下富集，但是<0.22 mm的颗粒会全部作为分离轻样被气流携带至储煤仓中，导致很多硫铁矿得不到分离。
3.3.2 Fe元素分析
为进一步确定硫铁矿的分选效果，利用X荧光光谱仪对重样中0.220～0.105 mm的颗粒进行Fe元素分析，如图6所示。在同一煤种中，光谱的能量强度与元素含量呈正相关。试验原样中Fe元素含量仅为2.11%，而试验1中Fe元素含量最低，为3.50%，试验3效果最为明显，Fe元素含量达到9.01%，是原样的4倍多，进一步说明硫铁矿在粒径0.220～0.105 mm得到了富集，分选效果较好。
图6 粒径在0.220～0.105 mm的颗粒能谱
Fig.6 Energy spectra of 0.220-0.105 mm
对试验3重样中0.45～0.22 mm的颗粒进行测定，并与0.220～0.105 mm的颗粒进行比较，如图7所示。0.45～0.22 mm粒径的颗粒，Fe元素含量为2.32%，比试验原样略高，说明在此粒径下，硫铁矿因为风速低未得到富集，且硫铁矿与煤未充分分离，存在煤中带矿现象，需要进一步研磨分离。
图7 试验3重样中0.220～0.105 mm和0.45～0.22 mm颗粒光谱
Fig.7 Spectra of 0.220-0.105 mm and 0.45-0.22 mm in heavy sample of test 3
3.4 灰分变化及可燃体回收率
结合全硫和Fe元素分析，粒径>0.22 mm的煤粉未得到充分研磨，利用工业分析仪对3组试验重样中>0.45、0.45～0.22和0.220～0.105 mm三个粒径区间的煤粉进行灰分分析，如图8所示。
图8 3组试验重样不同粒径下的灰分
Fig.8 Ash content of different particle sizes in the three experiments
由图8可知，灰分随粒径的增大而减少，粒径>0.45 mm时，3组试验的灰分几乎相同，为53%左右，稍高于原样的48%;粒径0.45～0.22 mm的颗粒，灰分随着分选率的降低而增加，其中试验3含量最高，为65.61%;粒径0.220～0.105 mm的颗粒，灰分均在70%以上，其中试验3灰分最高，达到72.3%，说明当粒径<0.22 mm时，对矿物质的分选效果最好，分离出来的颗粒基本为不可燃矿物质。
对3组试验的分离轻样进行灰分测定，得出试验1、2、3轻样灰分分别为43.48%、45.69%、44.91%，结合原样灰分为46.91%，利用式(1)[16]计算可燃体回收率，得出试验1的可燃体回收率仅为79.82%，试验3最高，为87.79%。
(1)
式中，E为可燃体回收率;Ady为原样灰分;Adq为轻样灰分;γf为分选率。
如果将分离重样按照粒径进行二次分离，将>0.22 mm的煤粉返回磨煤机继续研磨，<0.22 mm的煤粉作为排渣排出，结合此粒径下灰分高达70%以上，可燃体回收率可接近100%。
4 结 论
1)结合3组试验得出磨煤机返料在3 kg物料下的流化特性曲线，起始流化速度为0.12 m/s，床层最大压降为0.23 kPa，起始鼓泡速度为0.51 m/s，进入快速流态化的速度为0.72 m/s。
2)经流化分选后，轻样粒径主要分布在<0.45 mm，重样主要分布在>0.45 mm。随分选率的降低，重样中<0.22 mm的颗粒逐渐降低，分选率为15.4%时其占比1.98%，满足制粉系统排渣率2%的要求。
3)在重样分离中，粒径为<0.22 mm的全硫含量和Fe元素含量比较高;当分选率为15.4%时，此粒径下含量最高，全硫含量为15.5%，Fe元素含量为9.01%，硫铁矿得到了富集。
4)当分选率为15.4%时，可燃体回收率为87.79%;如果将重样中<0.22 mm的颗粒去除，可燃体回收率可接近100%。
参考文献(References):
[1] 颜雪琴.掺烧劣质煤对供电煤耗影响的分析[J].电力与能源,2014,35(3):353-355.
YAN Xueqin.An analysis of the impact of low quality coal on coal consumption[J].Power and Energy,2014,35(3):353-355.
[2] 黄苑龄,余红林.贵州省某硫铁矿可选性试验研究[J].化工矿物与加工,2017,46(8):8-9,27.
HUANG Yuanling,YU Honglin.Experimental study on selectivity of pyrite in Guizhou province[J].Chemical Minerals and Processing,2017,46(8):8-9,27.
[3] 曹长武,张太平.火力发电厂用煤技术[M].北京:中国电力出版社,2006:161-162.
[4] 李敏,王安,唐利刚,等.气固流态化干法选煤技术现状[J].煤炭加工与综合利用,2013(4):25-29.
LI Min,WANG An,TANG Ligang,et al.Status quo of gas-solid fluidized dry coal preparation technology[J].Coal Processing and Comprehensive Utilization,2013(4):25-29.
[5] 陈霞,邢洪波,李海滨,等.细粒煤在空气重介质流化床中分层规律的研究[J].矿业工程研究,2012,27(1):64-67.
CHEN Xia,XING Hongbo,LI Haibin,et al.Study on stratification law of fine coal in air mass medium fluidized bed[J].Mining Engineering Research,2012,27(1):64-67.
[6] 何亚群,赵跃民.脉动气流分选[M].北京:化学工业出版社,2012.
[7] 刘晓军.我国动筛跳汰选煤技术与装备的最新进展[J].选煤技术,2010(6):75-78.
LIU Xiaojun.China's moving sieve jigging coal preparation technology and equipment of the latest progress[J].Coal Preparation Technology,2010(6):75-78.
[8] 沈丽娟,陈建中.复合式干法分选机中床层物料的运动分析[J].中国矿业大学学报,2005,34(4):447-451.
SHEN Lijuan,CHEN Jianzhong.The movement of the bed material compound dry separation analysis[J].Journal of China University of Mining and Technology,2005,34(4):447-451.
[9] 董良.浓相脉动流化床流化与分选机理研究[D].徐州:中国矿业大学,2015.
[10] 庄宏乾.不同粒级煤在振动流化床中分层行为的研究[D].徐州:中国矿业大学,2015.
[11] ZHAO Y,TANG L,LUO Z,et al.Experimental and numerical simulation studies of the fluidization characteristics of a separating gas-solid fluidized bed[J].Fuel Processing Technology,2010,91(12):1819-1825.
[12] 贺靖峰,赵跃民,何亚群,等.浓相气固高密度流化床内的气泡动力学行为特性[J].煤炭学报,2012,37(2):295-300.
HE Jingfeng,ZHAO Yuemin,HE Yaqun,et al.Bubble dynamic behavior in dense phase gas-solid high-density fluidized bed[J].Journal of China Coal Society,2012,37(2):295-300.
[13] 韦鲁滨,陈清如.气固流化床中粗粒的沉降行为[J].中国矿业大学学报,2000,29(2):136-139.
WEI Lubin,CHEN Qingru.Sedimentation behavior of coarse particles in gas-solid fluidized bed[J].Journal of China University of Mining and Technology,2000,29(2):136-139.
[14] 陶秀祥,严德崑,骆振福.气固流化床密度的在线测控研究[J].煤炭学报,2002,27(3):315-319.
TAO Xiuxiang,YAN Dekun,LUO Zhenfu.Study on on-line measurement and control of gas solid fluidized bed density[J].Journal of China Coal Society,2002,27(3):315-319.
[15] 张少峰,王琦,赵斌,等.用压差变化阈值确定外循环流化床的起始外循环流化速度[J].化工装备技术,2006,27(3):23-26.
ZHANG Shaofeng,WANG Qi,ZHAO Bin,et al.Determine the initial outer circulation fluidization velocity of an external circulating fluidized bed by differential pressure variation[J].Chemical Equipment Technology,2006,27(3):23-26.
[16] 刘阳,刘文铁,何玉荣,等.流化床内非等密度双组分颗粒流动特性的研究[J].热能动力工程,2005,20(6):615-618.
LIU Yang,LIU Wentie,HE Yurong,et al.Study on the flow characteristics of non-uniform density in fluidized beds[J].Thermal Energy Engineering,2005,20(6):615-618.
[17] 何玉荣，陆慧林，别如山，等.鼓泡流化床宽筛分颗粒气固两相流动的流体动力学[J].动力工程学报，2003，23(5):2646-2651.
HE Yurong,LU Huilin,BIE Rushan,et al.Hydrodynamics of gas-solid two-phase flow in bubble fluidized bed with wide screening[J].Journal of Power Engineering,2003,23(5):2646-2651.
[18] 张亚恒.电厂磨煤机返料振动流化床分选的床层特性研究及数值模拟[D].徐州:中国矿业大学，2016.
[19] 王帅.电厂磨机返料在稀相振动气固流化床中的颗粒分离行为[D].徐州:中国矿业大学,2013.
