复合物理力场中细粒煤脱硫研究.pdf

第30卷第4期煤 炭 学 报Vol . 30 No. 4 2005年8月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYAug . 2005 文章编号 0253 - 9993 2005 04 - 0497 - 05 复合物理力场中细粒煤脱硫研究 陶有俊 1 ,符东旭 2 ,陶东平 1 ,刘炯天 1 ,赵跃民 1 1 1中国矿业大学 化工学院,江苏 徐州 221008; 21邢台矿业集团公司 邢台煤矿,河北 邢台 054000 摘 要论述了- 015 mm细粒级高硫煤在复合物理力场下所进行的脱硫试验,并采用Design2 Expert 610进行了正交试验设计和试验结果分析,得出了脱黄铁矿硫综合效率与不同操作变量之 间的二因素交互关系模型,即2FI模型,分析了不同操作因素对脱黄铁矿硫效率的交互影响,指 出给料速度和入料浓度的交互作用对脱黄铁矿硫综合效率的影响最大.并进一步对试验方案进行 了优化,实现了脱黄铁矿硫综合效率达86190. 关键词细粒煤;脱硫;离心力场;黄铁矿;脱硫效率 中图分类号TD922 文献标识码 A 收稿日期 2004-12-15 作者简介陶有俊1964 - ,男,安徽滁州人,副教授,工学博士.Tel 0516 - 3995976,E - mail tyj9000sina1com Research on desulfurization of fine coal under compounding the physics force field TAO You2jun 1 , FU Dong2xu 2 , TAO Dong2ping 1 , L I U Jiong2tian 1 , ZHAO Yue2min 1 11School of Chem ical Engineering, China University ofM ining and Technology, Xuzhou 221008,China;21Xingtai CoalM ine, XingtaiM ining Group Company,Xingtai 054000,China Abstract Desulphurization experimental carried on under compounding the physics force field was described for - 015 mm fine particle of high sulphur coal, the experi ment factorial plan of desulfarization by centrifugal gravity Falcon separatorwas designed and its resultswere analyzed by usingDesign - Expert 610 software, and the 2 - fac2 tor interaction relation model between comprehensive desulphurization efficiency ofpyrite sulphur and differentoper2 ation variable was drawn, i1e12FImodel1and the 2 - factor interaction on pyrite desulphurization efficiency of the operation factors differently was analyzed, and the interaction on pyrite desulphurization efficiency of feed rate and feed concentration is significant, the optimization test condition for desulfarization was proposed by Design2Expert 610, and comprehensive desulphurisation efficiency of 86190 can be achieved1 Key words fine coal;desulfurization; centrifugal force field; pyrite; desulfarization efficiency 随着机械化采煤和矿井开采产量的增加,原煤中的细粒煤含量逐渐加大,- 015 mm级细粒含量大多 数接近20左右,尤其对炼焦煤选煤厂来说,这一部分的净化和回收对选煤厂经济效益的影响至关重要. 因此,在今后相当长一段时间内,煤炭的脱硫降灰及洁净煤技术的发展方向,主要是研究细粒煤分选工艺 及设备.目前针对细粒煤的分选方法很多,但普遍采用的仍然是泡沫浮选,虽然浮选技术对于- 015 mm 细粒煤的分选在某些情况下能取得较好的效果,尤其是浮选柱新技术的发展和推广应用,使浮选效率进一 步提高,但是,浮选技术往往难以获得令人满意的脱硫效果 [1～3 ]. 由于重力分选成本低、环境污染小,而被广泛应用于金属矿和煤炭的分选中.随着水力学、两相流和 选矿理论的发展,重力分选设备已经从简单地应用重力、水流阻力发展到利用重力、水流阻力、离心力、 煤 炭 学 报 2005年第30卷 电磁力、机械振动力等复合力场进行分选,从而使得重力分选设备对细粒甚至微细粒的分选能力得到极大 提高.Falcon离心分选机被称为目前最有效的细粒重选设备之一,该设备通过采用离心力场来强化细粒物 料按密度进行有效分离.本文将论述- 015 mm细粒级高硫煤在Falcon离心分选机内的复合物理力场下进 行的脱硫试验研究,并就黄铁矿硫的脱除效果和影响因素进行分析和评价 [1, 2, 4 ]. 表1 - 015 mm原煤小浮沉结果 Table 1 The float and sink analysis of - 015 mm raw coal 密度/gcm - 3 产率/灰分/硫分/Σ产率/Σ灰分/Σ硫分/ 11837119831107119100100341844128 合 计100100341844128 1 试验条件和方法 1试验用煤 分选试验煤样 为- 015 mm级原煤,表1为分选入 料小浮沉结果.从小浮沉结果看 118密度级含量达37119 ,灰分和 硫分分别为83110和7119 ,而 114～118中间密度物含量为9178 , 若按密度分选应属于易选,有利于 Falcon离心重力分选. 2试验设备 Falcon分选机是在一离心力场中完成分选的设备.该设备主要由带有光滑表面可产 生高达300g加速度的旋转截锥组成.物料由中心给料管给到旋转的锥体中,并由一转子沿锥体加速.矿 浆沿锥壁形成一薄流膜,并在离心力的作用下在分选锥体壁上沉降和分层.轻颗粒在层的顶部,由锥口上 部溢流排出,而大颗粒高密度沉降到锥壁,并沿锥体壁向上移动,堆积在尾矿槽中,可间断排出,也可实 现由排料口连续排出. 分选设备选用的Falcon SB40型高效离心重力分选机主要参数包括处理量为0～0125 t/h;最大入料 量为38 L /min;分选区面积为285 cm 2 ;离心加速度为50g～300g;耗水量为0124～112 m 3 /h;外形尺寸 为490 mm310 mm510 mm;入料粒度为015 mm. 3试验方法 Falcon离心分选脱硫试验过程的主要影响因素包括分选机的给料速度、入料浓度、 离心力和反水压力.试验采用Design2Expert 610软件进行试验设计,采用了4因素3水平部分正交试验, 表2 试验影响因素及水平 Table 2 Test levels of parameters 影响因素 因素 代码 水 平 - 1100110 给料速度/Lmin - 1 A22153 入料浓度/B152025 反水压力/PsiC234 转动频率/HzD707478 共29组试验. Design2Expert 610是由美国Stat2Ease公司开发的、 应用广泛的试验设计软件系统,利用它可以对试验数据 进行统计分析,拟合曲线,建立数学模型,利用其提供 的不同因素的二维等高线图形,可预测试验结果,也可 以利用其提供的三维立体图形观察响应曲面,进一步求 得试验的最佳化,目前该软件已广泛地应用于各类多因 素试验设计和分析.表2为正交试验条件及水平. 2 试验结果及分析 211 黄铁矿脱硫效率的计算 根据29组Falcon脱硫试验所得到的精矿和尾矿产品,经计量后分别对其做灰分和成分硫测定分析, 然后可分别计算出每组试验的可燃体回收率、黄铁矿硫脱除率、全硫脱除率、全硫脱硫效率和脱黄铁矿硫 效率等指标.其中脱硫效率是采用我国学者王力等借鉴浮选完善度指标的概念提出的一个煤的综合脱硫效 率指标ηs进行计算 [5 ] ,即 ηsγ j S p, y - Sp, j100 Sp, y100- Ay- Sp, y ,1 式中,Sp, y为原煤黄铁矿硫分, ;Sp, j为精煤黄铁矿硫分, ;γj为精煤产率, ;Ay为原煤灰分, . 894 第4期陶有俊等复合物理力场中细粒煤脱硫研究 由于我国绝大部分高硫煤的成分硫中主要以黄铁矿硫为主,而物理选矿恰可以有效脱除其中的黄铁 矿,因此,将主要就脱黄铁矿硫效率及其与不同操作因素之间的关系进行分析讨论,试验结果见表3. 表3 Box - Behnken正交试验结果 Table 3 Factorial design and experi mental response 编号 给料速度 /Lmin- 1 入料浓度 / 反水压力 /Psi 转动频率 /Hz 脱黄铁矿 硫效率/ 编号 给料速度 /Lmin- 1 入料浓度 / 反水压力 /Psi 转动频率 /Hz 脱黄铁矿 硫效率/ 1210020100210074100651191621002510031007410078199 2210015100310074100651701731002010031007010070133 3215025100310070100711921821002010031007810061161 4215020100310074100761201921502010041007010069174 5215020100310074100661682021502010021007010066171 6215020100410078100741062121501510041007410073116 7310020100310078100681252221502510041007410070178 8215025100210074100711872321501510031007810069100 9215020100310074100731172431002510031007410048118 10215020100310074100731942531002010021007410065194 11215020100210078100681632621501510031007010059120 12210020100410074100781792721002010031007010065171 13215025100310078100681292831001510031007410079112 14215015100210074100681832931002010041007410075122 1521502010031007410077142 表4 2FI模型偏差平方和分析 Table 4 2FImodel analysis of partial sum of squares 方差来源平方和自由度均方F ProbF 模型66011410661012124001066 0 A6167161670123001640 2 B2106121060107001794 6 C991641991643137001082 8 D3123131230111001744 5 AB488191 148819116156001000 7 AC4166141660116001696 0 AD1102111020103501854 7 BC7136171360125001623 7 BD451141451141153001232 2 CD1145111450104901827 3 残差5311581829153 拟合缺陷46211514331011190001281 4 Pure Error69144417136 Cor Total1 19117228 212 黄铁矿硫综合脱硫效率和各操作变量之间关系模型的建立 根据表3中的29组试验数据,可建立脱黄铁矿硫效率和各操作变量之间关系的2FI模型,如式2 所示.表4, 5为所建立的2FI模型方差分析和置 信度分析. 表5 2FI模型方差分析 Table 5 2FImodel analysis of variance 标准偏差5143R01744 2 均值69175R2校正值01306 1 C1V17179R2预测值- 01218 3 预测残差平方和1 451183精确度71052 从模型的拟合结果来看,其标准偏差为5143, 应能满足预测精度要求,从不同操作因素之间的交 互作用的影响看,入料浓度和给料速度的交互作用 对黄铁矿硫的综合脱硫效率影响最大,表6为模型 的预测结果与实际值的比较及残差分布情况. SP_ efficient -36512174175A 24122B 2157C 2141D -4142AB -2116AC 01252AD - 01271BC -01168BD 0115CD.2 994 煤 炭 学 报 2005年第30卷 表6 模型的预测结果 Table 6 D iagnostics case statistics 序号实际值预测值残差学生化残差序号实际值预测值残差学生化残差 16517059185518511453167017870186- 01080- 01020 27911280147- 1136- 01337176511966153- 1134- 01332 37819981113- 2114- 01532186519467120- 1126- 01312 44811857153- 9135- 21322197817974145413411077 56617166195- 0123- 01058207512270180414211097 66917471151- 1177- 014382159120661287109- 11760 768163661781185014592271192721170125- 01062 874106731750131010782369100741045104- 11252 96517170148- 4177- 11184246812966149118001447 1070133671982136015852566168691753106- 01574 116116170151- 8190- 21209267612069175- 614611209 126812570102- 1177- 01440277319469175- 412001786 136818365192219101722287311769175- 314201641 147118767181410611009297714269175716711437 157311674140- 1124- 01307 213 黄铁矿脱硫效率与不同操作因素之间关系的分析 图1, 2分别为不同操作因素之间关系的等高线.由图1可以看出当反水压力和转动频率为中间水 平时,给料速度和入料浓度其中之一取低水平,另一因素取高水平时,可获得7712的脱黄铁矿硫综合 效率;而在脱黄铁矿硫综合效率为59133的等高线上,随着给料速度的增加,入料浓度基本保持不变, 而当给料速度增加到213 L /min左右时,该等高线上的入料浓度出现急剧下降;同样由图2可以看出在 脱黄铁矿硫综合效率为69133时,在较低或较高的入料浓度下,随着入料浓度的增加,离心机的转动频 率呈缓慢的减小,而在20左右的中间水平时,随着入料浓度的增加,离心机转动频率迅速增加. 图3为黄铁矿硫综合脱硫效率与不同操作因素之间的三维响应曲面,从图中可以看出由于给料速度 和入料浓度都是影响Falcon分选单位时间的物料量,两者对脱黄铁矿硫效率的交互影响是入料浓度在低 005 第4期陶有俊等复合物理力场中细粒煤脱硫研究 水平时,随着给料速度的增加,脱硫效率也增加,在入料浓度为高水平时,随着给料速度的增加,脱硫效 率将减小. 214 试验方案的优化 在对脱黄铁矿硫效率的分析及模型拟合的基础上,进一步利用Design - Expert 610对试验参数进行优 化,即在获得最佳脱黄铁矿硫效率指标的情况下,各操作参数取值最优.表7为获得最佳分选指标时的优 化方案.从优化结果可以看出在给料量为2197 L /min,入料浓度为15101 ,反水压力为3180 Psi,离 图3 当离心机转动频率为74 Hz,反水压力 为3 Psi时,脱黄铁矿硫综合效率与 给料速度和入料浓度之间的关系 Fig13 Response surface for feed rate and feed concentration at rotation frequency 74 Hz and water pressure 3 Psi 心机转动频率为77173 Hz时,可获得86190的最佳的脱黄铁 矿硫综合效率. 表7 分选试验优化方案 Table 7 Opti m ization scheme of desulfaration efficiency 序号 给料量 /Lmin - 1 浓度 / 水压 /Psi 转动频率 /Hz 脱黄铁矿 硫效率/ 期望度 12197151013180771738619011000 挑选 22103241643197751788112511000 32199151523185731218017911000 42102241923179751368115911000 52182151233182751028014511000 62195151263189761658419511000 72192151453195751758310611000 82105241713194721908216311000 92106241083197731698018511000 103100151004100711648016801988 3 结 论 1利用复合物理力场可大大强化细粒物料的分选,从而有效地按密度进行分离. 2Falcon离心重力分选机对- 015 mm级高硫煤的分选取得了很好的脱硫效果,经过对Falcon分选 机操作参数优化后,可实现对脱黄铁矿硫综合效率达86190 ,结果是令人满意的. 3脱黄铁矿硫综合效率与各操作变量之间关系模型可表示为 SP_ efficient -36512174175A 24122B 2157C 2141D -4142AB -2116AC 01252AD -01271BC -01168BD 0115CD. 4在不同操作参数中,给料速度和入料浓度的交互作用对脱黄铁矿硫综合效率的影响最大. 参考文献 [1] 陶有俊,陶东平,刘炯天,等.Falcon离心分选机对细粒煤脱硫试验研究[J ].金属矿山, 2004 2 41～43. [2] Honaker R Q, Singh N, Govindarjan B.Application of dense2medium in an enhanced gravity separator for fine coal cleaning [J ]. Mineral Engineering, 2000, 13 4 415～427. [3] 陶有俊,路迈西,蔡 璋,等.细粒煤浮选动力学特性的研究[ J ].中国矿业大学学报, 2003, 32 6 694～ 697. [4] 凌竞宏, Laplante A,胡熙恩.国外离心选矿机的发展与应用[J ].国外金属矿选矿, 1998 5 2～4. [5] 王 力,刘泽常.煤的燃前脱硫工艺[M ].北京煤炭工业出版社, 1996. 105