空气重介质流化床动态分析方法

★加工转化★空气重介质流化床动态分析方法杨学瑜王振翀韦鲁滨(中国矿业大学(北京校区),北京市海淀区学院路丁11号,100083)摘要提出了空气重介质流化床动态分析方法,它由流化过程动态分析和分选过程动态分析组成。通过探讨,认为这些方法为掌握床层密度的均匀性、稳定性以及气固悬浮流动性的控制机制,为提高煤炭分选效率提供了理论基础关键词空气重介质流化床小波变换混沌理论室研究阶段,未能实现工业化。1概述1984年中国矿业大学开始进行流态化技术的目前国内外关于空气重介质流化床分选的研究研究,1989年完成工业化系统的研究和建设,研制重点一直放在工业应用的可行性上,应用的基础研两段复合式大压降气体分布器1994年在黑龙江究远远滞后于工程实践。而且由于问题的复杂性,七台河市建成了世界首座50th空气重介质流化床如系统存在多尺度相互作用和多种过程的耦合,采法选煤厂。用常规的均值法难以反映流化和分选系统的内在机中国矿业大学现正进行空气重介质流化床分选理,也不能满足生产实际需要。因此,本文提出空气的200t/h大型化研究,并被列为国家“九五”攻关项重介质流化床动态分析方法,即首先分析各个过程目之一。除了技术研究和工业化应用研究外,中国和某一尺度的独立变化规律,然后综合考虑不同过矿业大学还在基础研究方面做了许多工作。例如程之间的耦合和不同尺度之间的关联。空气重介质通过对气固流化床的密度稳定性的研究,揭示了矿流化床动态分析由流化过程动态分析和分选过程动物在流化床中的分层机理,提出了煤炭在气固流化态分析组成。流化过程动态分析包括加重质颗粒速床中的三级分布理论;通过对粗粒物料(相对于固相度、床层差压信息的多尺度和混沌分析,分选过程动加重质)在流化床中的分层研究,针对轻重产物之态分析包括加重质颗粒速度波动和床层差压波动对间有一定错配的现象,提出了粘性错配效应和运动重物受力的影响分析,这些研究为掌握床层密度的错配效应交互决定其分布结果的观点。同时在气固均匀性、稳定性以及气固悬浮流动性的控制机制提流化床分选动力学模型及数值模拟方面也进行了深高煤炭分选效率提供了理论基础。入研究,通过单颗粒动力学模型及数值计算,得到了不同密度与粒度的矿粒在气固流化床中沉降的深度2国内外研究现状描述,从而对流化床分选过程中精煤上浮而矸石下20世纪20年代流态化技术刚一问世,美国的沉的分层现象用动力学给予了理论解释T·弗雷瑟( Fraser)就提出了利用流态化床进行块近年来,日本等国根据中国矿业大学的研究报煤分选的设想。接着,美、苏等国也开始着手研究干道一直开展跟踪研究法选煤技术,并先后研制出了各种分选设备。进入3存在的问题20世纪六七十年代,美国、前苏联和加拿大等国开中国煤化工始了空气重介质流化床干法选煤技术的实验研究3.1但是,由于气体分布器的设置、排料方式和加重质的CNMHGL心x不后于选煤的时间不长粒度级配等方面研究不够,流化床的密度不够均匀还处于发展初期,空气重介质流化床干法分选技术加重质返混严重,分选精度不理想,至今仍处于实验在工业应用中存在的主要问题涉及气体分布器、分中国煤炭第31卷第3期2005年3月选精度、分选下限和设备的大型化。第一气体分布经放大、离散后保存到计算机中,然后根据需要把数器的抗堵适应性和长期运行过程中的可靠性还有待据转换成文本格式。颗粒速度由中科院过程所研制提高;第二是分选精度不高,目前可能偏差Ep值为的光导纤维颗粒测速仪测量,该仪器与计算机相连,0.07g/cm3左右;第三分选下限高,目前的分选下限把数据保存到计算机中。是6mm,但我国生产的原煤6mm以下级别约占由于实验所测得的原始信号会被传感器、电源60%,3~6mm粒级约占30%;第四是处理能力低,及电磁等干扰,还会受到噪音信号污染,因此,为保目前的空气重介质流化床分选机的单机处理能力为证信号真实性需要对原始信号进行滤波(或降噪)处50t/h,分选机的单位面积处理能力为5t/h·m2,设理。传统的滤波采用傅立叶变换滤波,该方法只是备的大型化可以提高处理能力。单纯地对频域滤波,把带通之外的频谱不加区分地3.2基础研究中的问题过滤掉,许多有用的信号也随之被滤掉。而小波变流化床分选的基础研究难度在于非均匀的两相换滤波方法可以在小波分解之后在各个层次选择阈结构及由此而产生的多尺度相互作用,属于典型的值,对噪声成分进行抑制,手段更加灵活。而且此方复杂系统。流态化分选过程涉及复杂的宽筛分、多法还兼顾了频域和时域。从时域分析的角度,更容密度组分颗粒体系,需要研究气体一粒子粒子一粒易体现信号的相似性,但信号的光滑性不太好处理,子、物体一粒子等多尺度、不同作用机制的复杂行因为时域的分析可以很好地判断信号的动态性质;为。由于问题的复杂性,目前对空气重介质流化床而在频域中,可以很方便地过滤掉高频的噪声信号,流化和分选特性的研究远不能满足生产实际的需使得信号无限光滑,但是在原信号中能量比重很小要。存在的关键科学问题有:对多组分加重质物理的很多有用的信号成分可能被过滤掉。性质与流态化质量的内在作用规律缺乏认识,对床4.2床层差压信号的动态分析层密度均匀性、稳定性和流动性的控制机制还没有床层差压信号的动态分析主要是对床层差压信完全掌握;对流态化分选的动力学特性缺乏定量描号进行多尺度分析和混沌时间序列分析。多尺度分述,如气固悬浮流变特性、各尺度颗粒在流化床中的析主要讨论不同布风板(A与B布风板)不同床高运动规律等。要想实现空气重介质流化床工业化的在不同气速下的床层差压信号功率谱在多个尺度上高效干法分选,必须解决上述两个关键的科学问题的变化规律。实验中釆用多比茨( Daubechies)系列小波函数中的db6作为小波母函数,对数据作六4研究方法尺度的小波分解,然后提取功率特征值,以此反映信理想的分选流化床应具备浓相密度高、低粘度号的能量变化。在小尺度上,细节信息对应信号中和均匀稳定。掌握床层密度的均匀性稳定性以及的高中频信息,而在大尺度上,则对应信号的低频信气固悬浮体运动特性是形成分选流化床的关键。由息,如气泡变化。从试验数据中发现,在固定床时,于流态化这一多相流反应体系本身的复杂性及非确差压波动幅度小,高频区(1尺度和2尺度)的能量定性,检测技术又未臻完善,在定量的准确性上靠理很小,几乎为零,而能量大多分布在中频区(3尺度论解决还有相当的困难。在空气重介质流化床干法和4尺度),到起始流化速度后,差压波动幅度变化分选的过程动态分析中的应用方面的文献未见报大,但能量的分布发生了变化,迅速向较低频率转道,如测量信号的小波分析与混沌时间序列分析。移,说明气泡运动占主导。为此,笔者运用 Matlab6.5软件,利用对所测量的床混沌时间序列分析主要是床层差压信号的混沌层差压、加重质颗粒速度及待选物料受力数据进行识别及不同尺度下的关联维和最大雷朋诺(Lya信号处理,研究床层密度和颗粒速度的动态变化,并 punov)指数2个混沌参数的变化情况。当气速增分析两者的变化对待选物料在床层中受力的影响。加,直至超过最小流化气速出现气泡时,床层压力开4.1信号测量与噪声处理方法始中国煤化工行为逐渐表现出混采用美国霍尼韦尔公司微差压传感器测量床层沌CNMH逐渐由于气泡的出差压信号,采用中科院力学所研制的量程范围为现和相m而假引敏,且阳气速增加气泡越来越0.1~50g的微力传感器测量,这2种信号接人数字多、越来越频繁地出现。这说明气泡是引起流化床动态应变仪中,数字动态应变仪与计算机相连,信号混沌运动的根源。最大雷朋诺指数(下转第51页)空气重介质秀鬟孺态分析方板:参与筛子振动,用于挡料和支撑筛丝板;3—筛(7)筛面采用大倾角:18~3面,博后筛的筛面紧固在激振器的矩形梁上,随激振(8)在处理潮湿细粒级粘性物料时,筛分效率器同步振动,振动方向与筛面垂直,实现直线振动高处理能力大,是普通筛分设备单位面积处理能力筛面的大小根据现场安装条件和处理量要求可以多的2~3倍。段自由组合,筛面上的筛丝顺向排列,筛分过程中筛3博后筛的应用丝具有二次振动功能,物料在筛面上的运动过程有自清理筛面能力;4—连接桥,用于连接2个激振器,目前博后筛已先后在山西阳城大宁煤矿,河南支撑挡料板和筛丝板;5一弹簧,6—二次减振架,支马煤业(集团)千秋矿选煤厂、常村煤矿、杨村煤撑筛面,缓冲激振力,通过二次减振,弹簧可进一步矿,河南永城煤电(集团)城郊矿选煤厂,安徽淮南矿降低动负荷;7—二次减振弹簧;8-—激振器,产生激业(集团)谢桥矿选煤厂、祁南矿选煤厂,宁煤集团大振力,通过调整偏心块可以调节筛子的振幅和振动武口选煤厂,山东淄博矿业(集团)许厂矿选煤厂,山强度,满足现场筛分效果和处理能力的需要;9一软东兖州矿业集团北宿煤矿,山东肥城矿业(集团)桃连接,通过软连接将动力传给激振器;10—电机,电阳煤矿,重庆广安龙滩煤矿,邯郸矿业(集团)云驾岭机安装在电机支架上,电机不参与振动煤矿等企业得到广泛应用,分别用于0~15mm和22特点15~35mm各粒级潮湿煤炭的筛分,处理能力为(1)通过筛面振动及筛箱和机架的二次减振技术,120~2500t,筛分面积为10~50m2。博后筛在这些可使筛子在工作过程中减少对厂房和地基的动负荷。企业应用后,优势明显:它能在大处理量的前提下有(2)筛面可根据需要多段组合。效处理潮湿物料而不堵筛孔,工作过程中始终保持(3)筛面沿筛面的法线方向呈直线振动最大的开孔率,筛分效率高、振动强度和物料运动的(4)采用大振幅(15~25mm)大振动强度和弹高速度使细粒物料得以快速分层透筛,从而把水分性筛面的工艺参数,有利于料群的松散和快速透筛和粘度对筛分效果的影响降到最低限度。实践表物料在筛分过程中不堵筛孔明,博后筛是处理潮湿细粒级粘性物料最有效的筛(5)筛面上的筛丝顺向排列,筛分过程筛丝有二分设备。次振动,有自清理筛面的功能。博后筛筛分面积最大可达50m2,是目前世界上(6)由于筛面可以自由组合,解决了筛分设备在难筛物料筛分中最大的筛分设备。大振动强度下筛子的大型化问题。(责任编辑康淑云)(上接第49页)对应尺度较大,对床层运动的低料受力的影响。气泡的产生、上升、合并、破裂会引频成分,即气泡的行为更敏感,而关联维数则对应起加重质颗粒速度的波动颗粒速度的波动引起待尺度较小,对高频成分,即颗粒的运动更敏感选物料受力的波动,但对物料分选影响不大。床层4.3加重质颗粒速度的动态分析差压变化反映的是床层密度的变化,矿物分选所用首先采用均值法从宏观上分析空气重介质流化流化床,要求在比分选粒度下限还要小很多的空间床中加重质颗粒总体运动规律,然后采用小波变换里床层的平均密度保持均匀稳定,物料分选的效果方法,对加重质颗粒速度进行多尺度分析,从而揭示才会好。通过数据分析发现,当待选物料(以不同直颗粒速度的自相似性、分岔等具有混沌特征的微观径的圆球代表被选矿粒)在床层中占有足够大的空结构,最后采用混沌时间序列分析方法计算颗粒速间时,该空间各点的平均密度稳定符合阿基米德度时间序列的关联维,验证颗粒运动的混沌特性。定理,矿粒在床层中所受的浮力才能使物料按密度通过分析,本文认为颗粒脉动速度具有自相似分层。而细粒级矿粒,在床层内占有的空间很小,性、分岔等具有混沌特征的微观结构。颗粒速度时在这个得小空间内冬占的平均密度不稳定,难以按间序列具有为正分数的关联维,说明空气重介质流照中国煤化工响细粒物料的分选精化床是一个混沌动力学系统。CNMHG度的增大,物料按密4.4待选物料受力的动态分析度分层效果越好。分析加重质颗粒速度和床层差压变化对待选物(责任编辑康淑云)博后筛的结构特点及其应用