基于振动混流原理的油页岩风选除尘技术研究
摘 要：为解决油页岩干馏后页岩油中粒径0.2 mm以下粉尘、杂质难分离而影响油品质的问题，试验利用风选选煤系统，对干馏前的油页岩进行风选除尘处理，通过调节风量大小以及更换风选筛网的形式，研究了不同条件下风选试验系统的除尘效果。试验结果表明：油页岩风选除尘试验系统能够完成选煤条件，除尘效率可达91%以上;风选效果因筛选条件不同而有所不同，在本试验条件下，筛网类型为10 mm×10 mm方孔筛，对应风量值为4 767.2 m3/h时除尘效率达到最大值。
关键词：油页岩;振动混流;干馏;风选;除尘效率
0 引 言
我国是世界上油页岩储量丰富的国家之一，一直以来油页岩未得到很好地利用[1-2]。2004—2006年，我国首次对油页岩资源进行了国内评价，查明地质资源量为7 199亿t，折合成页岩油为476亿t，仅次于美国、巴西和爱沙尼亚，居世界第四位[3-5]。我国所产油页岩基本用于干馏制取页岩油[6-7]，以甘肃油页岩为研究对象，粒径0.2 mm以下的粉尘、杂质含量占5.77%，干馏时将直接带入页岩油中，很难分离，造成资源利用不充分及页岩油提纯成本高等问题。因此，在干馏前去除油页岩中粉尘、杂质，对提高油页岩利用率、降低热解成本具有重要意义。由于甘肃油页岩矿区干旱缺水，难以采用常规的湿法分选来降低油页岩粉尘含量，并且油页岩在干馏过程中需要做干燥处理，因而风力干法分选的优势更加明显[8]。杨宝祥等[9]对复合式干法选煤设备改造后，实现了原煤全粒度分选，排出的部分气体含尘量小于50 mg/m3。吴子科[10]对振动床混流干燥除尘系统研究认为，振动床混流干燥器较适于处理粒度为0～30 mm的物料。韦鲁滨等[11]对潮湿褐煤干法选煤技术的研究中指出，入料煤水分对分选效果有重要影响，对煤样进行干燥脱水，成为空气重介质流化床分选的前提之一。
基于以上研究，可知风力干法分选系统入料粒度范围宽，对粒级0～15 mm样品能取得较好的分选效果，可用于油页岩除尘分选工艺中[12]。然而风力干法分选技术在油页岩除尘系统中的应用技术还未成熟，因此需要通过研究风选除尘系统的除尘效率，并获得除尘效果较优的风选条件，为基于振动混流原理的油页岩风选除尘技术提供理论依据。
1 油页岩性质
对甘肃兰州窑街试验原料进行干燥处理及粒径分布测试，结果见表1，并对油页岩的含水量、堆密度和真密度进行了测试。
表1 窑街油页岩粒径分布
Table 1 Particle size distribution of Yaojie oil shale
测试结果显示，油页岩粒径分布主要集中在1～13 mm，均为可用有效粒径范围，其中油页岩堆密度为1.20 t/m3，真密度为1.67 t/m3，含水量1%以下。油页岩试验原料中0.2 mm以下颗粒质量分数达到5.77%，含量高，由于大量小颗粒存在严重影响油页岩干馏炼油的油品质，需将其去除，目标去除率须达95%以上。
2 工作原理与试验方法
2.1 工作原理
风选试验系统如图1所示。油页岩通过垂直提升螺旋输送机被送到料斗中，由星型卸料器均匀下料，通过振动筛振动将油页岩打散，大颗粒油页岩从筛网前段落下，中小颗粒从网孔落下形成料幕。与此同时，通过风机给定适当的风量将油页岩中粒径0.2 mm以下的部分吹出，从而达到风选的效果。
图1 风选试验系统示意
Fig.1 Schematic diagram of winnowing experimental system
工作原理如图2所示。通过一级振动筛和上升气流使进入的油页岩经过筛网达到松散和分层的状态，松散状态随进入风量的大小而改变。根据重力原理，振动床上的松散物料将自发的向下形成料幕，增强了油页岩和气流的混合，一方面加强了物料的松散，另一方面增加了0.2 mm以下油页岩颗粒改变原有运行轨迹的可能，使之随着气流向上运动，达到与0.2 mm以上油页岩颗粒分离的效果[13]。
图2 风选除尘试验原理
Fig.2 Experimental principle of winnowing dust
2.2 操作流程
风选除尘试验流程如图3所示。先将足够油页岩试验样品放置在空气中自然晒干，达到预定含水量小于1%的要求，并完成准备试验工作;选取筛网、调节风量;然后将油页岩通过垂直提升螺旋输送机输送至料斗中，上料完毕后关闭垂直提升螺旋输送机;最后开启风机及给料器即可进行风选试验，待风选结束后即可取样、测量、记录。待单个流程结束后，重新调节风量或更换筛网，重复上述流程。
试验采用控制变量法将影响风选效果的多因素问题转换成单因素问题，从而研究该因素对风选效果的影响，进而对各因素加以研究，最后再综合考虑确定最佳的试验参数。试验需对6个筛网形式、5种风量值进行30组试验，以确定最佳的筛网形式和风量值，然后再以此为定量，完成6种不同给料量对风选效果的影响。
图3 风选除尘试验流程
Fig.3 Flow chart of winnowing dust
2.3 风选效果评定方法
根据风选试验样品的质量和粒径分布，计算出收尘布袋和出料口中0.2 mm以下油页岩颗粒的百分比A、B。若A值越高、B值越低则可以评定风选效果越好。本文将粒径0.2 mm以下颗粒定义为尘，则风选系统的除尘效率为
式中，试验测得原样品中0.2 mm以下颗粒含量C=5.77%;Z为单次试验总质量，kg;假设收尘布袋中物料总量为X，下料斗剩余物料质量为Y，则可列如下方程
3 结果与分析
3.1 风速风量对风选效果的影响
试验采用DT8880热敏风速仪对风机出风口直管段采用网格法进行风速测量，选距出风口1 m附近处横截圆面为测量目标，对截面圆各网格区域进行风速测量，每个区域测量5次取平均值作为该区域的风速值，再根据各区域的风速值和管道直径折算成此时风量值[14-15]。调节风机功率，采用上述方法测量各风量值，见表2。
表2 风机风速值及对应风量值
Table 2 Wind speed and wind volume of fan
筛网形式主要分为方孔筛网和长孔筛网，规格分别为8 mm×8 mm、10 mm×10 mm、12 mm×12 mm和8 mm×16 mm、10 mm×20 mm、12 mm×24 mm，对应代号分别为F08、F10、F12，C08、C10、C12。各筛网形式在不同风量下对A值、B值和除尘效率η的影响如图4所示。
由图4可知，该系统的除尘效率可达91%以上;各筛网随着风量的增加，收尘布袋含尘率A持续降低，出料口含尘率B先降低后趋于平缓，除尘效率η在风量3时出现极值。分析其原因，由于风机风量的增大，使得风选试验系统能够吹走部分次小颗粒，造成收尘布袋中0.2 mm以下油页岩颗粒百分比降低，而出料口中0.2 mm以下油页岩颗粒在风量3之后几乎可全部吹入收尘布袋中，因此在风量3以后含尘率B趋于极限值。因此，风量3为该风选系统的最佳风量。
3.2 筛网形式及尺寸对风选效果的影响
由图4a可知，筛网形式及尺寸对收尘布袋含尘率A影响不明显;而由图4b、图4c可知，筛网形式及尺寸对出料口含尘率B及除尘效率η均有明显影响。从除尘效率η比较，方孔筛除尘效率普遍高于长孔筛，因此方孔筛在风选性能上优于长孔筛。分析认为，筛孔大小直接影响物料从筛网中下落的比例，10 mm为最佳风选分配比例，小于10 mm则堆积在筛网的上料层厚度较高，不便于风选，大于10 mm则下落物料形成料幕密度大，对风选有阻滞作用;方孔筛相比于长孔筛结构刚度要强，传递能量高，物料振散效果好。由3.1可知，风量3为最佳风量，因此比较风量3下各筛网形式及尺寸对除尘效率的影响，可以判定筛网F10(即方孔10 mm×10 mm筛网)为最佳风选筛网。
图4 各筛网形式在不同风量下对A值、B值和除尘效率η的影响
Fig.4 Effect of different screen forms on A,B and η value under different wind volume
3.3 给料量对风选效果的影响
选择筛网形式为F10，调节风量为风量3，根据筛网的筛分面积设定6种给料量(4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0 t/h)进行风选效果试验，不同给料量对各风选参数的影响如图5所示。
图5 不同给料量对A值、B值和除尘效率η的影响
Fig.5 Effect of feeding amount on A,B and η value
由图5可知，各给料量下的除尘效率均达到95%以上，能够满足该风选系统的工作要求。收尘布袋中含尘量A及除尘效率η随着给料量的增加先升高后降低，而出料口含尘量B随着给料量的增加先降低后升高，且都在4.7 t/h时出现峰值。分析认为，给料量的大小直接决定振动筛上料层的厚度，给料量小，料层厚度小，对风阻滞力小，混流效果差，风选效果自然差;给料量大，料层厚度大，物料分布不均匀，也影响风选效果。因此，处理量为4.7 t/h时除尘效果最佳。
4 结 论
1)基于振动混流原理的油页岩风选除尘试验系统能够完成选煤条件，除尘效率可达91%以上，产量大，效率高，方法切实可行;
2)对本风选试验系统而言，风量值为4 767.2 m3/h，筛网形式及网孔大小为10 mm×10 mm方孔筛，处理量为4.7 t/h时风选效果最佳。
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Experimental study on oil shale winnowing dust removal technology based on the vibration francis principle
Abstract:The mixture of -0.2 mm dust and impurities in shale oil which was prepared by destructive distillation method decreased the quality of shale oil.In order to resolve the problem,the pneumatic cleaning method was adopted to treat oil shale.The dust removal efficiency was investigated by adjusting wind volume and changing screen mesh.The results showed that,the dust removal efficiency could reach up to 91%.The dust removal efficiency was reached the maximum when the screen mash type was 10 mm×10 mm square,the wind volume was 4 767.2 m3/h.
Key words:oil shale;vibration francis;destructive distillation;pneumatic cleaning;dust removal efficiency
中图分类号：TD94
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)05-0118-05
收稿日期：2016-03-22;责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.05.023
引用格式：石长江，王兴坤，吴新栗,等.基于振动混流原理的油页岩风选除尘技术研究[J].洁净煤技术，2016，22(5)：118-122.
SHI Changjiang,WANG Xingkun,WU Xinli,et al.Experimental study on oil shale winnowing dust removal technology based on the vibration francis principle[J].Clean Coal Technology，2016，22(5)：118-122.
