粉煤变径脉冲气流分选技术研究

【摘要】 本文依据两相流体动力学理论，提出了变径脉冲气流分选技术，分析了变径脉冲气流场内颗粒按密度分选机理，设计了变径脉冲气流分选机，构建了变径脉冲气流分选系统。在恒定流场内，研究了气速对重产物分配、分选密度、分选效率等的影响规律；讨论了入料性质和分选机结构对分选的影响。在脉冲气流场内，分析了脉动开闭比值、脉动周期、脉动气流和脉冲气流对5-3.2mm粉煤重产物分配和分选效率的影响；利用正交试验得到了分选效率与恒定流、脉动流和脉动开闭比值之间关系的数学模型。在此基础上，研究了不同粒度和可选性入料的脉动开闭设定规律，考察了5-2.5mm粉煤脉冲气流分选效果。借助数值模拟分析了变径结构和气流速度分布对按密度分选的影响规律。 

1 绪论

我国化石能源结构具有―富煤、贫油、少气‖的特点。目前，我国能源消费仍以煤为主，煤炭在一次能源消费结构中约占70％。根据我国能源结构预测，到2050年煤炭在我国能源结构中的比例将下降到48.60％，其在能源结构中仍占主导地位。
煤炭分选技术作为洁净煤技术的基础和源头，能够脱除原煤中50-60％的无机硫和大部分灰，是洁净煤技术中最成熟、最经济、工业化程度最高的技术之一。根据中国煤炭资源的特点和经济技术条件，提高煤炭分选技术是目前改善我国燃煤污染最有效的方法，也是提高煤炭质量的重要环节[1-3]。
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1.1 研究背景
褐煤（HM）是煤化程度最低的一类煤，外观呈褐色到黑色，光泽暗淡或呈沥青光泽，含水量较高，有不同数量的腐植酸，具有高水分、低热值、易泥化、易风化、易自燃、难以长期储存等特点。
据国际地质学家预测，褐煤是未来可以利用的主要能源之一，大约占全世界煤炭总储量的 40%。我国褐煤资源也很丰富，褐煤探明保有资源量占全国探明保有资源量的 12.69%，主要分布在内蒙古东部、新疆、黑龙江东部和云南东部。在未来，如何科学、合理、充分地利用褐煤资源，将对煤炭行业的可持续发展具有重要的意义[4]。
我国褐煤基本赋存于白垩系地层中，多为老年褐煤，煤质特点如下：（1）孔隙率大、水分高，水分一般在 20-60%；（2）挥发分高，易风化，易自燃；（3）矸石成分多为泥质页岩或泥岩，遇水易泥化，多数泥化比>20％；（4）煤质差，高水分和含矸量大，发热量低；（5）褐煤在开采及运输过程中易碎[5]。
褐煤中的灰、硫等矿物杂质影响褐煤加工产品的质量。比如，褐煤在热压成型过程当中，矿物杂质将在一定程度上影响型煤的防水效果以及成型率；褐煤在气化过程中矿物杂质加大了半焦石墨化，导致气化速率显著降低；褐煤液化前若能脱除部分矿物杂质，可以减轻液化除灰工艺成本[6-7]。
褐煤湿法分选存在以下弊端：泥化严重，分选精度低，甚至无法分选；煤泥水处理系统复杂，，投资和加工费用高；各转载环节容易出现粘、堵现象，造成洗煤产品不易脱水，产品容易粘仓挂壁，很难进行清除；产品水分含量大，运输成本高，另外，我国北方冬天常出现冻车现象，影响选煤厂生产。以上问题造成褐煤湿法分选投资大、运行成本高，设备不易维护保养，企业经济效益差，甚至造成亏损。此外，褐煤表面孔隙多，吸水性强，湿法分选过程中煤与水充分接触，造成选煤产品水分增大，降低了产品发热量，部分抵消了洗煤效果，也与提质脱水的目标相矛盾。可见，褐煤泥化严重的特性导致其一般不宜采用湿法分选，褐煤分选加工成为选煤领域的难题之一[8]。为了解决褐煤分选除杂的难题，目前，国内外一些科研单位和高校试图通过气流分选脱除褐煤矿物杂质。
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2 变径脉冲气流分选机理

传统气流分选是在稀相流态化环境中颗粒按干扰沉降速度差进行分离的过程，而颗粒的干扰沉降速度除受颗粒的粒度、密度和形状影响外，还受到流体性质和流动状态的制约。为强化颗粒按密度分选，本文提出变径脉冲气流分选技术。
在变径脉冲气流分选机内气流速度随分选机结构和分选时间的变化而变化，气流产生迁移加速度和当地加速度，气流的加速效应增强，在变径脉冲气流分选机内颗粒与壁面之间、颗粒与流体之间存在极为复杂的关系。研究颗粒在气流中的运动规律是分析颗粒分离过程的关键[77-80]，因此，在变径脉冲气流分选机内，通过研究脉冲气流产生的加速效应对颗粒运动的影响，分析变径脉冲气流的分选机理。
为了便于理解，对恒定流、脉动气流、脉冲气流、脉动周期、脉动开闭比值、做如下定义。
恒定气流：产生的不随时间变化的气流；在恒定流作用下的粉煤气流分选称为恒定流场粉煤分选。
脉动气流：由电磁阀和时间继电器控制产生的周期性变化气流。
脉冲气流：由恒定流和脉动气流组成；在脉冲气流作用下的粉煤分选称为变径脉冲气流粉煤分选。
脉动周期：电磁阀每次处于从开启到关闭状态所经历的时间。
脉动开闭比值：在一个脉动周期内，电磁阀处于开和关状态的时间比值。
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2.1 提出变径脉冲气流分选
由于传统气流分选对物料粒度、密度、形状、水分等要求较苛刻，一直未得到广泛应用。为改善气流分选效果，学者们试图利用气流的加速效应来提高气流分选性能[81-87]。Basset 应用近似解析的方法，假设流体不可压缩且无旋，提出了气流场内球形颗粒的运动方程，Brush 在 Stokes 阻力区得到了该方程的一种解析解。Jackson 等(1988 年)提出在阻尼脉动气流中颗粒可以实现按密度分选[65]。
Stessel 等[64,88]基于流体-机械力平衡数学模型，提出脉动气流分选能显著提高分选效率，并提出了脉冲气流作用下颗粒的运动方程和阻尼气流作用下颗粒的运动方程。
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3 构建变径脉冲气流分选系统 ..........................53-63 
3.1 变径脉冲分选装置设计 ..........................53-56 
3.1.1 料装 ......................................53 
3.1.2 分选装 ..........................53-55 
3.1.3 轻产物收装 ........................55 
3.1.4 室重产物收装 ...................55-56 
3.1.5 供系 ............................56 
3.2 变径脉冲气流分选实验系统 .................56-58 
3.3 实验仪器及数据处理 .........................58-60 
3.3.1 实验仪 .........................58 
3.3.2 数据分析处理软件开发 ............58-60 
3.4 评价指标 ............................60-61 
3.5 本章小结.......................... 61-63 
4 恒定流场粉煤分选研究 ..................63-81 
4.1 恒定流粉煤分选过程 ....................63-64 
4.2 实验物料性质 .........................64-67 
4.3 恒定流气速对粉煤分选的影响 .......................67-76 
4.3.1 恒定流对重产物分配影响........................ 67-71 
4.3.2 恒定流对分选密度完善度影响 ......................71-73 
4.3.3 恒定流对粉煤分选效影响 .........................................73-74 
4.3.4 恒定流对矸石排出影响 ....................................74-75 
4.3.5 恒定流粉煤分选效 ..................75-76 
4.4 入料特性对分选的影响 ................76-78 
4.5 分选机结构对分选的影响..................... 78 
4.6 本章小结 ............................78-81 
5 变径脉冲气流粉煤分选研究 .........................81-117 

6 变径脉冲气流场数值模拟

在变径气流分选机内气流速度随分选机结构的变化而变化，脉冲气流随位置和时间都发生变化，气流分布与布风板和分选段变径结构之间存在极为复杂的关系。因此，研究分选机内气流的速度分布具有重要意义。为了进一步掌握变径结构对气速分布的影响，本章首先利用Fluent软件进行数值模拟，结合恒定流场粉煤分选实验结果，分析不同变径结构气流分选机内的恒定流气速分布特性。为了进一步研究变径脉冲气流场内颗粒按密度分选机理，对变径脉冲气流场内气流速度分布进行数值模拟研究，获得脉冲气流在一个周期内不同时刻的速度分布特性，为选择最佳脉冲气流提供理论依据，并结合变径脉冲气流粉煤分选实验结果，分析速度变化对颗粒按密度分选的影响规律。
6.1 Fluent 软件概述
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称为CFD）是借助计算机进行仿真计算和图象显示，对流体流动、传热、传质等物理现象进行分析。它利用动量守恒方程、质量守恒方程以及能量守恒方程等流体力学基本方程对流体进行仿真模拟，帮助我们了解复杂流场内基本物理量的分布。
Fluent 6.3软件是一个工程应用计算流体力学商用软件包，它从用户角度出发，针对复杂的物理现象，选取相应的计算方法和离散格式，在计算速度、精度、稳定性上等达到最佳组合，从而高效地解决复杂流动仿真计算问题。Fluent软件具有物理模型丰富、数值计算方法先进及后处理功能强大等特点，由用于模型结构的前处理、求解器及后处理3大模块组成。典型的Fluent解算过程：（1）分析流体的状态；（2）用其前处理软件Gambit建立合适的物理模型并划分网格；（3）设置边界条件；（4）设置求解参数；（5）求解；（6）处理结果。
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结论

本文本文依据流体力学理论，提出了变径脉冲气流分选技术，对影响气流分选效果的各因素进行了系统实验研究，本研究的主要结论如下：
（1）通过研究变径脉冲气流分选机内颗粒的运动，得到了颗粒密度和变径结构对其加速运动的影响显著，上升气流产生的加速效应是影响颗粒按密度分离的主要因素。
（2）应用流体力学分析了变径脉冲气流分选机理，与高密度颗粒相比，低密度颗粒在脉冲气流场内始终获得更大的向上加速度；高密度颗粒在变径段获得较大的减速效应；变径结构和脉动气流的协同变速作用促进了粉煤按密度分选。
（3）在恒定流场内，实验研究了恒定流气速对粉煤分选效果的影响规律，随恒定流气速增大，低密度颗粒受气流加速效应的影响显著，与高密度颗粒相比低密度颗粒上升速率明显增大，但恒定流气速超过某一定值后，高密度颗粒受气流加速效应的影响也显著，且随气速增大颗粒粒度效应增强，分选效果变差。
（4）实验研究了入料粒度和可选性对分选的影响，入料粒度减小，粒度效应增强，分选效果变差；入料可选性难度增大，气流分选效果变差。
（5）实验研究了入料形状对分选的影响，重产物中的低密度颗粒形状较规则，球形度大，而轻产物中的高密度颗粒形状较不规则，颗粒发生一定程度的按形状分选。
（6）实验研究了脉动周期对分选的影响规律，脉动周期过小时，脉动气流作用小，相当于恒定流分选；脉动周期增大，脉动气流加速度惯性力增大，颗粒运动速度谷峰值增大；脉动周期过大，维持气流脉冲特性时间反而缩短，脉动气流加速效应减弱。
（7）实验研究了脉动开闭对不同粒度粉煤分选的影响规律，颗粒粒度减小，脉动开闭比值减小，5-3.2mm粉煤在脉动开闭比1:1时分选效果较好，3.2-2.5mm粉煤在脉动开闭比1:2时分选效果较好。
（8）实验研究了脉动气流对分选的影响规律。加入脉动气流后低密度颗粒在重产物中的分配率明显降低。脉动气流增大，加速效应增强，低密度颗粒获得的加速度比高密度颗粒大，低密度颗粒在重产物中的错配明显减小，分选效率升高；脉动气流过大，高密度颗粒获得足够大的上升加速度，高密度颗粒在轻产物中的错配逐渐增大，分选效率下降。
（9）通过正交试验分析得到了 5-3.2mm 粉煤在恒定流气速 7.31m/s、脉动流气速 0.32m/s、脉动开闭比值 1.0 时分选效率为 92.79%的最优化方案，同时得到了分选效率与操作参数之间关系的数学模型。
（10）与恒定流分选相比，脉冲气流分选与恒定流取得最佳分选效果时的气流速度相同，I值从0.19减小到0.069；在有效分选范围内脉冲气流分选具有气速操作范围宽、分选效率高的优点。
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参考文献（略）