【摘要】 本文依據(jù)兩相流體動力學理論，提出了變徑脈沖氣流分選技術，分析了變徑脈沖氣流場內(nèi)顆粒按密度分選機理，設計了變徑脈沖氣流分選機，構建了變徑脈沖氣流分選系統(tǒng)。在恒定流場內(nèi)，研究了氣速對重產(chǎn)物分配、分選密度、分選效率等的影響規(guī)律；討論了入料性質和分選機結構對分選的影響。在脈沖氣流場內(nèi)，分析了脈動開閉比值、脈動周期、脈動氣流和脈沖氣流對5-3.2mm粉煤重產(chǎn)物分配和分選效率的影響；利用正交試驗得到了分選效率與恒定流、脈動流和脈動開閉比值之間關系的數(shù)學模型。在此基礎上，研究了不同粒度和可選性入料的脈動開閉設定規(guī)律，考察了5-2.5mm粉煤脈沖氣流分選效果。借助數(shù)值模擬分析了變徑結構和氣流速度分布對按密度分選的影響規(guī)律。 

1 緒論

我國化石能源結構具有―富煤、貧油、少氣‖的特點。目前，我國能源消費仍以煤為主，煤炭在一次能源消費結構中約占70％。根據(jù)我國能源結構預測，到2050年煤炭在我國能源結構中的比例將下降到48.60％，其在能源結構中仍占主導地位。
煤炭分選技術作為潔凈煤技術的基礎和源頭，能夠脫除原煤中50-60％的無機硫和大部分灰，是潔凈煤技術中最成熟、最經(jīng)濟、工業(yè)化程度最高的技術之一。根據(jù)中國煤炭資源的特點和經(jīng)濟技術條件，提高煤炭分選技術是目前改善我國燃煤污染最有效的方法，也是提高煤炭質量的重要環(huán)節(jié)[1-3]。
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1.1 研究背景
褐煤（HM）是煤化程度最低的一類煤，外觀呈褐色到黑色，光澤暗淡或呈瀝青光澤，含水量較高，有不同數(shù)量的腐植酸，具有高水分、低熱值、易泥化、易風化、易自燃、難以長期儲存等特點。
據(jù)國際地質學家預測，褐煤是未來可以利用的主要能源之一，大約占全世界煤炭總儲量的 40%。我國褐煤資源也很豐富，褐煤探明保有資源量占全國探明保有資源量的 12.69%，主要分布在內(nèi)蒙古東部、新疆、黑龍江東部和云南東部。在未來，如何科學、合理、充分地利用褐煤資源，將對煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4]。
我國褐煤基本賦存于白堊系地層中，多為老年褐煤，煤質特點如下：（1）孔隙率大、水分高，水分一般在 20-60%；（2）揮發(fā)分高，易風化，易自燃；（3）矸石成分多為泥質頁巖或泥巖，遇水易泥化，多數(shù)泥化比>20％；（4）煤質差，高水分和含矸量大，發(fā)熱量低；（5）褐煤在開采及運輸過程中易碎[5]。
褐煤中的灰、硫等礦物雜質影響褐煤加工產(chǎn)品的質量。比如，褐煤在熱壓成型過程當中，礦物雜質將在一定程度上影響型煤的防水效果以及成型率；褐煤在氣化過程中礦物雜質加大了半焦石墨化，導致氣化速率顯著降低；褐煤液化前若能脫除部分礦物雜質，可以減輕液化除灰工藝成本[6-7]。
褐煤濕法分選存在以下弊端：泥化嚴重，分選精度低，甚至無法分選；煤泥水處理系統(tǒng)復雜，，投資和加工費用高；各轉載環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)粘、堵現(xiàn)象，造成洗煤產(chǎn)品不易脫水，產(chǎn)品容易粘倉掛壁，很難進行清除；產(chǎn)品水分含量大，運輸成本高，另外，我國北方冬天常出現(xiàn)凍車現(xiàn)象，影響選煤廠生產(chǎn)。以上問題造成褐煤濕法分選投資大、運行成本高，設備不易維護保養(yǎng)，企業(yè)經(jīng)濟效益差，甚至造成虧損。此外，褐煤表面孔隙多，吸水性強，濕法分選過程中煤與水充分接觸，造成選煤產(chǎn)品水分增大，降低了產(chǎn)品發(fā)熱量，部分抵消了洗煤效果，也與提質脫水的目標相矛盾。可見，褐煤泥化嚴重的特性導致其一般不宜采用濕法分選，褐煤分選加工成為選煤領域的難題之一[8]。為了解決褐煤分選除雜的難題，目前，國內(nèi)外一些科研單位和高校試圖通過氣流分選脫除褐煤礦物雜質。
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2 變徑脈沖氣流分選機理

傳統(tǒng)氣流分選是在稀相流態(tài)化環(huán)境中顆粒按干擾沉降速度差進行分離的過程，而顆粒的干擾沉降速度除受顆粒的粒度、密度和形狀影響外，還受到流體性質和流動狀態(tài)的制約。為強化顆粒按密度分選，本文提出變徑脈沖氣流分選技術。
在變徑脈沖氣流分選機內(nèi)氣流速度隨分選機結構和分選時間的變化而變化，氣流產(chǎn)生遷移加速度和當?shù)丶铀俣�，氣流的加速效應增強，在變徑脈沖氣流分選機內(nèi)顆粒與壁面之間、顆粒與流體之間存在極為復雜的關系。研究顆粒在氣流中的運動規(guī)律是分析顆粒分離過程的關鍵[77-80]，因此，在變徑脈沖氣流分選機內(nèi)，通過研究脈沖氣流產(chǎn)生的加速效應對顆粒運動的影響，分析變徑脈沖氣流的分選機理。
為了便于理解，對恒定流、脈動氣流、脈沖氣流、脈動周期、脈動開閉比值、做如下定義。
恒定氣流：產(chǎn)生的不隨時間變化的氣流；在恒定流作用下的粉煤氣流分選稱為恒定流場粉煤分選。
脈動氣流：由電磁閥和時間繼電器控制產(chǎn)生的周期性變化氣流。
脈沖氣流：由恒定流和脈動氣流組成；在脈沖氣流作用下的粉煤分選稱為變徑脈沖氣流粉煤分選。
脈動周期：電磁閥每次處于從開啟到關閉狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。
脈動開閉比值：在一個脈動周期內(nèi)，電磁閥處于開和關狀態(tài)的時間比值。
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2.1 提出變徑脈沖氣流分選
由于傳統(tǒng)氣流分選對物料粒度、密度、形狀、水分等要求較苛刻，一直未得到廣泛應用。為改善氣流分選效果，學者們試圖利用氣流的加速效應來提高氣流分選性能[81-87]。Basset 應用近似解析的方法，假設流體不可壓縮且無旋，提出了氣流場內(nèi)球形顆粒的運動方程，Brush 在 Stokes 阻力區(qū)得到了該方程的一種解析解。Jackson 等(1988 年)提出在阻尼脈動氣流中顆�？梢詫崿F(xiàn)按密度分選[65]。
Stessel 等[64,88]基于流體-機械力平衡數(shù)學模型，提出脈動氣流分選能顯著提高分選效率，并提出了脈沖氣流作用下顆粒的運動方程和阻尼氣流作用下顆粒的運動方程。
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3 構建變徑脈沖氣流分選系統(tǒng) ..........................53-63 
3.1 變徑脈沖分選裝置設計 ..........................53-56 
3.1.1 料裝 ......................................53 
3.1.2 分選裝 ..........................53-55 
3.1.3 輕產(chǎn)物收裝 ........................55 
3.1.4 室重產(chǎn)物收裝 ...................55-56 
3.1.5 供系 ............................56 
3.2 變徑脈沖氣流分選實驗系統(tǒng) .................56-58 
3.3 實驗儀器及數(shù)據(jù)處理 .........................58-60 
3.3.1 實驗儀 .........................58 
3.3.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件開發(fā) ............58-60 
3.4 評價指標 ............................60-61 
3.5 本章小結.......................... 61-63 
4 恒定流場粉煤分選研究 ..................63-81 
4.1 恒定流粉煤分選過程 ....................63-64 
4.2 實驗物料性質 .........................64-67 
4.3 恒定流氣速對粉煤分選的影響 .......................67-76 
4.3.1 恒定流對重產(chǎn)物分配影響........................ 67-71 
4.3.2 恒定流對分選密度完善度影響 ......................71-73 
4.3.3 恒定流對粉煤分選效影響 .........................................73-74 
4.3.4 恒定流對矸石排出影響 ....................................74-75 
4.3.5 恒定流粉煤分選效 ..................75-76 
4.4 入料特性對分選的影響 ................76-78 
4.5 分選機結構對分選的影響..................... 78 
4.6 本章小結 ............................78-81 
5 變徑脈沖氣流粉煤分選研究 .........................81-117 

6 變徑脈沖氣流場數(shù)值模擬

在變徑氣流分選機內(nèi)氣流速度隨分選機結構的變化而變化，脈沖氣流隨位置和時間都發(fā)生變化，氣流分布與布風板和分選段變徑結構之間存在極為復雜的關系。因此，研究分選機內(nèi)氣流的速度分布具有重要意義。為了進一步掌握變徑結構對氣速分布的影響，本章首先利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，結合恒定流場粉煤分選實驗結果，分析不同變徑結構氣流分選機內(nèi)的恒定流氣速分布特性。為了進一步研究變徑脈沖氣流場內(nèi)顆粒按密度分選機理，對變徑脈沖氣流場內(nèi)氣流速度分布進行數(shù)值模擬研究，獲得脈沖氣流在一個周期內(nèi)不同時刻的速度分布特性，為選擇最佳脈沖氣流提供理論依據(jù)，并結合變徑脈沖氣流粉煤分選實驗結果，分析速度變化對顆粒按密度分選的影響規(guī)律。
6.1 Fluent 軟件概述
計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱為CFD）是借助計算機進行仿真計算和圖象顯示，對流體流動、傳熱、傳質等物理現(xiàn)象進行分析。它利用動量守恒方程、質量守恒方程以及能量守恒方程等流體力學基本方程對流體進行仿真模擬，幫助我們了解復雜流場內(nèi)基本物理量的分布。
Fluent 6.3軟件是一個工程應用計算流體力學商用軟件包，它從用戶角度出發(fā)，針對復雜的物理現(xiàn)象，選取相應的計算方法和離散格式，在計算速度、精度、穩(wěn)定性上等達到最佳組合，從而高效地解決復雜流動仿真計算問題。Fluent軟件具有物理模型豐富、數(shù)值計算方法先進及后處理功能強大等特點，由用于模型結構的前處理、求解器及后處理3大模塊組成。典型的Fluent解算過程：（1）分析流體的狀態(tài)；（2）用其前處理軟件Gambit建立合適的物理模型并劃分網(wǎng)格；（3）設置邊界條件；（4）設置求解參數(shù)；（5）求解；（6）處理結果。
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結論

本文本文依據(jù)流體力學理論，提出了變徑脈沖氣流分選技術，對影響氣流分選效果的各因素進行了系統(tǒng)實驗研究，本研究的主要結論如下：
（1）通過研究變徑脈沖氣流分選機內(nèi)顆粒的運動，得到了顆粒密度和變徑結構對其加速運動的影響顯著，上升氣流產(chǎn)生的加速效應是影響顆粒按密度分離的主要因素。
（2）應用流體力學分析了變徑脈沖氣流分選機理，與高密度顆粒相比，低密度顆粒在脈沖氣流場內(nèi)始終獲得更大的向上加速度；高密度顆粒在變徑段獲得較大的減速效應；變徑結構和脈動氣流的協(xié)同變速作用促進了粉煤按密度分選。
（3）在恒定流場內(nèi)，實驗研究了恒定流氣速對粉煤分選效果的影響規(guī)律，隨恒定流氣速增大，低密度顆粒受氣流加速效應的影響顯著，與高密度顆粒相比低密度顆粒上升速率明顯增大，但恒定流氣速超過某一定值后，高密度顆粒受氣流加速效應的影響也顯著，且隨氣速增大顆粒粒度效應增強，分選效果變差。
（4）實驗研究了入料粒度和可選性對分選的影響，入料粒度減小，粒度效應增強，分選效果變差；入料可選性難度增大，氣流分選效果變差。
（5）實驗研究了入料形狀對分選的影響，重產(chǎn)物中的低密度顆粒形狀較規(guī)則，球形度大，而輕產(chǎn)物中的高密度顆粒形狀較不規(guī)則，顆粒發(fā)生一定程度的按形狀分選。
（6）實驗研究了脈動周期對分選的影響規(guī)律，脈動周期過小時，脈動氣流作用小，相當于恒定流分選；脈動周期增大，脈動氣流加速度慣性力增大，顆粒運動速度谷峰值增大；脈動周期過大，維持氣流脈沖特性時間反而縮短，脈動氣流加速效應減弱。
（7）實驗研究了脈動開閉對不同粒度粉煤分選的影響規(guī)律，顆粒粒度減小，脈動開閉比值減小，5-3.2mm粉煤在脈動開閉比1:1時分選效果較好，3.2-2.5mm粉煤在脈動開閉比1:2時分選效果較好。
（8）實驗研究了脈動氣流對分選的影響規(guī)律。加入脈動氣流后低密度顆粒在重產(chǎn)物中的分配率明顯降低。脈動氣流增大，加速效應增強，低密度顆粒獲得的加速度比高密度顆粒大，低密度顆粒在重產(chǎn)物中的錯配明顯減小，分選效率升高；脈動氣流過大，高密度顆粒獲得足夠大的上升加速度，高密度顆粒在輕產(chǎn)物中的錯配逐漸增大，分選效率下降。
（9）通過正交試驗分析得到了 5-3.2mm 粉煤在恒定流氣速 7.31m/s、脈動流氣速 0.32m/s、脈動開閉比值 1.0 時分選效率為 92.79%的最優(yōu)化方案，同時得到了分選效率與操作參數(shù)之間關系的數(shù)學模型。
（10）與恒定流分選相比，脈沖氣流分選與恒定流取得最佳分選效果時的氣流速度相同，I值從0.19減小到0.069；在有效分選范圍內(nèi)脈沖氣流分選具有氣速操作范圍寬、分選效率高的優(yōu)點。
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參考文獻（略）