【摘要】 本文依據(jù)兩相流體動(dòng)力學(xué)理論，提出了變徑脈沖氣流分選技術(shù)，分析了變徑脈沖氣流場(chǎng)內(nèi)顆粒按密度分選機(jī)理，設(shè)計(jì)了變徑脈沖氣流分選機(jī)，構(gòu)建了變徑脈沖氣流分選系統(tǒng)。在恒定流場(chǎng)內(nèi)，研究了氣速對(duì)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(zhì)和分選機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)分選的影響。在脈沖氣流場(chǎng)內(nèi)，分析了脈動(dòng)開(kāi)閉比值、脈動(dòng)周期、脈動(dòng)氣流和脈沖氣流對(duì)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(yàn)得到了分選效率與恒定流、脈動(dòng)流和脈動(dòng)開(kāi)閉比值之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，研究了不同粒度和可選性入料的脈動(dòng)開(kāi)閉設(shè)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(jié)構(gòu)和氣流速度分布對(duì)按密度分選的影響規(guī)律。 

1 緒論

我國(guó)化石能源結(jié)構(gòu)具有―富煤、貧油、少氣‖的特點(diǎn)。目前，我國(guó)能源消費(fèi)仍以煤為主，煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中約占70％。根據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2050年煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比例將下降到48.60％，其在能源結(jié)構(gòu)中仍占主導(dǎo)地位。
煤炭分選技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭，能夠脫除原煤中50-60％的無(wú)機(jī)硫和大部分灰，是潔凈煤技術(shù)中最成熟、最經(jīng)濟(jì)、工業(yè)化程度最高的技術(shù)之一。根據(jù)中國(guó)煤炭資源的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，提高煤炭分選技術(shù)是目前改善我國(guó)燃煤污染最有效的方法，也是提高煤炭質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[1-3]。
........................................

1.1 研究背景
褐煤（HM）是煤化程度最低的一類(lèi)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(fēng)化、易自燃、難以長(zhǎng)期儲(chǔ)存等特點(diǎn)。
據(jù)國(guó)際地質(zhì)學(xué)家預(yù)測(cè)，褐煤是未來(lái)可以利用的主要能源之一，大約占全世界煤炭總儲(chǔ)量的 40%。我國(guó)褐煤資源也很豐富，褐煤探明保有資源量占全國(guó)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(lái)，如何科學(xué)、合理、充分地利用褐煤資源，將對(duì)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4]。
我國(guó)褐煤基本賦存于白堊系地層中，多為老年褐煤，煤質(zhì)特點(diǎn)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(fēng)化，易自燃；（3）矸石成分多為泥質(zhì)頁(yè)巖或泥巖，遇水易泥化，多數(shù)泥化比>20％；（4）煤質(zhì)差，高水分和含矸量大，發(fā)熱量低；（5）褐煤在開(kāi)采及運(yùn)輸過(guò)程中易碎[5]。
褐煤中的灰、硫等礦物雜質(zhì)影響褐煤加工產(chǎn)品的質(zhì)量。比如，褐煤在熱壓成型過(guò)程當(dāng)中，礦物雜質(zhì)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(guò)程中礦物雜質(zhì)加大了半焦石墨化，導(dǎo)致氣化速率顯著降低；褐煤液化前若能脫除部分礦物雜質(zhì)，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(yán)重，分選精度低，甚至無(wú)法分選；煤泥水處理系統(tǒng)復(fù)雜，，投資和加工費(fèi)用高；各轉(zhuǎn)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(cāng)掛壁，很難進(jìn)行清除；產(chǎn)品水分含量大，運(yùn)輸成本高，另外，我國(guó)北方冬天常出現(xiàn)凍車(chē)現(xiàn)象，影響選煤廠生產(chǎn)。以上問(wèn)題造成褐煤濕法分選投資大、運(yùn)行成本高，設(shè)備不易維護(hù)保養(yǎng)，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益差，甚至造成虧損。此外，褐煤表面孔隙多，吸水性強(qiáng)，濕法分選過(guò)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(zhì)脫水的目標(biāo)相矛盾�？梢�(jiàn)，褐煤泥化嚴(yán)重的特性導(dǎo)致其一般不宜采用濕法分選，褐煤分選加工成為選煤領(lǐng)域的難題之一[8]。為了解決褐煤分選除雜的難題，目前，國(guó)內(nèi)外一些科研單位和高校試圖通過(guò)氣流分選脫除褐煤礦物雜質(zhì)。
................................

2 變徑脈沖氣流分選機(jī)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(jìn)行分離的過(guò)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(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)的制約。為強(qiáng)化顆粒按密度分選，本文提出變徑脈沖氣流分選技術(shù)。
在變徑脈沖氣流分選機(jī)內(nèi)氣流速度隨分選機(jī)結(jié)構(gòu)和分選時(shí)間的變化而變化，氣流產(chǎn)生遷移加速度和當(dāng)?shù)丶铀俣�，氣流的加速效�?yīng)增強(qiáng)，在變徑脈沖氣流分選機(jī)內(nèi)顆粒與壁面之間、顆粒與流體之間存在極為復(fù)雜的關(guān)系。研究顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是分析顆粒分離過(guò)程的關(guān)鍵[77-80]，因此，在變徑脈沖氣流分選機(jī)內(nèi)，通過(guò)研究脈沖氣流產(chǎn)生的加速效應(yīng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，分析變徑脈沖氣流的分選機(jī)理。
為了便于理解，對(duì)恒定流、脈動(dòng)氣流、脈沖氣流、脈動(dòng)周期、脈動(dòng)開(kāi)閉比值、做如下定義。
恒定氣流：產(chǎn)生的不隨時(shí)間變化的氣流；在恒定流作用下的粉煤氣流分選稱(chēng)為恒定流場(chǎng)粉煤分選。
脈動(dòng)氣流：由電磁閥和時(shí)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(dòng)氣流組成；在脈沖氣流作用下的粉煤分選稱(chēng)為變徑脈沖氣流粉煤分選。
脈動(dòng)周期：電磁閥每次處于從開(kāi)啟到關(guān)閉狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間。
脈動(dòng)開(kāi)閉比值：在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，電磁閥處于開(kāi)和關(guān)狀態(tài)的時(shí)間比值。
....................................

2.1 提出變徑脈沖氣流分選
由于傳統(tǒng)氣流分選對(duì)物料粒度、密度、形狀、水分等要求較苛刻，一直未得到廣泛應(yīng)用。為改善氣流分選效果，學(xué)者們?cè)噲D利用氣流的加速效應(yīng)來(lái)提高氣流分選性能[81-87]。Basset 應(yīng)用近似解析的方法，假設(shè)流體不可壓縮且無(wú)旋，提出了氣流場(chǎng)內(nèi)球形顆粒的運(yùn)動(dòng)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(dòng)氣流中顆�？梢詫�(shí)現(xiàn)按密度分選[65]。
Stessel 等[64,88]基于流體-機(jī)械力平衡數(shù)學(xué)模型，提出脈動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程和阻尼氣流作用下顆粒的運(yùn)動(dòng)方程。
......................................

3 構(gòu)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(shè)計(jì) ..........................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(shí)驗(yàn)系統(tǒng) .................56-58 
3.3 實(shí)驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)處理 .........................58-60 
3.3.1 實(shí)驗(yàn)儀 .........................58 
3.3.2 數(shù)據(jù)分析處理軟件開(kāi)發(fā) ............58-60 
3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo) ............................60-61 
3.5 本章小結(jié).......................... 61-63 
4 恒定流場(chǎng)粉煤分選研究 ..................63-81 
4.1 恒定流粉煤分選過(guò)程 ....................63-64 
4.2 實(shí)驗(yàn)物料性質(zhì) .........................64-67 
4.3 恒定流氣速對(duì)粉煤分選的影響 .......................67-76 
4.3.1 恒定流對(duì)重產(chǎn)物分配影響........................ 67-71 
4.3.2 恒定流對(duì)分選密度完善度影響 ......................71-73 
4.3.3 恒定流對(duì)粉煤分選效影響 .........................................73-74 
4.3.4 恒定流對(duì)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(duì)分選的影響 ................76-78 
4.5 分選機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)分選的影響..................... 78 
4.6 本章小結(jié) ............................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(chǎng)數(shù)值模擬

在變徑氣流分選機(jī)內(nèi)氣流速度隨分選機(jī)結(jié)構(gòu)的變化而變化，脈沖氣流隨位置和時(shí)間都發(fā)生變化，氣流分布與布風(fēng)板和分選段變徑結(jié)構(gòu)之間存在極為復(fù)雜的關(guān)系。因此，研究分選機(jī)內(nèi)氣流的速度分布具有重要意義。為了進(jìn)一步掌握變徑結(jié)構(gòu)對(duì)氣速分布的影響，本章首先利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合恒定流場(chǎng)粉煤分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析不同變徑結(jié)構(gòu)氣流分選機(jī)內(nèi)的恒定流氣速分布特性。為了進(jìn)一步研究變徑脈沖氣流場(chǎng)內(nèi)顆粒按密度分選機(jī)理，對(duì)變徑脈沖氣流場(chǎng)內(nèi)氣流速度分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得脈沖氣流在一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)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(jié)合變徑脈沖氣流粉煤分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析速度變化對(duì)顆粒按密度分選的影響規(guī)律。
6.1 Fluent 軟件概述
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)為CFD）是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算和圖象顯示，對(duì)流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等物理現(xiàn)象進(jìn)行分析。它利用動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程以及能量守恒方程等流體力學(xué)基本方程對(duì)流體進(jìn)行仿真模擬，幫助我們了解復(fù)雜流場(chǎng)內(nèi)基本物理量的分布。
Fluent 6.3軟件是一個(gè)工程應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)商用軟件包，它從用戶(hù)角度出發(fā)，針對(duì)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，選取相應(yīng)的計(jì)算方法和離散格式，在計(jì)算速度、精度、穩(wěn)定性上等達(dá)到最佳組合，從而高效地解決復(fù)雜流動(dòng)仿真計(jì)算問(wèn)題。Fluent軟件具有物理模型豐富、數(shù)值計(jì)算方法先進(jìn)及后處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，由用于模型結(jié)構(gòu)的前處理、求解器及后處理3大模塊組成。典型的Fluent解算過(guò)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(shè)置邊界條件；（4）設(shè)置求解參數(shù)；（5）求解；（6）處理結(jié)果。
................................

結(jié)論

本文本文依據(jù)流體力學(xué)理論，提出了變徑脈沖氣流分選技術(shù)，對(duì)影響氣流分選效果的各因素進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，本研究的主要結(jié)論如下：
（1）通過(guò)研究變徑脈沖氣流分選機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)，得到了顆粒密度和變徑結(jié)構(gòu)對(duì)其加速運(yùn)動(dòng)的影響顯著，上升氣流產(chǎn)生的加速效應(yīng)是影響顆粒按密度分離的主要因素。
（2）應(yīng)用流體力學(xué)分析了變徑脈沖氣流分選機(jī)理，與高密度顆粒相比，低密度顆粒在脈沖氣流場(chǎng)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(yīng)；變徑結(jié)構(gòu)和脈動(dòng)氣流的協(xié)同變速作用促進(jìn)了粉煤按密度分選。
（3）在恒定流場(chǎng)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)研究了恒定流氣速對(duì)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(yīng)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(guò)某一定值后，高密度顆粒受氣流加速效應(yīng)的影響也顯著，且隨氣速增大顆粒粒度效應(yīng)增強(qiáng)，分選效果變差。
（4）實(shí)驗(yàn)研究了入料粒度和可選性對(duì)分選的影響，入料粒度減小，粒度效應(yīng)增強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)研究了入料形狀對(duì)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(shí)驗(yàn)研究了脈動(dòng)周期對(duì)分選的影響規(guī)律，脈動(dòng)周期過(guò)小時(shí)，脈動(dòng)氣流作用小，相當(dāng)于恒定流分選；脈動(dòng)周期增大，脈動(dòng)氣流加速度慣性力增大，顆粒運(yùn)動(dòng)速度谷峰值增大；脈動(dòng)周期過(guò)大，維持氣流脈沖特性時(shí)間反而縮短，脈動(dòng)氣流加速效應(yīng)減弱。
（7）實(shí)驗(yàn)研究了脈動(dòng)開(kāi)閉對(duì)不同粒度粉煤分選的影響規(guī)律，顆粒粒度減小，脈動(dòng)開(kāi)閉比值減小，5-3.2mm粉煤在脈動(dòng)開(kāi)閉比1:1時(shí)分選效果較好，3.2-2.5mm粉煤在脈動(dòng)開(kāi)閉比1:2時(shí)分選效果較好。
（8）實(shí)驗(yàn)研究了脈動(dòng)氣流對(duì)分選的影響規(guī)律。加入脈動(dòng)氣流后低密度顆粒在重產(chǎn)物中的分配率明顯降低。脈動(dòng)氣流增大，加速效應(yīng)增強(qiáng)，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(cuò)配明顯減小，分選效率升高；脈動(dòng)氣流過(guò)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(cuò)配逐漸增大，分選效率下降。
（9）通過(guò)正交試驗(yàn)分析得到了 5-3.2mm 粉煤在恒定流氣速 7.31m/s、脈動(dòng)流氣速 0.32m/s、脈動(dòng)開(kāi)閉比值 1.0 時(shí)分選效率為 92.79%的最優(yōu)化方案，同時(shí)得到了分選效率與操作參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)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(shí)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(diǎn)。
............................
參考文獻(xiàn)（略）