离心过滤与加压协同作用下的厚滤饼层结构表征及渗流机理研究

针对湿法选煤工艺中的微细煤泥脱水难、影响精煤产品质量、制约稀缺、难选煤湿法深度脱硫降灰的问题，基于深层过滤、离心过滤、加压过滤的理论与实践，提出了微细物料及细煤泥的厚滤层加压离心复合过滤脱水模式,开展离心加压协同机制下的厚滤饼层结构及流体渗流机理研究。设计原理模型及配套系统，利用高速动态摄像技术、图像分析技术等研究复合机制下的渗流进程、孔隙结构、残液分布；利用数值模拟及分形理论研究复合机制下的滤层孔隙分布规律、阻力形成机制、多孔介质渗流规律，建立复合机制下的孔隙分布模型、渗流动力模型、余液分布模型，揭示复合机制下的微细粒渗流脱水机理和调控机制。设计小型工艺试验装置、确定复合评价指标、开展工艺试验、进行模糊评判，验证和修正相关模型及调控机制。本研究丰富和发展了微细粒（煤泥）脱水的基础理论与方法，对促进新型微细粒过滤脱水技术的研发、推进煤炭湿法深度脱硫降灰工艺的发展等具有理论意义和实用价值。

基于深层过滤、离心过滤、加压过滤协同的学术思路，设计搭建起了厚滤层离心加压过滤理论与技术研究平台；基于层切分析方法对比了机械压滤滤饼及离心厚滤层过滤滤饼空间均匀性，揭示了厚滤层离心滤饼过滤过程中的颗粒分异现象。悬浮液离心沉降成饼过程中的粒群行为差异和渗流裹挟效应是分异现象的直接原因，低浓度条件下分异现象显著，高浓度条件下的分异现象弱化；建立了厚滤层离心过滤过程中的流体压力分布函数，基于边界条件，可将整个过程划分为饱和脱液阶段和非饱和脱液阶段；前者决定脱液速率和效率、后者决定残余水分和效果；入料浓度的提高、入料粒度的降低会降低滤层的径向分异趋势；基于微元分析法，建立了滤层的离心质量力传递模型，即厚滤层离心过滤过程的滤层质量具有显著的累积压滤效应，导致滤层堆积趋于紧密、颗粒间隙趋减、含液空间压缩；揭示了厚滤层离心过滤过程中的深层过滤效应，即滤层截留作用是决定微细颗粒回收率的关键因素，滤网只决定流失到滤液中的颗粒的上限，但不决定回收颗粒的下限。实践表明，滤层截留机理具有非常重要的工业意义；压滤滤饼的比阻为均匀分布，而厚滤层离心滤饼的过滤比阻是半径的复杂函数，随着滤层半径的增大而降低；由于分异现象的存在，煤泥离心过滤滤饼阻力及关联参数之间存在复杂性，基于滤饼的颗粒分布以及孔隙分布确定离心过滤过程的渗流阻力是确定离心过程滤饼脱水的动力过程的基础；基于厚滤层离心过滤过程的渗流模型分析，饱和脱液阶段的过滤速率与颗粒比表面积的平方成反比，与矿浆粘度μ成反比，与离心因数Cm成正比；与滤层阻力成反比；非饱和渗流脱液阶段的离心作用力之间将达到一种平衡，提高离心因数是降低滤层最终残余水分的有效手段；气体加压穿流可有效降低厚滤层离心滤饼的残余水分。提出了基于干湿比分析滤饼孔隙率的量化模型，影响厚率层滤饼孔隙分布的主要因素有颗粒的形状、颗粒粒度分布以及离心因数。本研究丰富了离心过滤脱水的理论，丰富了煤泥厚滤层离心过滤脱水技术开发的理论基础。