颗粒在变径脉动气流场中按密度分离的强化机制研究

Dry separation is believed to be the most suitable cleaning method for coal to be easy muddy or in water-deficient areas. Currently air-dense medium fluidized bed separation and compound dry cleaning machine are the two main types of dry gravity separation in industrial application, with separation low limit of 6mm. The magnitude of fine particles has increased due to the application of fully mechanized mining technology. Thus, it is urgent to develop new efficient dry separation method to deal with -6 mm fine coal. This study aims at exploring new method to separate -6 mm fine coal. Hydrodynamics analysis on particles in variable-diameter pulsed flow field was made by adopting experimental research, theoretical analysis and numerical simulation in order to reveal separating intensified mechanism depending on density, similar scaling-up principle of separator and to optimize pneumatic and structural parameters. Consequently, more efficient separation method for coal to be easily muddy or in water-deficient areas will be provided.

缺水地区和遇水易泥化煤的最佳净化途径是采用干法分选方法，目前工业应用的干法重选方法主要有空气重介质流化床选煤和复合式风力选煤，分选粒度下限均为6mm。由于综采技术等的采用，原煤细粒含量增多，亟待开发<6mm粉煤的新型高效干法分选方法。本研究以<6mm粉煤干法高效分选为目标，采用实验研究、理论分析和数值模拟研究方法，对颗粒在变径脉动流场中的运动行为进行流体动力学分析，揭示变径脉动气流场中颗粒按密度分离的强化机制，掌握分选机的相似放大准则，协同优化变径脉动气流分选的气动和结构参数，为我国干旱缺水地区和易泥化煤炭的分选提供有效方法。

本项目以-6mm粉煤干法分选为目标，系统开展了变径脉动气流分选研究，取得了以下研究结果：. 建立了间歇式变径脉动气流分选试验装置，在此基础上构建了连续式变径脉动气流分选试验系统。主风量、脉动风量、脉动周期对分选效果的影响依次减小；随主风量的增大，实际分选密度和可能偏差逐渐增加；主风量较高时，随脉动风量的增加和脉动周期延长，实际分选密度增加，可能偏差升高。随着变径结构锥角和高径比的增加，达到相同分选密度时所需主风量增加，可能偏差增大；重产物排料口直径越大、给料位置距底部排料口距离越近，分选密度越低；给料位置设在变径段，分选效果优于设在直筒段；直筒段高度越高，分选密度越高，可能偏差越小。煤样的可选性对变径脉动气流的分选效果影响不大；实际分选密度相同时，粒级宽度越大，可能偏差越大，分选效果越差。. 对变径脉动流场和颗粒运动行为进行了流体动力学分析，气流脉动速度由沿流动方向的行波和逆流动方向的行波合成，脉动速度振幅的大小主要取决于阻尼系数和变径段速度缩放系数。研究了气固两相的作用机制，考察了固体体积浓度、雷诺数、脉动频率等对阻力系数的影响，给出了脉动气流场中颗粒绕流阻力系数的修正公式。对颗粒在变径脉动流场中运动行为进行了流体动力学分析，通过颗粒受力分析和量级比较，建立了颗粒在变径脉动流场中运动的动力学微分方程，通过数值模拟结合变径脉动流场中颗粒运动动力学分析，揭示了变径脉动流场颗粒分离机制：脉动气流的周期性累积振荡可促进不同密度颗粒相互分离，变径结构的减速作用可进一步强化颗粒按密度分离的趋势。. 利用DDPM模型和DEM模型相耦合的方法，引入相体积分数和软球碰撞模型，对粉煤变径脉动气流分选过程进行了数值模拟。取变径段锥比、主风量、脉动风量、脉动周期四个因素、采用数值仿真试验，研究了结构参数和气动参数对变径脉动气流分选效果的综合影响规律。根据数值模拟和试验结果，建立了分选密度、可能偏差与各因素间的数学关联式。采用参数寻优方法，对变径脉动气流分选结构参数与气动参数进行了协同优化，给出了一定分选密度下结构参数与操作参数的最佳匹配关系。. 发表论文18篇，SCI收录6篇，EI收录9篇；获得中国煤炭工业协会科技进步二等奖1项；培养博士研究生2名，硕士研究生6名；获发明专利1项，申请发明专利2项。