空气重介流化床介尺度机制及调控

China is the largest country of coal production and consumption in the world. It is a momentous difficult problem of the large-scale separation and extraction for the low quality coal in the sustainable development of coal industry. Two thirds of the coal resource in China distributes in the west arid and water shortage regions. Water shortage is a global problem, which makes the coal dry beneficiation technology has been the research hotspots in the field of coal preparation and utilization. Based on the complex components in air dense medium fluidized bed, the various force relationship of the particles and particle-fluid with different properties will be studied from the view of multi-scales. The character, property and formation mechanism of the meso-scale structure in the complex system will be quantitatively analyzed and represented. The separation process will be simulated using tracer particles. The effect of convection, seepage flow and negative air pressure mechanism in the separation of air dense medium fluidized bed will be exposited through the sample analysis of time-sharing, segmenting and layering. The mathematical model of the separation system with multiphase, multi-components and multi-scale materials will be established. The multi-scale complex behavior of air dense medium fluidized bed will be studied. The coupling action mechanism of different meso-scale behaviors will be investigated, and the general regulation of multi meso-scale will be exposited. The meso-scale models of different levels in air dense medium fluidized bed will be proposed, which will provide the theoretical foundation and technical support for the dry coal separation technology in the water shortage regions in China.

我国是世界煤炭生产和消费第一大国，低品质煤大规模分选提质是我国煤炭工业可持续发展亟待解决的重大难题。我国2/3以上的煤炭资源分布在西部干旱缺水地区，水资源短缺也是全球性的问题，煤炭高效干法分选已成为世界煤炭加工利用领域的研究热点。针对空气重介流化床中复杂物料组成，从多尺度研究不同性质颗粒间、颗粒与流体间各种受力关系，定量分析和表征复杂系统中介尺度结构的特征、性质和形成机理。以示踪颗粒模拟分选过程，通过分时-分段-分层采样分析，揭示空气重介流化床分选过程中对流、渗流、凝聚作用和负气压机制，建立多相、多组分、多尺度物料分离体系的数学模型。研究空气重介流化床多尺度复杂行为，分析不同介尺度行为的耦合作用机制，揭示多个介尺度的共性规律，提出适用于空气重介流化床不同层次的介尺度模型，为我国干旱缺水地区煤炭高效干法分选提供理论依据与技术支持。

煤炭在我国能源消费结构中具有支柱性作用，而选煤作为洁净煤源头技术对于实现煤炭清洁利用具有决定性作用。目前，煤炭分选主要依靠耗水量大的湿法分选技术，不仅浪费水资源，生产加工过程也会带来环境污染。因此，不需用水且能耗更低的干法选煤技术日益受到各界关注，尤其流态化干法选煤因其较高的分选精度已成为国际选煤界研究热点之一。.流态化干法选煤属于浓相气固高密度流态化，具有气泡相、乳化相等多相和多元宽粒级加重质颗粒、宽粒级煤炭与矸石颗粒等多组分的非线性复杂结构，这些结构具有时空上的多尺度的动态耦合作用，如不能得到很好的调控，将导致气固流态化分选过程的加重质返混、床层沟流、短路等现象产生，从而使得煤矸颗粒错配，恶化分选效果。.本项目通过理论分析和科学试验，建立了流态化分选过程的多相、多组分、多尺度下的基础理论模型，包括分选过程的床层密度预测模型，以及分选密度调控模型；揭示了微泡准散式流态化的宏观调控理论，包括宽粒级颗粒迁移规律，混合与离析机理以及气泡时空演变过程床层稳定性变化规律；研究了微观层面的流态化分选机理，构建了煤炭颗粒分时-分层-分段分选的基础模型和煤炭颗粒、气体、介质颗粒三者的耦合作用机理以及大型化流态化分选稳定性控制机制。最终成功实现了煤炭高效分选，分选精度E值可达0.03g/cm³，精煤灰分可以降低至10%以下，硫分可以降低至0.4%，发热量可以提高至36MJ/kg。.项目执行以来，项目负责人获省部级科学技术一等奖两项，省部级荣誉称号5项，发表SCI论文14篇，授权发明专利国外2项、国内14项。项目负责人被聘任为中国矿业大学教授、博导，培养博士研究生2名，硕士研究生10名，协助指导青年教师3人，博士生5人。