振动强化空气重介质分选机制及加重质回收行为研究

摘要

随着我国经济发展进入新常态,煤炭高效清洁利用成为煤炭工业发展的方向。煤炭洗选加工作为煤炭清洁利用的源头技术,是煤炭高效洁净利用的首选方案。由于我国2/3以上的煤炭资源分布在干旱缺水地区,且部分煤种遇水易泥化,难以采用现行的湿式选煤方法,急需研发一种高效干法选煤技术。空气重介质流化床技术作为一种理论上理想的干法选煤技术,成为干法选煤研究的热点。论文针对空气重介质流化床的研究现状和存在问题,建立空气重介质流化床分选系统,对空气重介质振动流化床的振动能量作用机理和分选特性,以及流化床中粘附加重质的干法净化回收进行了深入研究。本文综合运用矿物加工学、流体力学、颗粒学、机械振动学、电磁学等多学科理论对新型分选流化床的分选特性及加重质回收行为进行了研究。论文主要包括振动能量对空气重介质流化床分选的作用机理、新型空气重介质流化床连续性分选特性、流化床中水分传递和加重质粘附行为、干法振动脱除加重质行为、加重质干法磁选净化回收行为等五部分。研究内容为:分析振动能量在空气重介质流化床中的扩散衰减,揭示振动能量抑制气泡生成改善流态化分选的机理;考察空气重介质流化床连续条件下的分选特性,掌握操作参数对分选特性的影响规律;讨论水分在流化床中的传递及加重质粘附行为,明确水分传递对空气重介质流化床分选特性和加重质粘附量的影响规律;研究干法脱除加重质行为及其内在关联性,阐释干法振动脱介的规律;探讨操作参数和物料性质对加重质干法磁选净化回收行为的影响,掌握各种因素对加重质干法磁选效果的影响规律。通过对空气重介质振动流化床分选特性和加重质净化回收行为的研究,为进一步优化新型空气重介质流化床分选过程提供参考和理论基础。通过研究,本文取得的主要认识如下:(1)基于机械压力波理论及能量耗散分析,阐明了振动能量改善分选的实质:振动能量能够改善分选在于其周期性变化引起加重质颗粒周围压力的变化,进而造成压差曳力和摩擦阻力大小比例的变化,从而改变加重质的受力动态平衡状态。引入振动能量衰减系数,建立了振动能量在空气重介质振动流化床中传递衰减的动力学微分方程:(2)根据两相理论,考虑布风板数目和气泡实际形状,引入尾涡体积分数和尾涡重力,建立了符合空气重介质流化床的初始气泡生成频率的理论计算模型:(3)通过分析床体振动频率和初始气泡生成频率之间的关系,揭示了振动改善流态化的作用机理。振动具有双重作用,床体振动频率在气泡生成频率一半以上的某个区域内存在最佳范围,在此范围附近振动频率能够显著破碎初始气泡、改善分选精度。利用研制的新型空气重介质振动流化床进行了分选验证实验,结果表明分选25-13mm粒级难选煤最小Ep值为0.07g/cm3。(4)研究了新型空气重介质流化床分选系统操作参数的基本规律。风量相同时,随振动频率增大,加重质循环量逐渐增加,当振动频率大于13.07Hz,加重质循环量迅速增大;振动频率相同时,加重质循环量随风量增加而减小,风量大于120m3/h时减小趋势变缓。(5)考察了新型空气重介质流化床分选系统连续性分选特性。连续性分选实验结果表明,主要操作参数对连续性分选效果的影响规律与间歇式分选时的相同,随风量和振动频率增大,分选精度先变好后变差;此新型空气重介质流化床小试系统中相对较优的操作参数为:风量在140m3/h附近、振动频率在12.41Hz左右,此时相应的Ep值为0.08g/cm3;在连续性分选过程中,重产物平均输送速度随振动频率增大而增大,而风量对重产物输送起着双重作用。(6)探讨了加重质水分对流化和分选的影响,分析了加重质与煤炭表面水接触时的粘附和水分传递行为。加重质流化、分选临界水分分别为0.37%、0.30%;风量对加重质具有一定干燥作用,低风速时恒速干燥,高风速时先恒速干燥,再降速干燥;连续性分选时加重质水分随分选时间增加先增大而后趋于平缓。静态条件下,随粘附时间增加,粘附加重质中水分传递量和精煤加重质粘附量先缓慢增大而后逐渐减小,而矸石加重质粘附量逐渐增大。在流化状态下,精煤和干、湿加重质之间的水分传递和粘附行为与静态时一致。在相同矸石表面水时,加重质水分高时,粘附加重质中水分传递量比加重质水分低时小,而加重质粘附量反之。随煤粉含量增加,加重质粘附量和粘附加重质中水分传递量均逐渐减小。(7)单颗粒自由跌落和振动跌落实验结果表明,同一种加重质,煤样表面水分增大或煤样粒度减小时,加重质粘附量增加;在煤样表面水和粒度一定时,随振动时间、跌落高度、跌落次数增加,加重质粘附量变小;加重质粘附量与振动时间之间存在负指数关系,并根据振动脱介过程建立了物理意义明确的振动脱介速率方程:ktCe-g(28)。式中,初始加重质粘附量C主要由物性决定;随煤炭表面水增加或煤炭粒度减小而增大。脱介速率常数k,主要由操作参数决定;煤炭粒度减小,k增大;而随煤炭表面水增加,k变小。(8)以加重质粘附量为指标,将自由跌落和振动跌落脱介效果进行关联,分别建立了自由跌落高度h、次数n与振动脱介时间t之间的关联式:h-t模型和n-t模型;验证表明模型预测结果与实验结果吻合较好,n-t模型更适用于自由跌落与振动跌落。50-13mm煤样粒群脱介表明:粒群脱介亦满足振动脱介速率方程,对粒群脱介行为进行了初步预测,结果表明可通过单颗脱介与粒群脱介的关联预测粒群脱介行为,为研究干法重介质分选工艺的脱介提供新的思路。(9)研究了主要因素对粒群振动脱介效果的影响。振动频率对加重质粘附量有一定影响,随振动频率从10Hz增加到16.67Hz,加重质粘附量变小;加重质粘附量随给料速度的增大而增大;当给料高度从30cm逐渐增至90cm时,加重质粘附量逐渐变小;煤粉混入对脱介筛脱介有一定加速作用,随煤粉含量增加,加重质粘附量降低,初始加重质粘附量变小。(10)分析了加重质干法磁选净化回收的可行性和实质,探讨了操作参数对干法磁选分离煤粉过程的影响。当磁场强度降低时,加重质回收率、煤粉净化率和磁选效率均先增大后减小。随分选时间增加时,加重质回收率先基本不变,而后逐渐下降;煤粉净化率和磁选效率基本逐渐变小。当给料速度增大时,加重质回收率、煤粉净化率和磁选效率均逐渐变小。(11)研究了入料性质对加重质干法磁选净化回收行为的影响。当煤粉含量从4%逐渐增加至16%时,加重质回收率、煤粉净化率和磁选效率均逐渐降低。加重质水分增加时,加重质回收率逐渐下降;而煤粉净化率和磁选效率先增大而后逐渐下降。加重质回收率、煤粉净化率和磁选效率均随加热温度的升高而逐渐增大。随煤粉粒度增大和加重质粒度的增大,加重质回收率、煤粉净化率和磁选效率先迅速增大后趋于稳定。(12)实验室带式永磁磁选机正交实验表明:煤粉含量是影响加重质干法磁选净化回收效果的最主要因素,分选时间的影响较为显著,磁场强度影响很小,可忽略不计。当分选时间75s、煤粉含量14%、到磁体表面距离1cm时,加重质回收率、煤粉净化率、磁选效率分别为91.32%、68.87%、60.19%。

目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外空气重介流化床技术发展现状

1.2.1 分选装置

1.2.2 实验研究

1.2.3 理论研究

1.2.4 存在问题及未来发展方向

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 本章小结

2 实验材料和试验系统

2.1 实验材料

2.1.1 煤样性质

2.1.2 加重质性质

2.2 分选系统

2.3 本章小结

3 振动能量对空气重介质流化床分选作用机理研究

3.1 振动能量在分选流化床中扩散机理

3.1.1 机械压力波

3.1.2 分选装置简化模型及其动力学方程

3.1.3 振动能量对加重质颗粒运动影响

3.1.4 振动能量传递衰减动力学微分方程

3.2 振动能量对空气重介质流化床气泡行为及流态化分选影响

3.2.1 空气重介质流化床中气泡生成规律研究

3.2.2 上升过程中气泡大小计算模型

3.2.3 振动抑制气泡生成验证实验

3.3 振动能量改善流化床分选机制研究

3.4 本章小结

4 新型空气重介质流化床连续性分选实验研究

4.1 连续性分选工艺流程

4.1.1 连续性分选工艺流程

4.1.2 连续性给料控制研究

4.2 加重质循环量与主要操作参数之间关系

4.2.1 流化床高与加重质初始量之间的关系

4.2.2 振动频率与加重质循环量之间关系

4.2.3 风量与加重质循环量之间关系

4.3 连续性分选特性研究

4.3.1 实验过程

4.3.2 结果分析与讨论

4.3.3 重产物平均输送速度研究

4.4 本章小结

5 流化床中水分传递及加重质粘附研究

5.1 水分对加重质流化特性和流化床分选特性影响

5.2 风量对加重质水分干燥作用

5.3 水分在连续性分选过程中传递行为

5.4 流化床中水分传递过程研究

5.4.1 煤炭与加重质之间静态水分传递过程

5.4.2 煤炭和加重质之间的水分传递规律

5.4.3 湿矸石和湿加重质之间的水分传递过程

5.5 煤粉对流化床中水分传递过程影响

5.5.1 影响加重质粘附主导粒度分析

5.5.2 煤粉含量对水分传递及粘附行为影响

5.6 本章小结

6 干法脱除加重质行为研究

6.1 实验样品及方法

6.1.1 实验样品

6.1.2 实验方法

6.2 单颗粒自由跌落实验研究

6.2.1 50-25mm时单颗粒精煤自由跌落脱介实验

6.2.2 25-13mm时单颗粒精煤自由跌落脱介实验

6.3 单颗粒煤样振动跌落实验研究

6.3.1 不同粒度单颗粒煤样振动脱介实验

6.3.2 不同粒度煤样单颗粒矸石振动脱介实验

6.4 单颗粒自由跌落与振动跌落脱介关联

6.4.1 自由跌落与振动跌落实验n-t关系

6.4.2 自由跌落与振动跌落实验h-t关系

6.5 粒群振动脱介实验研究

6.5.1 粒群振动脱介实验

6.5.2 振动跌落脱介筛长预测

6.6 粒群干法振动脱介的影响因素研究

6.6.1 振动频率对干法振动脱介影响

6.6.2 给料量对粒群振动脱介影响

6.6.3 给料高度对粒群振动脱介影响

6.6.4 煤粉含量对粒群振动脱介影响

6.7 干法振动脱介介耗初步分析

6.8 本章小结

7 加重质干法磁选净化回收研究

7.1 加重质干法磁选净化回收可行性分析

7.1.1 物料性质分析

7.1.2 工艺及设备可行性

7.1.3 干式磁选与湿式磁选差异分析

7.2 加重质干法磁选净化回收过程分析

7.2.1 干法磁选装置及其磁场特性

7.2.2 干法磁选过程中磁铁矿粉颗粒运动简析

7.2.3 弱磁场时从磁铁矿粉中分离煤粉实质分析

7.3 加重质干法磁选净化回收影响因素研究

7.3.1 操作参数对干法磁选效果影响

7.3.2 物性对干法磁选效果影响

7.4 加重质干法磁选净化回收正交实验研究

7.4.1 实验方案设计

7.4.2 实验结果及方差分析

7.5 主要问题及建议

7.6 磁选分流介耗初步分析

7.7 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新性与展望

参考文献

致谢

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