浓相脉动流化床流化与分选机理研究

摘要

煤炭是我国的主要基础能源，实现煤炭的清洁开发利用与近零排放是未来我国能源与煤炭发展的唯一道路。目前，湿法选煤技术在我国选煤领域占据主导地位，但近年来，随着水资源短缺与环境污染问题的日益严峻，湿法选煤技术的应用受到限制。因此，迫切需要发展高效的干法选煤技术。随着模块式干法重介质流化床选煤技术的工业应用，+6 mm的块煤已经实现高效的干法分选，而对于含量日益增多的细粒煤，尚缺少成熟的高效干法分选技术。本文首次将脉动气流的强制振动能量引入到分选流化床中，形成浓相脉动流化床，通过外加能量，改善分选流化床的流态化质量，增强床层密度的均匀稳定性，强化细粒煤的分选过程，从而实现细粒煤的有效分选。
　　对浓相脉动流化床进行平稳性检验和各态历经检验，确定浓相脉动流化床是一个平稳随机过程。基于平稳随机过程的测试与分析方法，对浓相脉动流化床的床层密度进行了测量，并重构出其密度分布云图。随着气流脉动频率的增大，流化床上层、中层和下层的密度变化存在显著差异，根据床层密度与脉动气流频率的响应特性，将频率分为低频、中频和高频三个区域，在中频区内，床层密度自上而下逐渐增大，密度在流化床横截面内的分布均匀，且随时间变化的波动小，适合细粒煤的分选。
　　压力信号能够反映出气固流化床的气泡行为与流体力学特性等，在分选流化床中，由于脉动气流的作用，产生了附加气体运动，保证了流化床在一个脉动周期内的稳定性；通过对压力信号进行频域分析，得到分选流化床的能量耗散率随着床层高度的增加而增大；通过相干性分析分离出不同类型的压力信号，间接反应出床层中不同类型的气泡行为。基于对压力特性的分析与研究，提出了气泡与加重质颗粒的振动作用体系，将床层中的气泡等效为具有一定刚度的弹簧，建立了流化床床层振动过程动力学方程。
　　采用计算颗粒流体力学的方法，对分选流化床的脉动流态化过程进行了仿真实验研究，气泡的运动和爆裂行为会对加重质颗粒运动产生严重的影响。在分选流化床中引入脉动气流后，床层中气泡运动减弱，气流和颗粒相的水平运动速度显著减小，加重质颗粒在竖直方向和水平方向上的运动均从杂乱状态转变为有序状态，加重质环流和颗粒返混现象得到明显改善。
　　基于基础理论研究和试验研究，在浓相脉动流化床实验室系统中进行了?6+1 mm细粒煤的分选试验研究，提出了灰分离析标准差评价气流速度与脉动气流频率对细粒煤按密度分层的作用效果。分选结果显示，对?6+3 mm和?3+1 mm细粒煤的分选可能偏差E值分别为0.19 g/cm3和0.10 g/cm3，对?6+1 mm高变质程度的无烟煤分选可能偏差E值可达到0.09 g/cm3。通过脉动流化床的分选，原煤中的黄铁矿等无机硫元素在矸石中富集，精煤产品的硫分显著降低。
　　该论文有图116幅，表25个，参考文献128篇。

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变量注释表

1前言

1.1研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2课题提出(Subject Support)

1.3研究内容与方法(Research Content and Approach)

2文献综述

2.1干法选煤技术(Dry Coal Beneficiation)

2.2脉动流化床(Pulsed Fluidized Bed)

2.3本章小结(Brief Summary)

3试验系统与材料

3.1浓相脉动流化床分选系统(Separation System Based on Pulsed Fluidized Bed)

3.2数据采集系统(Data Acquisition System)

3.3加重质性质(Properties of Heavy Medium)

3.4本章小结(Brief Summary)

4浓相脉动流化床随机过程与密度时空分布

4.1浓相脉动流化床的平稳随机过程(Stationary Random Process of Dense Pulsed Fluidized Bed)

4.2床层密度的测量与评价(Test and Evaluation of Bed Density)

4.3床层密度与气流脉动频率的响应(Response of Bed Density with Gas Pulsation Frequency)

4.4本章小结(Brief Summary)

5浓相脉动流化床压力波动与能量传递

5.1气固流化床中的压力与气泡(Pressure and Bubbles in a Gas-Solid Fluidized Bed)

5.2浓相脉动流化床最小流态化速度(Minimum Fluidization Velocity of Pulsed Fluidization)

5.3压力波动与气泡行为的响应(Pressure Fluctuations and Bubble Behaviors)

5.4浓相脉动流化床振动分析(Vibration Analysis of Pulsed Fluidized Bed)

5.5本章小结(Brief Summary)

6浓相脉动流化床的动理学特性

6.1计算颗粒流体力学(Computational Particle Fluid Dynamics)

6.2气泡与颗粒运动(Motion of Bubbles and Particles)

6.3浓相脉动流态化仿真试验(Simulation of Dense-Phase Pulsed Fluidization)

6.4本章小结(Brief Summary)

7浓相脉动流化床分选细粒煤试验研究

7.1窄粒级细粒煤分选试验(Separation of Narrow-Range-Size Fine Coal)

7.2宽粒级细粒煤分选试验(Separation of Wide-Range-Size Fine Coal)

7.3硫元素的赋存及脱除效果(Sulfur Forms and Desulfurization)

7.4入料过程对分选流化床的影响(Effect of Feed Process on The Separation Fluidized Bed)

7.5本章小结(Brief Summary)

8结论与展望

8.1结论(Conclusions)

8.2展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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