旋流梯度复合力场中细粒氧化煤分选理论基础研究

发布时间：2020-08-12 15:26

【摘要】：我国以煤为主的能源结构决定了煤炭的基础性能源地位将是长期的和稳定的。降低洗选能耗和污染物排放、大力发展高精度煤炭洗选加工、实现煤炭深度提质和分质分级是十三五期间加快推进煤炭领域供给侧结构性改革的重要举措。基于表面重度亲水性的细粒氧化煤的高效分选技术有待突破。论文分析了颗粒的分选属性在复合力场中对分选环境的响应规律,研究了颗粒分选特性的差异性;揭示了分选过程中颗粒群的分层、迁移等复杂现象并对其机理进行分析;通过数值模拟方法研究复杂的流场特性,从微观层次深入分析了关键操作参数对分选过程的影响机制,完善了旋流梯度复合力场中分选理论,揭示了分选过程梯度特征,实现了细粒氧化煤的高效分选,并将应用领域拓展至低阶煤的分选。通过颗粒群的密度和粒度等分选属性表征,揭示了矿物质在不同品级颗粒中赋存特性,建立矿物质的赋存规律模型。阐述了具有重度亲水性及显著密度差异特征的细粒氧化煤进行强化重力分选的可行性与必要性。研究了单离心力场对颗粒群分层效果的影响规律及机制。设计了单离心试验,分析了细颗粒群在单离心力场中的沉降分层规律。借助图像重构分析了颗粒群在单离心场中的分配率/灰分的时空分布,分析了颗粒的分选属性对其分层特性的影响规律,层间灰分的低差异性证明单离心力场对颗粒群精确分层的低效性。单一方向的力并未改善以密度差异为主导的颗粒群分层环境。重选过程的单纯离心化并不能改善分层效率。明确了复合力场对颗粒群的高效的剪切分层特性。基于复合力场内多元化的分层环境,设计了复合力场颗粒群单元剪切分层试验,分析了变参数条件下的颗粒群层间灰分差异,通过颗粒的动力学特性分析了复合力场中颗粒群松散分层机理。结果表明,颗粒群在复合力场可以实现颗粒群高效分层。流态化水压和离心力存在最佳适配以使分选效率得到最优。粒度属性在颗粒沉降中的作用被弱化。基于颗粒的自身分选属性对关键分选条件参数的响应规律,明确了颗粒迁移方向的分选梯度特征。超细粒级颗粒在溢流中的高分配率高灰分特性造成了精煤灰分的整体偏高。提出了基于窄粒级颗粒对分选操作参数响应规律差异的精煤产率及灰分平衡模型。通过多元线性回归分析建立了精煤中窄粒级颗粒分配率/灰分对离心力和流态化水压的响应规律模型,得到了基于窄粒级分选特性差异的矛盾性平衡模型,分选最佳条件的实质是在窄粒级分选的矛盾中寻求平衡点。提出复合力场中的分选粒度下限的概念,分析了分选粒度下限对关键参数的响应规律,提出了超细旋流器的预先脱泥工艺。基于表面波理论和短距沉降理论对在复合力场中颗粒群的分选粒度下限进行了理论分析。采用D20BKrebs旋流器进行预脱泥处理,样品中微细颗粒含量由17%降低至4%。脱泥产品的强化重力分选效果显著,灰分最低可降低至4%。基于窄粒级颗粒与“全粒级分选过程中相应窄粒级”的分选特性差异,提出了复合力场中基于全粒级分选的自生介质理论。设计了复合力场中颗粒群分选的分步释放试验,研究了复合力场对矿物质脱除速率的影响规律。分析了分选产物的灰分/产率含量梯度分布,矿物质的脱除速率符合一级动力学理论。通过随机过程理论分析了颗粒群在复合力场中迁移过程。研究了错配颗粒含量对关键参数的响应规律。分选参数对错配物含量影响显著,颗粒形状的不规则性显著提高了错配含量。研究了复合力场对杂质元素的脱除效率。结果表明分选过程对铝硅元素脱除率均在80%以上。采用高速动态测试技术和多相流数值计算方法从宏观和微观两个方面研究了复合力场中的流场流态。明确了适合复合力场复杂流态的流体力学计算模型,完成了对分选机单流场的全三维数值计算,分析了离心力和流态化水压两个关键因素对流体三维流速的影响规律。离心力的增大对流体的切向速度、轴向速度及径向速度均有促进作用;流态化水压对流体的切向速度和轴向速度影响有限,但可有效提高流体的径向流速。研究了分选区沿径向的湍流变化梯度特征。通过湍流动能和湍流耗散率两个微观流体力学参量分析了分选区流场的湍流特征,在近壁区域呈现出了高湍流动能和高湍流耗散率的特征,使得沉降颗粒进行充分分散,错配颗粒重新进入分选区域。在远壁面区域呈现出准层流流态,稳定的分选环境有助于细颗粒分层。提出基于复合力场分选机理的以实现细粒煤的连续精确分选的新型分选机的技术原型,可有效规避传统离心机不能对高密度颗粒含量过高不能连续排料的缺陷,进行了关键结构设计,完成分选机实体制造。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD94
【图文】：