1前　言

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，煤炭在一次能源消費結(jié)構(gòu)中占75%，而在煤炭消費結(jié)構(gòu)中，用于燃燒的動力煤占80%以上，而且這種狀況在今后相當長時間內(nèi)不會改變。然而至1997年底我國原煤的入選比例只有25.73%，這就造成了燃煤引起的嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。因此必須加快發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，保護環(huán)境，作為潔凈煤技術(shù)源頭的選煤技術(shù)則應(yīng)優(yōu)先發(fā)展。

然而，我國煤炭可采儲量的2/3以上分布在嚴重干旱缺水的西部地區(qū)，無法采用現(xiàn)行耗水量大的濕法分選方法，嚴重制約了選煤技術(shù)的發(fā)展。因此，研究開發(fā)新型高效干法選煤方法，不但在中國是當務(wù)之急，而且由于缺水是全球性的，所以也具有國際意義。

重力分選的基礎(chǔ)原理是入選物料在重力場或離心力場中按其沉降末速不同而分選。分選介質(zhì)的密度越小，不同密度物料的沉降末速受粒度的影響越大，物料必須分成很窄的粒級才能得到有效分選。要提高干法分選的效果，必須設(shè)法提高分選介質(zhì)的密度。空氣重介質(zhì)流化床干法分選研究正是基于這一理論依據(jù)進行的。

加拿大J.M.Beeckmans、蘇聯(lián)J.Laskovski、美國E.Douglas等人提出的流化床分選方法雖然提高了分選介質(zhì)的密度，但只是套用了化工上流化床化學反應(yīng)器物料置換原理，沒有涉及加重質(zhì)粒度級配及第二加重質(zhì)顆粒的分布規(guī)律研究，也沒有研究適合

于煤炭分選的布風特性，加重質(zhì)宏觀返混較大，分選精度較低，更沒有涉及連續(xù)分選過程中流化床密度的動態(tài)穩(wěn)定性，至今仍處于實驗室研究階段。

空氣重介質(zhì)流化床屬氣固濃相高密度流化床，加重質(zhì)一般采用密度較高的磁鐵礦粉，流化床的膨脹率大約在8%，床層密度基本等于分選密度，且具有似流體性質(zhì)。在具有一定密度且在三維空間均勻穩(wěn)定的流化床中，入選物料基本根據(jù)阿基米德原理按床層密度分層，從而達到有效分選。

但普通空氣重介質(zhì)流化床不能實現(xiàn)全粒級煤炭的有效分選，因為入選物料要得到有效分選，其最小粒度必須足夠地大于固相加重質(zhì)的主導粒度，使得流化床能以整體密度作用于入選物料?？諝庵亟橘|(zhì)流化床的分選粒度下限為6mm，對<6mm細粒煤無法進行有效分選。因此，我們不僅要研究適合不同粒級煤炭分選的濃相高密度穩(wěn)態(tài)流化分選理論，而且要研究解決潮濕細粒煤炭的干法深度篩分這一世界性難題，因為隨著采煤機械化水平的不斷提高，原煤中的潮濕細粒煤含量逐年增加。

因此實現(xiàn)煤炭的干法深度篩分(Φ6mm)，不僅可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)動力粉煤等不同粒級的煤炭產(chǎn)品，而且可為干法分選提供條件，最終建立高效干法分選與篩分的理論體系。

2　概率篩分與流化床分選的理論研究

2.1　概率篩分理論

潮濕細粒煤炭的干法深度篩分是當今世界篩分技術(shù)的難點。當對潮濕煤炭進行干法篩分(篩分粒度等于篩孔尺寸)時，會出現(xiàn)煤泥堵塞篩孔的現(xiàn)象，導致限下率高，篩分效率低，嚴重時無法篩分，國內(nèi)外均未解決該問題。對此，本項研究突破了傳統(tǒng)的精確篩分概念和單顆粒透篩概率理論，率先探索用近似概率篩分理論解決潮濕細粒煤炭干法篩分問題。

(1)提出了采用大篩孔(相對篩分粒度)解決煤泥堵孔，采用大傾角控制篩分粒度，采用最佳篩面長度提高篩分精度的觀點，提出了煤炭概率篩分的方法，為潮濕細粒煤炭的干法篩分提供了一條有效途徑。

(2)為揭示篩分過程中煤泥堵孔的機理，通過對篩分過程中潮濕細粒煤的透篩行為的試驗和理論研究，首次發(fā)現(xiàn)了煤泥粘附引起的篩分分配曲線在細粒級區(qū)間反常上翹這一重要現(xiàn)象，建立了以分段冪函數(shù)描述的概率篩分數(shù)學模型。為成功解釋潮濕細粒煤在概率篩分時不易堵孔的特性提供了理論基礎(chǔ)。

(3)以物料的篩分試驗為基礎(chǔ)，研究了粒群在篩面上的運行規(guī)律，提出了粒群沿篩面長度透篩概率的分布模型，即P=1-exp(1-ALB)(式中P為透篩概率，A、B為參數(shù)，L為篩面長度)。將粒群在篩面上的透篩過程分解為觸網(wǎng)和透篩兩個部分，提出了觸網(wǎng)概率的概念，解決了粒群的透篩概率計算，創(chuàng)立了粒群透篩概率理論，突破了中外學者提出的單顆粒透篩概率理論，揭示了物料篩分過程的實質(zhì)。

(4)針對不同性質(zhì)的入篩原煤，進行了煤用概率分級篩的工藝、結(jié)構(gòu)和動力學參數(shù)研究，通過建立被篩物料性質(zhì)、操作參數(shù)、篩分效果間的篩分數(shù)學模型，進行參數(shù)優(yōu)化，提出了以概全效率EC=α+[(β-α)/(β-θ)](100-2θ)(式中α，β，θ分別為入料，篩下物，篩上物中小于規(guī)定粒度的細粒含量)作為近似篩分效果的評定方法，并導出了分離粒度與可能偏差的計算公式。

(5)提出了琴弦概率篩的力學模型和動力學分析，建立了琴弦概率篩的設(shè)計理論，使琴弦篩絲在共振狀態(tài)下工作，篩分機可采用較小的加速度，而琴弦篩網(wǎng)可獲得較大的加速度，篩網(wǎng)不易堵孔，同時動力消耗小，篩分機工作壽命長。

2.2　流化床分選理論

適合于煤炭分選的空氣重介質(zhì)流化床是濃相高密度流化床，與目前化工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的稀相低密度流化床有很大不同，化工上應(yīng)用的稀相低密度床，床層較深，固相加重質(zhì)粒度組成寬，返混較嚴重;而適合于煤炭分選的流化床要求以密度大、粒級窄的固相加重質(zhì)形成濃相高密度微泡流化床。由于入選物料進入流化床后要根據(jù)阿基米德原理按床層密度分層，因此，濃相高密度流化床不僅要求密度在三維空間均勻穩(wěn)定，而且要求加重質(zhì)宏觀返混小，以免已得到分選的物料再混合。這在理論上和實踐上都有很大難度。

(1)要形成密度均勻的流化床層，首先必須解決布風問題，通過細致的理論分析，結(jié)合實驗研究，提出了以兩段復(fù)合式大壓降氣體分布器穩(wěn)壓布風、在低流化數(shù)氣速下操作的布風理論，在此理論指導下研制的氣體分布器達到了開孔率大、布風均勻、氣流速度易控制的目的，為形成適合于煤炭分選的濃相高密度微泡流化床提供了基礎(chǔ)。

(2)要實現(xiàn)濃相高密度流化床對煤炭的有效分選，確保高的分選精度，床層密度必須均勻穩(wěn)定，同時加重質(zhì)返混要小，這就要求一方面要在低流化數(shù)氣速下操作，減小加重質(zhì)返混，另一方面又要避免因氣速過低而引起的加重質(zhì)的分層分級趨勢，保證床層具有足夠的活性和較小的粘度。為此我們提出了加重質(zhì)主導粒級窄(篩比僅為2)，在低流化數(shù)氣速下操作，合理利用加重質(zhì)顆粒宏觀返混和干擾沉降的交互作用效應(yīng)的觀點，有效地抑制了加重質(zhì)的返混及分級趨勢，創(chuàng)立了空氣重介質(zhì)流化床密度均勻穩(wěn)定理論。形成了濃相高密度微泡流化床，在三維空間密度均勻穩(wěn)定，而且加重質(zhì)返混小，適合于入料按密度有效分選。

(3)從入選物料在流化床中的受力分析著手，研究了入料在流化床中的分選機理，認為入料所受凈浮力是決定其分層的主導因素，研究了復(fù)雜的濃相高密度氣固流態(tài)化系統(tǒng)，提出了入選物料在流化床中具有錯配效應(yīng)的分選理論，將錯配效應(yīng)分成粘性和運動兩個錯配效應(yīng)的見解。粘性錯配效應(yīng)由床層的粘性引起，一般隨氣速的增大而減小，而運動錯配效應(yīng)在氣速過低或過高時都較大，因此入料的分選受上述兩種錯配效應(yīng)的交互作用干擾，給出了被選物料不按阿基米德原理分層的臨界條件，但只需將加重質(zhì)粒度級配，氣速控制適宜，兩種錯配效應(yīng)均可得到有效控制。入選物料粒度越大，所受凈浮力越顯著，錯配效應(yīng)則越小，分選機的操作參數(shù)應(yīng)參照細粒分選物料進行優(yōu)化。在優(yōu)化參數(shù)的條件下，取得了良好的分選效果，可能偏差Ep值達0.05～0.07。

(4)在連續(xù)分選過程中，原生及次生煤粉將不斷產(chǎn)生，對此，著重研究了不同粒級煤炭在流化床中的分布規(guī)律，提出不同粒級煤炭在流化床中的三級分布理論，在理論上定量確定了分選下限，成功地解釋了不同粒級粉煤在流化床中的分布規(guī)律，該理論的核心就是通過對不同粒級煤粉與加重質(zhì)主要特性參數(shù)的對比計算，確定不同粒級粉煤的分布規(guī)律，即粉煤在流化床中按三個粒級分布，第一粒級為細粒，分布在上層，第二粒級為等沉粒，將混雜在固有加重質(zhì)顆粒之中，可視為第二加重質(zhì)，第三粒級為粗粒，它將受到流化床平均密度的浮力作用，按床層密度分層。該理論為床層密度的調(diào)節(jié)及穩(wěn)定性控制提供了理論依據(jù)。

(5)在連續(xù)穩(wěn)定的分選過程中，必須保持分選介質(zhì)的數(shù)質(zhì)量平衡，以穩(wěn)定床層密度。為此，建立了分選介質(zhì)的動態(tài)平衡模型，即QS=γ入Q入/[0.85+ln(1/ρ-0.08)](式中QS為介質(zhì)分流量，γ入為原生煤粉量，Q入為入料量，ρ為床層密度)，提出了床層密度與煤粉含量的關(guān)聯(lián)式為ρ=1/[0.08+1.16exp(-1+γ)]，為床層密度的在線測控及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了數(shù)學模型。

(6)在空氣重介質(zhì)流化床成功實現(xiàn)>6mm級粗粒煤分選的基礎(chǔ)上，為拓寬其適應(yīng)范圍，研究了適合于<6mm級細粒煤分選的流化床特性，認為要實現(xiàn)細粒煤的有效分選，一是要消除氣泡的產(chǎn)生，改善流化質(zhì)量，通過引入振動來實現(xiàn)，二是要充分降低加重質(zhì)粒度，使細粒入料能受到床層整體密度的浮力作用。在氣流及振動交互作用下形成的振動空氣重介質(zhì)流化床具有適合于細粒煤分選的特性，其優(yōu)越特性用振動波在流化床中向加重質(zhì)顆粒傳遞能量及振動具有抑制氣泡生成長大作用的觀點來解釋。在此基礎(chǔ)上研究了連續(xù)分選過程中振動流化床加重質(zhì)的流動模型，提出了以兩個并聯(lián)擴散流模型，即5-1.gif (79 bytes)ρ/5-1.gif (79 bytes)t=DX5-1.gif (79 bytes)2ρ/5-1.gif (79 bytes)X2-u5-1.gif (79 bytes)ρ/5-1.gif (79 bytes)X(式中ρ為床層密度，DX為軸向有效擴散系數(shù)，u為加重質(zhì)流動速度)來描述加重質(zhì)的流動狀態(tài)，為對振動流化床分選過程的控制提供了方法。

(7)實現(xiàn)同一流化床分選槽出三種不同質(zhì)量的產(chǎn)品，必須要在同一流化床中形成雙密度層流化床，這是前人未涉及的。為此，從研究兩種加重質(zhì)的粒度和密度級配及床體結(jié)構(gòu)著手，研究了雙密度層空氣重介質(zhì)流化床的形成機理，發(fā)現(xiàn)以磁珠(密度為3.6g/cm3)及磁鐵礦粉(密度為4.6g/cm3)兩元混合粒子作加重質(zhì)，可形成兩個均勻穩(wěn)定的上、下兩個分選帶，這兩個分選帶具有各自的密度(分別為1.52g/cm3及1.86g/cm3)，提出了兩元加重質(zhì)粒子形成雙密度層流化床的形成理論，揭示了雙密度層流化床形成過程中粒子分層、離析和混合的規(guī)律。

3　結(jié)　語

高端選煤技術(shù)概率篩分理論及流化床干法分選理論開啟了礦物加工工程學的新開端，形成了一系列高端選煤技術(shù)。并在理論成果的指導下，提出了更高端選煤技術(shù)煤炭概率深度篩分方法，產(chǎn)生量巨大社會和經(jīng)濟效益。此等選煤技術(shù)為我國偏遠地區(qū)缺水的分選加工開辟了新途徑。