1前　言

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占75%，而在煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，用于燃燒的動(dòng)力煤占80%以上，而且這種狀況在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。然而至1997年底我國(guó)原煤的入選比例只有25.73%，這就造成了燃煤引起的嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。因此必須加快發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，保護(hù)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(guó)煤炭可采儲(chǔ)量的2/3以上分布在嚴(yán)重干旱缺水的西部地區(qū)，無(wú)法采用現(xiàn)行耗水量大的濕法分選方法，嚴(yán)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(guó)是當(dāng)務(wù)之急，而且由于缺水是全球性的，所以也具有國(guó)際意義。

重力分選的基礎(chǔ)原理是入選物料在重力場(chǎng)或離心力場(chǎng)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(jí)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?？諝庵亟橘|(zhì)流化床干法分選研究正是基于這一理論依據(jù)進(jìn)行的。

加拿大J.M.Beeckmans、蘇聯(lián)J.Laskovski、美國(guó)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(xué)反應(yīng)器物料置換原理，沒有涉及加重質(zhì)粒度級(jí)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(fēng)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(guò)程中流化床密度的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，至今仍處于實(shí)驗(yàn)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(dá)到有效分選。

但普通空氣重介質(zhì)流化床不能實(shí)現(xiàn)全粒級(jí)煤炭的有效分選，因?yàn)槿脒x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(dǎo)粒度，使得流化床能以整體密度作用于入選物料。空氣重介質(zhì)流化床的分選粒度下限為6mm，對(duì)<6mm細(xì)粒煤無(wú)法進(jìn)行有效分選。因此，我們不僅要研究適合不同粒級(jí)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(xì)粒煤炭的干法深度篩分這一世界性難題，因?yàn)殡S著采煤機(jī)械化水平的不斷提高，原煤中的潮濕細(xì)粒煤含量逐年增加。

因此實(shí)現(xiàn)煤炭的干法深度篩分(Φ6mm)，不僅可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)動(dòng)力粉煤等不同粒級(jí)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(xì)粒煤炭的干法深度篩分是當(dāng)今世界篩分技術(shù)的難點(diǎn)。當(dāng)對(duì)潮濕煤炭進(jìn)行干法篩分(篩分粒度等于篩孔尺寸)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)煤泥堵塞篩孔的現(xiàn)象，導(dǎo)致限下率高，篩分效率低，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法篩分，國(guó)內(nèi)外均未解決該問(wèn)題。對(duì)此，本項(xiàng)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(xì)粒煤炭干法篩分問(wèn)題。

(1)提出了采用大篩孔(相對(duì)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(zhǎng)度提高篩分精度的觀點(diǎn)，提出了煤炭概率篩分的方法，為潮濕細(xì)粒煤炭的干法篩分提供了一條有效途徑。

(2)為揭示篩分過(guò)程中煤泥堵孔的機(jī)理，通過(guò)對(duì)篩分過(guò)程中潮濕細(xì)粒煤的透篩行為的試驗(yàn)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(xì)粒級(jí)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?jǐn)?shù)學(xué)模型。為成功解釋潮濕細(xì)粒煤在概率篩分時(shí)不易堵孔的特性提供了理論基礎(chǔ)。

(3)以物料的篩分試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了粒群在篩面上的運(yùn)行規(guī)律，提出了粒群沿篩面長(zhǎng)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(zhǎng)度)。將粒群在篩面上的透篩過(guò)程分解為觸網(wǎng)和透篩兩個(gè)部分，提出了觸網(wǎng)概率的概念，解決了粒群的透篩概率計(jì)算，創(chuàng)立了粒群透篩概率理論，突破了中外學(xué)者提出的單顆粒透篩概率理論，揭示了物料篩分過(guò)程的實(shí)質(zhì)。

(4)針對(duì)不同性質(zhì)的入篩原煤，進(jìn)行了煤用概率分級(jí)篩的工藝、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究，通過(guò)建立被篩物料性質(zhì)、操作參數(shù)、篩分效果間的篩分?jǐn)?shù)學(xué)模型，進(jìn)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(xì)粒含量)作為近似篩分效果的評(píng)定方法，并導(dǎo)出了分離粒度與可能偏差的計(jì)算公式。

(5)提出了琴弦概率篩的力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)分析，建立了琴弦概率篩的設(shè)計(jì)理論，使琴弦篩絲在共振狀態(tài)下工作，篩分機(jī)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(shí)動(dòng)力消耗小，篩分機(jī)工作壽命長(zhǎng)。

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(yán)重;而適合于煤炭分選的流化床要求以密度大、粒級(jí)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(jìn)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(shí)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(fēng)問(wèn)題，通過(guò)細(xì)致的理論分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(fēng)、在低流化數(shù)氣速下操作的布風(fēng)理論，在此理論指導(dǎo)下研制的氣體分布器達(dá)到了開孔率大、布風(fēng)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(shí)現(xiàn)濃相高密度流化床對(duì)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(shí)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(guò)低而引起的加重質(zhì)的分層分級(jí)趨勢(shì)，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(dǎo)粒級(jí)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(diǎn)，有效地抑制了加重質(zhì)的返混及分級(jí)趨勢(shì)，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(jī)理，認(rèn)為入料所受凈浮力是決定其分層的主導(dǎo)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(cuò)配效應(yīng)的分選理論，將錯(cuò)配效應(yīng)分成粘性和運(yùn)動(dòng)兩個(gè)錯(cuò)配效應(yīng)的見解。粘性錯(cuò)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(yùn)動(dòng)錯(cuò)配效應(yīng)在氣速過(guò)低或過(guò)高時(shí)都較大，因此入料的分選受上述兩種錯(cuò)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(jí)配，氣速控制適宜，兩種錯(cuò)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(cuò)配效應(yīng)則越小，分選機(jī)的操作參數(shù)應(yīng)參照細(xì)粒分選物料進(jìn)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(dá)0.05～0.07。

(4)在連續(xù)分選過(guò)程中，原生及次生煤粉將不斷產(chǎn)生，對(duì)此，著重研究了不同粒級(jí)煤炭在流化床中的分布規(guī)律，提出不同粒級(jí)煤炭在流化床中的三級(jí)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(jí)粉煤在流化床中的分布規(guī)律，該理論的核心就是通過(guò)對(duì)不同粒級(jí)煤粉與加重質(zhì)主要特性參數(shù)的對(duì)比計(jì)算，確定不同粒級(jí)粉煤的分布規(guī)律，即粉煤在流化床中按三個(gè)粒級(jí)分布，第一粒級(jí)為細(xì)粒，分布在上層，第二粒級(jí)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(jí)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(guò)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(dòng)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(cè)控及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了數(shù)學(xué)模型。

(6)在空氣重介質(zhì)流化床成功實(shí)現(xiàn)>6mm級(jí)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(jí)細(xì)粒煤分選的流化床特性，認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)細(xì)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(guò)引入振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，二是要充分降低加重質(zhì)粒度，使細(xì)粒入料能受到床層整體密度的浮力作用。在氣流及振動(dòng)交互作用下形成的振動(dòng)空氣重介質(zhì)流化床具有適合于細(xì)粒煤分選的特性，其優(yōu)越特性用振動(dòng)波在流化床中向加重質(zhì)顆粒傳遞能量及振動(dòng)具有抑制氣泡生成長(zhǎng)大作用的觀點(diǎn)來(lái)解釋。在此基礎(chǔ)上研究了連續(xù)分選過(guò)程中振動(dòng)流化床加重質(zhì)的流動(dòng)模型，提出了以兩個(gè)并聯(lián)擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)，u為加重質(zhì)流動(dòng)速度)來(lái)描述加重質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，為對(duì)振動(dòng)流化床分選過(guò)程的控制提供了方法。

(7)實(shí)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?jī)煞N加重質(zhì)的粒度和密度級(jí)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(jī)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(gè)均勻穩(wěn)定的上、下兩個(gè)分選帶，這兩個(gè)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(guò)程中粒子分層、離析和混合的規(guī)律。

3　結(jié)　語(yǔ)

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(xué)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(dǎo)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。此等選煤技術(shù)為我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)缺水的分選加工開辟了新途徑。