低阶粉煤变径脉动气流分选动力学机理研究.pdf

第51卷第2 期2023年4月文章编号：10 0 1-357 1（2 0 2 3）0 2-0 0 0 9-0 5低阶粉煤变径脉动气流分选动力学机理研究李大虎，汪录，韦鲁滨，屈启龙，王建忠（1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古包头0 140 10；2.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京10 0 0 8 3）摘要：针对传统湿法选煤方法存在的煤泥水处理困难、产品水分过高等问题，采用变径脉动气流分选装置对低阶粉煤进行了干法分选，并运用流体动力学、数值分析等方法研究了变径脉动气流分选过程的动力学机理。研究表明：与恒定流相比，脉动气流可加速颗粒运动过程，且颗粒越轻，脉动气流的周期性累积振荡加速效应越明显；采用变径脉动气流分选装置对6 0 mm粒级低阶粉煤进行分选，可使粉煤灰分降低2.55 3.2 8 个百分点，分选数量效率最高可达9 1.0 2%。变径结构的减速效应可提高颗粒按密度分离的效果，进而提高分选精度。关键词：干法分选；低阶粉煤；变径脉动气流分选；流体动力学；数值分析；数量效率中图分类号：TD942A study of the dynamic mechanism in low-rank coal separationwith varying-diameter pulsed airflow separatorLI Dahu,WANG Lu,WEI Lubin,QU Qilong,WANG Jianzhong(1.School of Mining and Coal,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.School ofChemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:To tackle the problems encountered in the case of using traditional wet cleaning method,such asdifficulty in treatment of coal slurry water and excessively high moisture of products,the varying-diameterpulsed airflow separator independently developed is used for dry separation of low-rank coal,and the dy-namic mechanism of the separating process is studied with hydrodynamic and numerical analysis methods.As revealed by study results,compared with the constant airflow,the pulsed airflow can accelerate themovement of particles,and the lighter the particle,a more pronounced periodic cumulative oscillation ac-celeration effect of the pulsed air flow becomes;with the use of the separator for treating the 6 O mm low-rank coal,the ash of the cleaned product can be reduced by 2.55 3.28 percentage points with an organicefficiency being up to 91.02%.It is demonstrated that the deceleration effect produced by the varying-di-ameter structure can lead to much better separation of low-rank coal according to density and hence im-proved separation accuracy.Keywords:dry separator;fine low-rank coal;varying-diameter pulsed airflow separation;hydrodynam-ics;numerical analysis;organic efficiency我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，2 0 2 1年我国原煤产量达41亿t，约占世界煤炭总产量的收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 33责任编辑：李志斌基金项目：国家自然科学基金项目（519 0 416 0）作者简介：李大虎（19 8 9 一），男，山西大同人，讲师，博士，从事矿物加工理论、工艺和设备方面的研究。Em a il：lid a h u 6 49 ,Tel:[phone]。引用格式：李大虎，汪录，韦鲁滨，等，低阶粉煤变径脉动气流分选动力学机理研究J】，选煤技术，2 0 2 3，51（2）：9-13.LI Dahu,WANG Lu,WEI Lubin,et al.A study of the dynamic mechanism in low-rank coal separation with varying-diameter pulsed airflowseparator J：C o a l Pr e p a r a t i o n T e c h n o lo g y,2 0 2 3,51(2):9-13.9选煤技术COALPREPARATIONTECHNOLOGY文献标志码：A50%。然而，我国煤炭资源分布极不均衡，2/3以上分布在西部、北部等干旱地区，尤其是新疆、内D0l:10.16447/ki.cpt.2023.02.002Vol.51No.2Apr.2023第51卷第2 期蒙古等主要产煤区以褐煤、次烟煤等低阶煤为主，现行的水洗方法在分选低阶煤时，面临煤泥水处理困难、产品水分高等诸多难题。随着近年来我国煤炭工业西进战略的逐步推进，开展适用于西部、北部干旱地区煤炭分选的干法分选技术势在必行。文章针对 6 mm粒级低阶粉煤干法分选过程，采用自主研发的变径脉动气流分选装置，运用流体动力学、数值分析等方法，研究了低阶粉煤在变径脉动气流分选机中分选的动力学机理，以期为该方法的推广应用奠定一定的理论基础。1变径脉动气流分选装置变径脉动气流分选装置示意图如图1所示。该分选装置包含供风系统、分选系统、排料系统和除尘系统。（1）供风系统。鼓风机鼓人的气流经过风包稳压后进入恒定风管路和脉动风管路，两个管路给人分选柱的风量大小通过各自阀门控制，而后经布风器均匀进入分选柱内部。入料一口8飞飞6重产物1一鼓风机；2 一风包；3一恒定风管路流量计；4一恒定风管路阀门；5一脉动风管路流量计；6 一脉动风管路阀门；7 一布风器；8 一分选柱；9 一旋风除尘器；10 一布袋除尘器图1变径脉动气流分选装置示意图Fig.1 Sketch of the varying-diameter pulsed airflow separatorTdpPduP6dt式中:ug为气流速度,m/s;g为重力加速度,m/s;d为颗粒直径,m;p，为颗粒密度,kg/m;pg为空气密度,kg/m;Cp为阻力系数,无量纲。定义。=为颗粒与流体的相对密度,=Pg3为加速度传递系数,则式（2）可简化为：28+1=（$-1)g+中dt2d由式（3）可知，颗粒运动情况主要取决于参数10选煤技术（2）分选系统。分选柱从下到上依次为直筒柱、变径柱、缩径柱以及给料口。其中，物料由给料口给人后，在变径柱区域完成主要分选任务。重产物自直筒柱向下排出，轻产物由缩径柱向上进入除尘收集装置。（3）排料系统。通过控制重产物排料口和轻产物排料口的阀门将产品排出。（4）除尘系统。携带轻产物的气体经过旋风除尘器后，轻产物由排料口排出，含尘气体经过布袋除尘器净化后排人大气。2低阶粉煤变径脉动气流分选动力学机理2.1粉煤颗粒在变径脉动气流场中的动力学分析低阶粉煤颗粒在变径脉动气流分选机中的分选过程，可看作一种稀相气固两相流动过程。若只考虑分选柱内竖直方向上的受力和运动轨迹，则低阶粉煤颗粒在脉动气流场中运动时，会受到重力（G）、浮力（F,）、气流电力（F.）、附加质量力（F）、压力梯度力（F，）、Sa f f ma n 升力（F）以及Basset力（F,）等几种力的同时作用。有研究表明，对于粉煤颗粒这种粒9度较粗、密度较大的颗粒在流主流中运动情况，F。和F，可以忽略不计。轻产物因此，根据牛顿第二定律，可建立以下颗粒运动方程：d=ZF.10mpdt式中：m，为颗粒质量,kg;u，为颗粒速度,m/s;t为时间,s;ZF为颗粒所受合力,N。将除F。和F，以外的其他5种力按照各自具体表达形式代人式（1），可建立低阶粉煤颗粒在变径脉动气流分选机中运动的动力学微分方程：TdPeTdpg+Cp66一+dt2023年4月2 5日(1)1ndpP兰dupPdu42duUgdt和。式（3）等式右边第一项表示颗粒所受有效重力（重力与浮力的合力）加速度；第二项表示流体电力对颗粒产生的加速度；第三项表示气流加速度对颗粒的加速效应。同时,加速度传递系数表征了重力加速度、气流电力加速度及气流加速度作用传递到颗粒上的传递效率，且该值仅与颗粒密度有du关。显然,颗粒密度越小，8 越小，越大，颗粒加速或（3）减速越容易；颗粒密度越大，8 越大，越小，颗粒加速或减速越困难。由此可见，颗粒间密度差异越大，du26dt(2）dt6dt第51卷第2 期加速和减速效应的差异就越大，即在脉动气流中越容易分离。2.2脉动气流强化低阶粉煤分选的动力学机理为进一步详细说明脉动气流强化低阶粉煤颗粒按密度分离的动力学机理，需针对式（3）动力学微分方程，采用数值计算方法定量分析不同性质的低阶粉煤颗粒在脉动气流场中的运动情况。该动力b,=0.096 4+0.556 5b,=exp(4.905 0-13.894 4g+18.422 2g-10.259 9g)b4=exp(1.468 1+12.258 4p-20.732 2g+15.885 5g)因此，修正后的非球形颗粒在脉动气流场中运动的动力学微分方程可表示为：do=(-1)g+dt针对式（6）,采用四阶Runge-Kutta方法进行数值求解，动力学微分方程求解流程框图如图2 所示。待求微分方程、自变量范围、初值和取点数立确定步长文Yn=取点数?结束N求解ki、k 2、k s、k i a立求解并输出p(a)图2 动力学微分方程求解流程框图Fig.2Flowchart of solution of dynamic differential equation图2 中各变量见式（7）和式（8）：hUp(n+1)=Up(n)+(k+2kz+3k,+ka)，（7)6ki=f(t(n),up(n)h.=八（n)+h-h,v2p(n)k,=f(t(n)1)+-h,p(n)2ka=f(t(n)+h,up(n)+hhg)式中：ki、k z、k s、k 4为计算中间变量;h为计算步长;n为取点数。通过图2 微分方程求解算法，采用梯形积分方法对时间t积分，即可同时获得时间（t）、速度（）、位移（s）三个参数。近似认为脉动气流进人分选柱李大虎等：低阶粉煤变径脉动气流分选动力学机理研究Re式中，参数b1、b 2、b，和b4可按经验公式（5）计算。b,=exp(2.328 8-6.458 1+2.448 6g)(5)b,Re,24+b,Rep2)+.2.dRe时的初始速度。符合正弦周期形式：Ug=g+v.sin(2mft),式中：ug为初始气速，m/s;ug为初始气速均值,m/s;Uo为脉冲气速振幅,m/s;t为时间,s;f为脉动频率，s。低阶粉煤变径脉动气流分选过程中，颗粒密度和粒度是影响其运动轨迹的最主要因素。由于粉煤颗粒密度和粒度组成复杂，为简化分析过程，选取以下两种典型情况分别讨论：（1）相同性质粉煤颗粒分别在恒定气流和脉动气流中运动情况对比。颗粒粒度为3mm、密度为1.2 g/cm，颗粒值以0.8 计算，分别计算颗粒在脉动气流场和恒定气流场中运动时的速度差和位移差，颗粒在脉动气流场和恒定气流场中运动的速度差和位移差如图3所示。（2）不同性质粉煤颗粒在脉动气流场中运动情况对比。粉煤颗粒1粒度为5mm，密度为1.8g/cm；粉煤颗粒2 粒度为5mm，密度为-hki1.9g/cm，两颗粒值均以0.8 计算。分别计算颗粒2(8)1-hk222023年4月2 5日学微分方程求解的关键在于阻力系数C的确定，而阻力系数C与球形系数有关。考虑形状系数影响后的阻力系数Cpo可按下式近似得到：CDOb4+Re1和颗粒2 在脉动气流场中运动时的速度差和位移差。速度差和位移差随时间变化的曲线如图4所示。由图3可知，颗粒在脉动气流场和恒定气流场中运动时，两种情况下的速度差仅与脉动气流脉动特性有关；两种情况下的位移差逐渐增大，即粉煤颗粒跟随脉动气流作周期性振荡，可加速颗粒的运动过程。b,Re,24Reb2)dudtb4+Rep(4)(6)(9)11第51卷第2 期(.5.m)/2选煤技术4873652023年4月2 5日3212Fig.3Velocity and displacement differences of a particle in constant and pulsed airflow fields0.40.2(Sm)/率0.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.00由图4可知，脉动气流场中，随着气流的周期性累积振荡，轻颗粒相同时间内位移距离比重颗粒更大，更易从排料口排出，即颗粒越轻，脉动气流的周期性累积振荡加速效应越明显。综上可知，受脉动气流的周期性累积振荡作用影响，粉煤颗粒在脉动气流中比在恒定气流中更易于相互分离。2.3变径作用强化粉煤颗粒按密度分离的作用机理低阶粉煤颗粒在变径脉动气流场中运动时，当气流从下至上经过变径段时，气速会急剧降低。尤其是气流经过变径段直径最大处时，气速降至最低。此时，由于变径段附近气速低，颗粒从人料口进入分选机后，轻、细组分随气流快速排出，而重、粗组分则快速沉降，中间组分则在脉动气流的周期性振荡作用下，进一步区分为不同的产品，从而提高分选精度。不同密度级颗粒分离示意图如图5所示。31低阶粉煤变径脉动气流分选应用3.1低阶粉煤试样性质采用图1所示低阶粉煤变径脉动气流分选试验装置，对新疆一选煤厂 6 mm粒级褐煤进行分选。该粉煤粒度组成见表1，可选性曲线如图6 所示。12一23时间/s（a）速度差随时间变化规律图3颗粒在脉动气流场和恒定气流场中运动的速度差和位移差12时间/s（a）速度差随时间变化规律图4速度差和位移差随时间变化的曲线Fig.4Time-varying velocity and displacement curve中间组分To重、粗组分图5不同密度级颗粒分离示意图Fig.5Sketch showing the separation processesof particles with different densities表1粉煤粒度组成Table 1 Size composition of the 6 mm lignite筛下累计粒级/mm产率6336.873128.871034.26合计100.00由表1可知，随着粒度减小，该粉煤各粒级灰分逐渐减小。由图6 可知，当分选密度为1.8g/cm，8 0.1含量约为10%，该粉煤可选性等级为易选到中等可选；此时，研石产率为15%左右，研石灰分为7 0%以上，若通过气流分选将此部分高灰研石排出，精煤灰分将显著降低。因76834001.21.00.80.60.40.20.0L501（b）位移差随时间变化规律12时间/s（b）位移差随时间变化规律轻、细组分灰分22.70100.0020.7263.1319.8834.2621.162345678时间/s345入料产率21.1620.2619.88%灰分第51卷第2 期此，变径脉动气流分选方法对该低阶粉煤脱灰提质具备一定的适用性。密度/(gcm)2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.20102030%/率款607080901000102030405060708090100灰分/%图6 低阶粉煤可选性曲线Fig.6Washability curve of low-rank coal3.2低阶粉煤气流分选效果在主风量为2 6 0，2 7 0 m/h、给料量为6 5，200kg/h的条件下，分别对该低阶粉煤进行变径脉动气流分选，结果见表2。表2 低阶粉煤脱灰效果Table 2Results of ash reduction of low-rank coalobtained with the sue of the separator主风量/给料量/(m3.h-)(kg h-)产率灰分产率灰分效率2606526020027065270200由表2 可知，与原煤灰分（2 1.16%）相比，采用变径脉动气流分选方法可降低灰分2.553.28个百分点，且分选数量效率最高可达91.02%。4结语（1）与恒定气流场相比，脉动气流场可加速颗粒的运动过程，且颗粒越轻，脉动气流的周期性累积振荡加速效应越明显。因此，受脉动气流的周期性累积振荡作用影响，粉煤颗粒在脉动气流中比李大虎等：低阶粉煤变径脉动气流分选动力学机理研究1009080+一基元灰分曲线一沉物累计曲线一8 0.1含量曲线一浮物累计曲线?一密度曲线精煤84.6317.8815.3739.22 85.1386.2918.0613.7140.6887.4988.7018.3511.30 43.2190.0190.7618.612023年4月2 5日在恒定气流中更易于相互分离。（2）变径脉动气流分选机中变径段的引人，可促进轻、细组分随气流快速排出，重、粗组分快速沉降，中间组分则在脉动气流的周期性振荡作用下进一步相互分离，从而提高颗粒按密度分离的趋势、提高分选精度。70%/率味6050403020100尾煤9.2446.27 91.02（3）采用变径脉动气流分选装置对6 0 mm低阶粉煤进行分选，可降低灰分2.55 3.2 8 个百分点，且分选数量效率最高可达9 1.0 2%。参考文献：1霍超，杜金龙，齐宽，等内蒙古煤炭资源分布特征及勘查开发布局研究【J中国矿业，2021,30(6):33-36,119.2张莉，张建强，宁树正，等中国与全球煤炭行业形势对比分析J：中国煤炭地质，2 0 2 1，33(S1):17-21,43.3武强，涂坤，曾一凡，等打造我国主体能源（煤炭）升级版面临的主要问题与对策探讨J：煤炭学报，2 0 19，44（6：16 2 5-16 36.4MOHANTA S,CHAKRABORTY S,MEIKAP B C.Op-timization process of an air dense medium fluidized bed%separator for treating high-ash non-coking Indian coal数量J:Mineral Processing and Extractive Metallurgy Re-view,2013,34（4):2 40-2 48.5HE Jingfeng,HE Yaqun,ZHAO Yuemin,etc.Numeri-cal simulation of the pulsing air separation field based onCFD J.International Journal of Mining Science andTechnology,2012,22（2):2 0 1-2 0 7.6韦鲁滨，李大虎，陈赞歌，等颗粒在脉动气流场中受力分选的数值模拟【J中国矿业大学学报，2017,46(1):1-8.7黄社华，李炜，程良骏任意流场中稀疏颗粒运动方程及其性质J】：应用数学和力学，2 0 0 0，2 1(3):265-276.8刘利斌，王伟：四阶RungeK u t t a 算法的优化分析J成都大学学报（自然科学版），2 0 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