脉动气固流态化分选细粒煤的非线性动力学研究

Dry coal beneficiation technology is the focused topic in the international field of coal preparation. A pulsated gas-solid fluidized bed, which introduces pulsation air to an air dense medium fluidized bed, and it will reduces the lower separation limit, and provides an efficient method to reduce the ash content and sulfur content of fine coal. The relative research mainly focuses on the following aspects: the particle-gas, particle-particle interaction force and motion law multi-scale with multi-scale analysis; the transport and separation mechanism of fine particles on separation zone and segregation zone will be researched; the nonlinear dynamic model will be set up on pulsated gas-solid fluidized bed. A numerical study of the gas-solid flow in the pulsated fluidized bed is carried out by use of the combined discrete element method (EDEM) and computational fluid dynamics (Fluent) model, where the motion of discrete particles phase is obtained by DEM which applies Newton's equations of motion to every individual particle and the flow of continuum fluid by the CFD which solves the Navier-Stokes equations at a computational cell scale. Based on experimental and numerical simulation results, a segregation-separation mechanism of fine particle on pulsated fluidized bed will be developed, and it provides a high efficiency and environmental friendly separation method for fine coal preparation.

煤炭高效干法分选是世界选煤领域研究的热点问题，将脉动气流引入浓相高密度气固流化床形成脉动流态化分选，可降低分选下限，提升分选性能，为细粒煤的干法分选提供一种有效方法。课题的研究内容有：从多尺度分析不同性质颗粒间及颗粒与流体间各种受力关系和运动行为，研究细颗粒在分层区和分选区中的非线性运动规律和分离机理，建立颗粒在脉动气固流化床中的非线性动力学模型。基于有限元方法与离散元方法耦合，借助Fluent有限元软件和EDEM离散元软件数值模拟脉动气固流化床复杂流场特性及细颗粒的分离过程，通过优化模型机结构参数和操作参数，实现细粒煤的高效干法分选，提出细颗粒在脉动气固流化床中的分层-分选理论。

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。. 本项目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，通过科学实验和基础理论研究，研究了脉动流化床中密度的时空特性，揭示了床层密度对气流脉动频率的响应机制，确立了流化床分选稳定性操作区间。分析了脉动流化床中压力波动特性与气泡运动特征，揭示了脉动能量对均匀流态化的强化机制，建立了流化床中气泡生长的非线性模型。通过理论与数值模拟结合，对颗粒在脉动流化床中颗粒的受力进行了分析，研究了气泡运动对颗粒分选的影响，建立了脉动能量在流化床中的传递模型，对床层中颗粒与气泡的运动进行了仿真模拟，揭示了脉动流化床的分选机理。研究了脉动流化床分选及有害元素的迁移规律，实现了−6+3 mm 和−3+1 mm 细粒煤的高效分选，分选后精煤灰分分别为 15.03%和 16.01%，精煤产率分别为 64.70%和 73.54%，在理论和工艺两方法均取得突破性进展，为干旱缺水地区的细粒煤洁净加工利用提供一条有效的技术途径。. 项目执行以来，获得国家技术发明二等奖1项，省部级奖励4项，省部级以上荣誉称号5项，校级荣誉称号1项，共发表论文19篇，SCI收录11篇，EI收录1篇，会议论文7篇，授权中国发明专利7项，澳大利亚发明专利1项。项目负责人被聘任为中国矿业大学教授、博士研究生导师，协助培养青年教师2人，协助指导博士研究生2名，培养硕士研究生9名，已毕业研究生6名，在读研究生3名，其中1人获2014年江苏省优秀硕士学位论文。