倾斜通道内颗粒运动与附面层高剪切弱化粒度影响机理研究

Particle size and density play crucial roles in settling velocity. To weaken the influence of particle size and strengthen the effect of density on settling velocity is the key to improve the gravity separation and reduce the minimum separation size. A high shear rate can efficiently reduce the influence of particle size and closely spaced inclined channels can create the boundary layer of high shear rate. Studying the motion of particles and combining mechanics, boundary layer theory, measure of particles flow and statistics of actual motion trajectory of particles, a math model indicating the relationship between particle velocity, particle size and flow field conditions in inclined channels will be developed by this study. The flow field conditions in which particle size has no influence on rising velocity in closed spaced inclined channels can be proposed with the new idea of utilizing velocity difference and high shear rate. A model based on terminal settling velocity of particles and feed properties to predict the influence of structure and operating parameters on weakening size can be established. Finally, flow field conditions determined by the model can be matched to the conditions which can reduce size effect based on properties of feed and product. Therefore, the important theoretical significance and practical value of this study is to reduce the effective limit size of gravity separation by separating mineral with the design of industrial inclined plate channel structure and operating conditions.

粒度和密度是影响颗粒沉降速度的两个最主要因素，弱化粒度对沉降速度影响是提高重选效果和降低分选粒度下限的关键。附面层内的高剪切可有效降低粒度对颗粒沉降速度的影响，而窄倾斜通道为附面层内提供了高剪切的流场条件。研究基于分选用倾斜板通道内颗粒的运动规律，利用力学、边界层理论及颗粒流动测量等手段和颗粒实际运动统计形成的轨迹曲线相结合，建立倾斜通道附面层内颗粒运动速度与粒度、流场条件的数学模型，利用附面层内流体速度差异和高剪切强度弱化粒度对颗粒上升速度影响的创新思维，研究颗粒在附面层内运动规律获得粒度对上升速度影响消失的流场条件，基于此，建立基于颗粒沉降末速和入料产品决定的分选结构和操作参数预测模型，最终形成“倾斜板通道结构参数和操作参数所决定的流场条件与入料和产品决定的弱化粒度影响的流场条件的合理匹配”。研究结果对于降低重选分选粒度下限、分选用倾斜板通道结构设计和操作具有重要的理论意义和实际价值。

颗粒的沉降速度主要取决于密度和粒度，尤其在细颗粒重选中粒度对沉降末速和分选效果的影响更为明显，这就是细颗粒分选效果差的主要原因。本基金提出采用倾斜通道中流体速度分布特点和速度梯度形成的剪切提升力的新方法实现弱化颗粒粒度影响、强化颗粒密度分选。通过对单一颗粒的受力分析和运动推导，发现颗粒在倾斜通道中按照直线运动达到倾斜面，推导得到了颗粒达到倾斜通道的距离与颗粒粒度、密度、倾斜通道结构参数、倾斜通道中水速的理论模型。然后又推导得到了两种不同性质颗粒达到倾斜板的距离差与与颗粒粒度、密度、倾斜通道结构参数、倾斜通道中水速的理论模型，并在自行设计的倾斜通道理论研究系统上通过实验得到了验证，高速动态拍摄过程证实了理论推导的正确性。通过垂直管道中的自由沉降末速推导过程，得到了倾斜通道中颗粒达到受力平衡时所需要的水速，即倾斜通道自由沉降末速公式，发现倾斜通道自由沉降末速对颗粒粒度依赖程度仅为0.14，远远低于垂直管道中颗粒沉降末速对粒度的依赖程度最低为1.14,这从本质上说明了倾斜通道弱化粒度影响的正确性。通过颗粒在倾斜通道中平行于倾斜板的速度平衡和垂直倾斜板方向的提升力与重力分力的力平衡分别得到了颗粒平衡位置距离倾斜板的距离X1和X2，通过实验得到X1和X2与粒度之间的关系，根据其意义提出将他们的比值定义为分离效率。可用于评价颗粒分离的难易程度，即可选性。可查阅作者已发表在JCR一区期刊《POWER TECHNOLOGY》上的理论研究和实验研究成果。在此基础上通过2mm以下煤泥控制给料试验和连续性分选试验，结果表明：建立的平衡模型在（Re/Ret）<40的范围内，实际测定水速与模型计算水速的相对偏差在10%以内，建立的平衡模型具有很强的实用价值。在晋城某选煤厂的1.5-0.25mm的粗煤泥工业试验，将尾煤灰分由原螺旋分选机的40%提高到70%，精煤产率提高了26%，显著提高了细颗粒的分选效果。为进一步验证弱化粒度后降低重力分选粒度下限问题，在平顶山某选煤厂开展了-0.5mm的煤泥分选工业试验中，精煤灰分由原来的11.50%降低到了10.50%以下，尾煤灰分达到65%以上，分选粒度下限可达到0.1mm左右(一般的粗煤泥分选下限在0.25mm左右)。该研究具有一定的突破性进展，通过弱化粒度影响对提高细颗粒的分选效果和降低分选下限在工业生产中具有很强的经济效益和社会效益。