介尺度視角下干法重介流態(tài)化分選過程強化

氣候變化是人類面臨的全球性問題，“碳達峰、碳中和”已成為世界各國的共識，未來新能源與傳統(tǒng)能源呈現(xiàn)包容式發(fā)展的趨勢，加快能源消費方式的轉變已成為現(xiàn)階段的研究重點。煤炭是我國最主要的一次能源，是保障能源供應的基礎，對我國的經(jīng)濟增長發(fā)揮著至關重要的作用，煤炭資源的清潔、高效、低碳排放利用對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義?！缎聲r代的中國能源發(fā)展》白皮書等文件中指出要推進煤炭供給側結構性改革，推動煤炭等化石能源清潔高效利用，采取有力措施持續(xù)提升能源利用效率，加快能源消費方式轉變[1-2]。選煤作為煤炭潔凈加工利用的源頭技術，有助于促進煤炭資源的合理利用，是煤炭轉化為潔凈煤燃料的關鍵環(huán)節(jié)和必要途徑[3-8]。我國2/3 以上的煤炭資源分布在西部干旱缺水地區(qū)，水資源短缺問題嚴重，難以完全依賴于濕法分選技術對上述地區(qū)的煤炭資源進行燃前分選。因此，研究高效的干法選煤技術有助于彌補現(xiàn)有濕法分選技術的不足，推動我國煤炭資源的高效潔凈利用[9-14]。

干法重介流態(tài)化分選將氣固流態(tài)化理論拓展應用于煤炭分選領域，已發(fā)展成為典型的干法分選技術之一。近年來，干法重介流態(tài)化分選已成為研究的熱點之一，Mak等[15-17]先后研究了流化氣速、床層高度、流化時間和加重質種類對流化質量的影響。Sahu等[18-22]研究了分選流化床中床層膨脹特征與操作氣速之間的關聯(lián)。Oshitani等[23-27]開展了關于入選礦物在流化床中運動行為的研究，開發(fā)了適用于測量干法重介流化床中入選礦物受力的裝置，利用入選礦物示蹤顆粒分析了操作條件對顆粒停留位置的影響。前人的研究主要集中在氣固兩相流態(tài)化的流型及與之關聯(lián)的物性和結構參數(shù)方面，對形成穩(wěn)定的氣固兩相流的分選流態(tài)化研究很少，具有多相、多尺度、多物質組分特性的分選流化床中的分選調控機制尚不清楚，制約了干法分選氣固流化床設備的穩(wěn)定可靠性及工業(yè)現(xiàn)場應用中的大型化。

氣固分選流化床是典型的氣固兩相流動系統(tǒng)，含有顆粒聚集組成的乳化相與氣體兼并形成的氣泡相，兩相間伴隨著氣體交換等現(xiàn)象，氣固兩相分布也處于動態(tài)變化過程。在氣固分選流化床中，氣泡相是典型的非均勻結構，在介觀尺度上表現(xiàn)為氣泡的形成、聚并和破碎，演變過程影響加重質顆粒的均勻混合，對煤炭顆粒按密度的離析行為產(chǎn)生擾動，導致氣固相間運動行為具有多態(tài)性和非線性的特點。因此，在介尺度視角下，開展干法重介流態(tài)化分選的研究，有助于理解分選過程中氣泡行為演變規(guī)律，分析分選過程中氣泡的形成和抑制機理，為提出介尺度結構調控方案提供理論基礎，對實現(xiàn)煤炭分選的穩(wěn)態(tài)調控具有重要意義。

干法重介流態(tài)化分選將氣固流態(tài)化理論拓展應用于煤炭分選領域，工作原理為壓縮空氣為流化氣體，采用磁鐵礦粉和煤粉作為加重質，形成密度均勻穩(wěn)定的似流化床層，密度小的精煤上浮，密度大的矸石下沉，從而實現(xiàn)煤炭的按密度分選[28-32]。干法重介流態(tài)床是典型的氣固兩相流動系統(tǒng)，屬于鼓泡流態(tài)化的研究范疇，最基本的特征是顆粒聚集的乳化相與氣體聚集的氣泡相共存，氣泡運動行為導致床層的表觀密度、壓降信號等關鍵參數(shù)在時間和空間上表現(xiàn)為非線性變化特點[33-34]。氣泡的運動行為既影響加重質顆粒的均勻分布，又干擾煤炭顆粒在流化床中按密度進行的離析行為。因此，在流化床分選煤炭顆粒過程中，削弱氣泡的擾動是改善床層流化質量重要的途徑，也是強化煤炭顆粒密度離析的關鍵。從流態(tài)化角度分析，氣泡的存在決定了氣固分選流化床是一個多尺度、非線性的瞬態(tài)系統(tǒng)，在宏觀尺度上表現(xiàn)為壓力信號和床層密度的非線性波動，在介觀尺度上表現(xiàn)為氣泡的形成、聚并和破碎，在微觀尺度上表現(xiàn)為介質顆粒運動與碰撞。因此，典型介尺度問題之一：非均勻氣泡結構的演變與微觀尺度顆粒行為、宏觀尺度兩相分布等的關聯(lián)機制，如何削弱氣泡的擾動是實現(xiàn)流態(tài)化分選過程強化的關鍵難題，如圖1所示。

在工業(yè)應用中，隨著宏觀尺度上的設備變大，床層中氣泡明顯變大，顆粒返混劇烈，床層中易出現(xiàn)溝流等不正常流化現(xiàn)象，流型的轉變導致流化床操作穩(wěn)定性變差，會惡化顆粒的分選效果，而目前的反應器放大仍然依賴于逐級放大試驗研究，忽略了流動和分選行為的雙向耦合[35]。在分選系統(tǒng)的逐步放大過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)放大過程中存在著流場行為的轉變機制，使得在單元分選系統(tǒng)的理論模型及試驗結論產(chǎn)生偏差，而氣泡結構的演變規(guī)律是研究的核心之一，也是造成流態(tài)化分選系統(tǒng)產(chǎn)生放大效應及影響分選系統(tǒng)放大過程穩(wěn)定性的關鍵因素。然而，前期的研究主要利用實驗室規(guī)模的分選設備進行試驗，缺乏對工業(yè)放大過程中氣泡演變規(guī)律的認識，制約了對工業(yè)分選系統(tǒng)密度調控的穩(wěn)定性。由于干法分選流態(tài)化放大過程中氣泡運動行為難以直接觀察，對顆粒相運動以及流場行為的影響尚不明確，影響因子不斷增加，是造成原有理論模型及試驗結論可能產(chǎn)生偏差的原因之一，具體表現(xiàn)在直接對分選系統(tǒng)進行放大，加重質顆粒宏觀返混嚴重，分選穩(wěn)定性變差，了解放大過程介尺度結構演變的關聯(lián)機制，有助于實現(xiàn)流態(tài)化連續(xù)性分選過程的高效精準調控機制。因此，在逐級放大過程的研究中，需要考慮第二個關鍵的介尺度問題：如圖2所示，放大過程中氣泡結構演變規(guī)律與分選系統(tǒng)尺度的關聯(lián)機制，是理解放大過程中流型轉變的關鍵，也是提升工業(yè)級分選系統(tǒng)煤炭分選穩(wěn)定性的核心，為放大過程的分選穩(wěn)定調控奠定理論基礎。

氣泡是單元氣固流態(tài)化分選設備中的典型介尺度結構，研究濃相流態(tài)化分選過程中氣泡的演變過程，是了解分選過程中氣固兩相作用方式的基礎，也是進一步建立多相氣固流動模型的基礎，為實現(xiàn)介尺度結構的穩(wěn)定調控提供理論基礎。近年來，研究團隊對氣固流態(tài)化分選過程中氣泡運動的行為開展了大量的研究，涉及氣泡識別、數(shù)值模擬、兩相分布理論等內容，為理解單元設備中介尺度結構的演變機理提供理論依據(jù)。

氣固干法分選流態(tài)化屬于鼓泡流態(tài)化的研究范疇，流化過程中床層為多氣泡共存的流場結構，氣泡在床層上升的過程中互相作用，且聚并、破裂行為頻繁。在氣固分選流化床中，捕捉研究單個氣泡在床層中的運動演化規(guī)律較為困難，張亞東[36]提出了干法分選流化床中氣泡識別的方案及算法，如圖3所示，基于高速動態(tài)攝像機采集二維流化床中氣泡的運動影像，利用Matlab對采集到的圖像進行二值化處理，并將處理后氣泡輪廓用光斑覆蓋以計算出氣泡的等效直徑，進而對比分析相鄰兩幀氣泡圖像的演變規(guī)律。目前，采用 Matlab 語言作為編程環(huán)境標定單個氣泡所占像素數(shù)值，充分利用計算資源，提高識別和提取合格氣泡圖像的計算效率，利用光斑計數(shù)方法計算氣泡等效面積的精度不低于88.6%，避免了氣泡生長、聚并和破裂導致獲取的氣泡運動圖像的失真。

通常情況下，氣固分選流化床中氣泡運動特性的研究結論多為二維流化床成像測試獲取，氣泡運動與床層壓降波動的實時關聯(lián)研究較少。因此，在上述氣泡捕捉的基礎上，Dong等[37-38]創(chuàng)新性地提出了將高速動態(tài)攝像技術與壓降傳感器結合對氣泡進行識別的方案，利用高速動態(tài)攝像機采集氣泡上升過程中聚并、破裂等動態(tài)演變行為的圖像，并采用壓力傳感器同步在線測量氣泡演變動態(tài)行為的響應壓降信號。利用數(shù)字圖像處理和信號分析相耦合的方法，對不同氣泡運動行為圖像及其響應壓降信號進行對比分析，準確識別和提取氣泡運動、聚并和破裂引起的壓降信號，定量研究了床層中氣泡形狀、尺寸、數(shù)量分布等特征參數(shù)的演變規(guī)律。如圖4所示，由氣泡運動引起的壓降信號可以清楚地顯示出來，a代表氣泡云頂接觸傳感器，b和c分別代表氣泡通過傳感器及氣泡的合并，d代表氣泡的破裂行為，這些氣泡的運動表現(xiàn)出不同程度的壓降信號波動，反映了壓力信號與氣泡運動行為間的響應關系，為理解介尺度結構的演變與宏觀尺度上壓力波動的關聯(lián)奠定了理論基礎。

考慮到二維流化床的寬度較窄，氣泡上升過程中會受到床層邊壁的擠壓作用，難以完全反映流化床中氣泡生長特征，段晨龍等[39-40]采用電容層析成像技術(ECT)對三維干法分選流化床中氣泡運動行為進行了相關研究，提出了利用ECT對氣泡運動行為捕捉的思路和方法，如圖5所示，開發(fā)了適用于氣泡捕捉的Landweber算法，確定了氣泡相和乳化相的邊界閾值，實現(xiàn)了三維流化床中氣泡運動行為的在線實時捕捉。進一步地，研究人員將ECT獲取的多個氣泡峰值面積進行平均化處理，獲取了床層中氣泡尺寸的信息；再通過比較兩個不同高度傳感器平面的固相平均分數(shù)含量，可以對氣泡上升速度進行測量，實現(xiàn)了對干法重介流化床中氣泡的非侵入式測試。

結合上述流化床中氣泡運動行為的識別方案，Sun等[41-42]選用磁鐵礦粉、河沙、煤粉、石英砂等顆粒組成單一或者二元加重質，開展了氣固分選流化床中氣泡運動行為的研究。研究結果如圖6所示，分析了不同介質組成的床層中氣泡的兼并行為，可以看出整體上氣泡上升過程中兼并頻率逐漸加大，氣泡數(shù)目沿著床層上升高度呈現(xiàn)減少的趨勢，尺寸較大的氣泡沿床層高度分布呈現(xiàn)增加的趨勢。相比于單一磁鐵礦粉介質，二元介質流化床中氣泡的兼并頻率相對減小，床層中氣泡的尺寸也得到了一定的抑制，例如尺寸大于10 cm的氣泡在二元加重質流化床中明顯減少，說明二元介質顆粒的選擇是降低氣泡擾動的一種有效途徑，也為采用優(yōu)化介質改善流化行為提供了理論依據(jù)。

段晨龍等[39-43]進一步研究了氣固分選流化床中氣泡生長以及上升速度的變化規(guī)律，如圖7所示，研究結果表明氣泡尺寸會隨流化氣速的增大而增大，而氣泡尺寸的增大速率會隨流化氣速的增大而降低，氣泡尺寸增大趨勢也會逐漸趨于平緩。結果表明自床層中部向上區(qū)域，氣泡尺寸基本維持穩(wěn)定，氣泡兼并、破裂行為較少。隨著氣速和床層高度的增加，氣泡運動速度和氣泡尺寸呈現(xiàn)正相關的關系。在上述研究的基礎上，提出了適用于單一加重質的氣泡尺寸預測模型：

二元加重質的氣泡尺寸預測模型：

氣泡上升速度模型：

式中，Db為氣泡尺寸；φ為單一加重質中氣泡尺寸修正系數(shù)；U為操作氣速；Umf為最小流化速度；h為氣泡位置；AD為布風板的小孔尺寸；Ub為氣泡運動速度。

模擬鼓泡流態(tài)化中氣固兩相流動是建立和驗證數(shù)值模型的常用手段，有助于更深層次理解氣固分選流化床中氣泡運動對床層密度以及加重質顆粒引起的影響。針對氣固干法分選流化床，Wang等[44-47]利用歐拉-歐拉方法模擬了加重質的流化行為，并詳細研究了關鍵子模型的選取對流動結果的影響。如圖8所示，研究結果顯示Syamlal 曳力模型可用于加重質流化行為的模擬，發(fā)現(xiàn)床層膨脹度相對較小，氣泡數(shù)量較少但分布均勻，床層中的氣泡會對顆粒的運動產(chǎn)生影響，可以看出床層中顆粒運動過程中存在兩個旋渦流，這種旋渦流產(chǎn)生的灣流效應會使得顆粒在床層中部上升，而在壁面附近聚集并不斷沿著壁面下降。

Zhang等[48-49]利用歐拉-拉格朗日的方法深入研究了流化過程中氣泡運動行為對加重質顆?；旌虾头蛛x的影響，如圖9所示。研究結果發(fā)現(xiàn)氣泡對于顆粒的分層混合影響體現(xiàn)在兩個方面，當兩種顆粒發(fā)生分層時，即小顆粒在床層上部而大顆粒在床層下部，由于下部的顆粒堆積濃度較小易形成氣泡將大顆粒夾帶至床層表面導致分層發(fā)生；當氣速較高時，床層中氣泡大且運動速度快，大顆粒和小顆粒都受到氣泡夾帶上升，從而引起顆?；旌?。此外，研究還發(fā)現(xiàn)在氣泡的頂部和下部區(qū)域氣固之間作用力以及氣流曳力較大，而在氣泡運動的兩側以及內部區(qū)域的顆粒受到的氣固之間作用力明顯變小，而乳化相中顆粒受到的碰撞力要明顯大于氣泡相中顆粒受到的碰撞力，為理解介尺度結構運動行為與微觀尺度顆粒間運動的關聯(lián)提供了理論依據(jù)。

張勇[49]在考察氣泡對介質顆粒運動影響的基礎上，利用數(shù)值模擬研究了介尺度結構對入選煤炭顆粒分選過程的影響。采用EMMS-DPM方法模擬流化環(huán)境，采用DEM方法模擬入選煤炭的分選過程。研究結果顯示，由于氣泡尾渦具有較強的夾帶能力，精煤和矸石顆?？杀粖A帶至床面或上層，氣泡運動引起的全床返混運動又會造成部分精煤顆粒下沉至床層底部。如圖10所示，氣泡與周圍的介質顆粒之間相互作用而形成環(huán)形運動，煤顆粒受到氣泡運動的誘導效應，造成煤炭顆粒受到不平衡的碰撞力，如靠近氣泡的顆粒 A 在重力方向上受到介質顆粒接觸力達到了0.421（與重力無量綱化），說明受到介質顆粒非平衡碰撞力導致氣泡尾渦對顆粒夾帶。

氣固干法重介分選流化床中介觀尺度下氣泡相的總體積與宏觀尺度上床層膨脹有直接的聯(lián)系，影響著對床層膨脹與床層密度的有效預測。付芝杰等[50-51]研究發(fā)現(xiàn)選擇的加重質為Gledart B類加重質，氣泡的兼并頻率較大，現(xiàn)有的兩相分布理論很難精準地預測氣固分選流化床的膨脹特征。因此，根據(jù)氣泡運動行為特征，開展了Gledart B類加重質流化床中兩相分布理論的基礎研究。如圖11所示，研究結果發(fā)現(xiàn)兩相理論修正參數(shù) Y 值與顆粒性質和流化條件密切相關，隨著顆粒阿基米德數(shù)的增大而減小，并隨著表觀氣速的升高而略有增大。究其原因，兩相理論修正參數(shù) Y 值表征床層內氣泡相體積流率與超過臨界流化的氣流體積流率的比值，即超出臨界流化后的上升氣流被分配進入氣泡相的比例。在上述研究的基礎上，提出了兩相理論的修正相關系數(shù)，構建了適用于分選流化床中的氣固兩相理論模型，揭示了床層中介尺度結構與宏觀尺度上床層膨脹行為的關聯(lián)機制，為后續(xù)床層的密度精準調控奠定了基礎。其中，修正參數(shù) Y 的預測模型：

干法分選流態(tài)化的兩相理論預測：

式中，Ar為顆粒的阿基米德數(shù)；Ug為操作氣速；Gb為以氣泡形式流出床層的氣體流量；A為流化床的截面積。

數(shù)值模擬是研究分選系統(tǒng)放大機制的有效途徑，為了研究放大過程中介觀尺度的關聯(lián)機制，通過數(shù)值模擬演化多相流流化系統(tǒng)，將實際過程轉移到計算機上進行，實現(xiàn)對反應器的參數(shù)優(yōu)化、尺度放大和結構調控，并逐漸發(fā)展成為虛擬過程工程（virtual process engineering）[52-53]，已成為流態(tài)化理論和工程應用的重要分支。然而，在濃相氣固分選流化床中，磁鐵礦粉粒度較細，實際系統(tǒng)中的顆粒數(shù)目以億計數(shù)，需要尋找一種高效的粗?；Ｐ蛠頊p小計算量，提高計算效率。為了解決離散顆粒軌道模型計算成本高、效率低的問題，粗?；Ｐ褪且环N有效的解決途徑，使用直徑比真實顆粒直徑大的顆粒來代替體系中小顆粒，系統(tǒng)內所需要計算的顆粒數(shù)目大量減少，從而有效降低計算量，有助于協(xié)助實現(xiàn)工業(yè)級別的分選機數(shù)值模擬。

在干法分選流化床中，利用Geldart B類磁鐵礦作為流化介質，考慮到其粒度較細，計算量巨大，張勇[49]首先比較了常見的粗?；Ｐ蛯庀鄽夤谭诌x流化床的模擬效果，與試驗采集的數(shù)據(jù)結果進行對比，驗證數(shù)值模型可靠性。如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)當粗?；嚷试酱髸r，氣泡的形態(tài)和結構越不清晰。粗粒化比率較大時，PSM 模型和 CGM模型中的氣泡形態(tài)已經(jīng)變得模糊，而對于EMMS-DPM 模型，在較高的粗?；嚷?，氣泡的形態(tài)相對較為明顯，尾渦可以辨識。盡管 EMMS-DPM模型相比于 PSM 和 CGM 模型所需計算顆粒數(shù)目更多，但是對其計算效率影響并不十分顯著。在三種模型中，EMMS-DPM 模型從效率和精度對比中較其他模型有明顯優(yōu)勢，采用 EMMS-DPM 模型對介質顆粒進行粗?；?，為進一步了解放大過程中介尺度結構的演變提供了一條有效的途徑。

針對氣固流態(tài)化分選過程中多相、多尺度、多組分的特點，在多粒徑曳力模型和粗粒化模型的基礎上，Zhang等[54]加入了權函數(shù)插值算法，建立了EMMS-DPM-DEM多尺度計算模型，用于研究放大過程中介尺度結構的演變特征。如圖13所示，在工業(yè)流化床放大過程中流化床長度增加對于精煤和矸石顆粒分離度影響不大，說明床層尺寸增加沒有引起較為明顯的尺度效應，而隨著床層的堆料高度增加，會給床層中氣泡的長大提供空間，影響床層密度的穩(wěn)定性，需要提高入料原煤粒度的上限，闡明了放大過程中介尺度結構演變與煤炭分選行為的關聯(lián)特性，為后續(xù)工業(yè)化過程的密度穩(wěn)定調控奠定了理論基礎。目前，氣固流態(tài)化分選的放大研究已取得了突破性的研究進展，但開發(fā)的粗粒化模擬仍然存在一定的瓶頸，難以真正實現(xiàn)大型工業(yè)選煤流化床的模擬。針對濃相氣固流態(tài)化分選的模擬研究，粗?；Ｐ驮诓粩鄡?yōu)化的同時，出現(xiàn)了基于連續(xù)介質假設的多流體模型，比如動態(tài)多尺度方法是利用區(qū)域間耦合并使用高效率的方法模擬整個模擬域，再使用高精度模擬方法對精細模擬的子區(qū)域進行模擬，例如在有效計算區(qū)域將連續(xù)介質法和CFD-DEM方法結合使用，也可實現(xiàn)顆粒流DEM方法和粗?；疍EM方法的雙向耦合等[55-56]。因此，在不斷優(yōu)化粗?；M模型的基礎上，探討粗?；Ｐ团c基于連續(xù)介質假設的多流體模型結合的數(shù)值模擬方法可以為未來分選過程放大模擬的研究提供借鑒。

目前，普通的空氣重介質流化床主要采用磁鐵礦粉(0.15～0.30 mm) 和煤粉顆粒(-1 mm)作為二元加重質，根據(jù)顆粒分類標準，屬于Geldart B/D類顆粒[57-58]。加重質流化時基本沒有乳化相膨脹現(xiàn)象，主要通過改變煤粉顆粒含量，調節(jié)加重質的平均密度，再通過調節(jié)操作氣速控制氣泡相比例，實現(xiàn)對流化床層密度的穩(wěn)定調控，如圖14所示。然而，由于選用的Geldart B加重質粒度較粗，床層中氣泡兼并頻率較高，在上升過程中會生長成較大的氣泡，對床層密度的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，如何在介觀尺度上抑制氣泡生長，改善顆粒流化質量成為實現(xiàn)煤炭高效分選的關鍵因素。

針對氣固流態(tài)化分選穩(wěn)定性調控的難題，從外來能量引入與優(yōu)化加重質的選擇方面開展了研究，致力于抑制氣泡生長，改善顆粒流化質量，實現(xiàn)煤炭分選的過程強化。外來能量主要可以分為振動能量與脈動能量，相關研究考察了外來能量對介尺度結構聚并與分散的影響，揭示了外來能量對煤炭分選的過程強化機制。優(yōu)化加重質的選擇則是提出了選用Geldart A類的磁鐵礦粉作為主要的加重質，Geldart C超細煤粉作為外來添加劑，將兩種顆?；旌辖M成新型的微細加重質，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Geldart B/D類二元加重質，考察介尺度結構的演變規(guī)律，實現(xiàn)從優(yōu)化加重質層面對煤炭分選效率的提升。

對于振動重介質分選流化床，氣泡均勻分散是實現(xiàn)有效分選的基礎，散式流態(tài)化床層是最理想的分選床層。如圖15所示，張亞東等[36, 59-61]研究發(fā)現(xiàn)適宜振動頻率的增加，單位時間內引入床層的振動能量逐漸增大，促進了顆粒群的松散，使得多余的氣體能夠以微氣泡的形式更均勻地通過床層，氣泡平均尺寸范圍降低為1.12～2.45 cm之間，實現(xiàn)了對床層中氣泡的兼并，削弱了氣泡的影響，加強了床層密度的均勻穩(wěn)定分布。Dong等[62-67]進一步研究了外加脈動能量激勵下氣泡運動行為，研究發(fā)現(xiàn)脈動氣流的引入可以有效減小氣泡的尺寸，并提出了氣泡-顆粒間相互作用的多自由度振動系統(tǒng)，如圖16所示，將流化床層進行分層，各層看作剛體，各層之間受到氣泡的彈性作用，當各層的厚度離散越小時，層數(shù)越多，越能反演床層的涌動。建立了脈動流化床多自由度線性振動系統(tǒng)的實際響應模型，揭示了脈動氣流強化提高顆粒流化質量的機理。

相比于粒度較粗的Geldart B/ D類顆粒，Geldart A類顆粒的粒度或密度較小，顆粒懸浮所需要的氣流速度較低，床層中乳化相的分布比例較高，有助于提高床層密度調控的穩(wěn)定性。然而，單一的 Geldart A 類細粒磁鐵礦粉作為加重質時，床層密度的穩(wěn)定調節(jié)范圍較窄(1.90~2.10 g/cm3)，難以適用于細粒煤分選密度調控范圍的全部要求(1.30~2.10 g/cm3)。Geldart C類超細顆粒的引入，可以有效提高Geldart A類細粒顆粒的流化質量，促進顆粒的乳化相散式膨脹，抑制氣泡的生長，優(yōu)化床層中乳化相與氣泡相的分配比例[68-69]。因此，周晨陽[29]提出了選用Geldart A類的磁鐵礦粉與Geldart C超細煤粉混合組成新型的微細加重質，實現(xiàn)氣固流化床對細粒煤的分選過程強化，如圖17所示。研究結果表明,氣泡在微細加重質流化床中的兼并頻率較低，上升過程中的尺寸變化較小，氣泡尺寸較為穩(wěn)定，明顯小于Geldart B類加重質的流化床中，提高了床層的乳化相和總體膨脹，提高了床層密度的穩(wěn)定調控范圍，實現(xiàn)了氣固流化床對煤炭分選的過程強化。

如圖18所示，床層的平均密度一方面受加重質顆粒性質的影響，另一方面受乳化相和氣泡相的比例控制。實際分選過程中，由于原煤密度組成存在差異，需要改變介質組成以及調節(jié)兩相的分配比例，實現(xiàn)床層密度的穩(wěn)定調控，以保證煤炭的高效分選。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，中國礦業(yè)大學研究團隊[70-74]調整操作氣速、床層高度、介質配比等因素實現(xiàn)了工業(yè)分選過程的密度穩(wěn)定調控，結合氣固流化床中氣泡運動規(guī)律、兩相分布理論和煤炭干法分選試驗，建立了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的分選密度調控模型[39]：

式中，ρbed為氣固流化床的床層密度；ρdrag為由床內上升氣流對分選礦物曳力作用產(chǎn)生的密度。

如圖19所示，研究團隊又相繼開發(fā)了新型裝配式耐磨抗堵布風結構，提高了床層布風的均勻性，解決了布風裝置易堵塞帶來的氣泡兼并等難題；研制了加重質內循環(huán)裝置，可以使分選機外介質循環(huán)量減少80%以上，提高了床層流化的穩(wěn)定性，減輕了系統(tǒng)負荷。我國流態(tài)化干法選煤研究先后歷經(jīng)了實驗室基礎試驗、半工業(yè)分選試驗、工業(yè)性試點試驗和工業(yè)化分選應用四個階段，已成功將流態(tài)化干法分選技術應用于煤炭分選加工工業(yè)[70]。目前，分選系統(tǒng)已在新疆寬溝煤礦建造完成了模塊式干法選煤廠，系統(tǒng)處理能力為50 t/h，可以有效分選6~100 mm 塊狀原煤煤炭，生產(chǎn)灰分低于3.5%的超低灰精煤，作為活性炭制造原料，分選數(shù)量效率為90%，可能偏差為0.05~0.08 g/cm3，噸煤加工介質損耗小于0.5 kg，實現(xiàn)了流態(tài)化干法選煤的工業(yè)化應用。

氣固流態(tài)化干法分選技術作為潔凈煤技術的重要組成部分，為我國干旱缺水地區(qū)煤炭的清潔利用提供了一條切實可行的途徑。理解介尺度結構的形成與演變是實現(xiàn)流態(tài)化分選過程強化的基礎，本文從介尺度視角梳理了單元分選設備和系統(tǒng)放大過程中兩個層次的關鍵問題。針對單元設備層次的介尺度結構，相繼開發(fā)了氣泡識別的測試技術以及識別算法，利用數(shù)值模擬和試驗研究結合的方式獲取了氣泡結構的演變規(guī)律，建立了可用于預測氣泡運動行為的數(shù)值模型，實現(xiàn)了對介尺度結構演變過程的闡釋。針對工業(yè)系統(tǒng)放大過程中介尺度結構的演變機制，提出了適用于干法分選流態(tài)化的粗?；M方案，并加入了權函數(shù)插值算法，建立了EMMS-DPM-DEM多尺度計算模型，實現(xiàn)了工業(yè)分選流化床的數(shù)值模擬，揭示了分選機尺寸放大和床層高度放大對介尺度結構演變的影響，為研究分選系統(tǒng)的放大機制提供了有效途徑。針對介尺度結構的調控，從引入外來能量與優(yōu)化加重質的選擇方面開展了研究，考察了振動與脈動能量對介尺度結構聚并與破裂的影響，分析了Geldart A類的磁鐵礦粉與Geldart C超細煤粉組成的微細加重質對介尺度結構的改善特性，實現(xiàn)了介尺度結構的有效調控。在上述研究的基礎上，建立了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的分選密度調控模型，改善了工業(yè)分選裝置相結合的方式，削弱了工業(yè)分選過程中氣泡兼并帶來的不利影響，提升了分選系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了6~100 mm 塊狀原煤煤炭的有效分選，對解決我國干旱缺水地區(qū)煤炭提質具有重要的意義。