一种新型的螺旋输送机制，可实现离心流化分离过程中的连续排放，适用于煤炭清洗领域

《Fuel》：A novel helical transport mechanism enabling continuous discharge in centrifugal fluidization separation for coal cleaning

　　

摘要

煤炭提质是煤炭清洗的基础技术，然而高效分离0.25–1.00毫米范围的粗煤泥仍然是一个主要挑战。尽管离心流化选矿机在细颗粒分离方面表现出色，但其半连续操作方式限制了它们只能回收微量致密矿物，从而限制了其在煤炭清洗中的应用。在本研究中，提出了一种新的螺旋输送机制，以实现离心流化中的连续排放，并设计了一种带有螺旋槽结构的分离碗。通过计算流体动力学研究了流场特性，同时通过理论分析和实验揭示了颗粒传输和分离机制。结果显示，螺旋结构根据旋转方向的不同会产生不同的流场特性。在逆旋转情况下，螺旋结构会搅动流体，降低其速度并填充大部分分离碗，从而产生相对均匀的速度分布。相反，在同旋转情况下，螺旋结构引导流体沿槽向上流动，将其限制在通道内，并在速度场中产生明显的层间剪切结构。颗粒传输行为主要受螺旋槽的径向倾斜角（θ）和流化水注入角（β）的控制。在目前的实验系统中，当θ ≥ 3.11°和β ≥ 60°时，实现了连续排放。与逆旋转相比，同旋转条件下的粗煤泥分离性能更优。逆旋转下的搅动效应部分破坏了分层结构，阻碍了有效分离。相比之下，同旋转下能实现稳定的基于密度的分层，Ep值为0.12 g/cm3。本研究提出了一种在离心流化分离中实现连续排放的新方法，并为粗煤泥分离提供了一种新的途径。

引言

煤炭是全球最大的能源来源，用于发电和钢铁生产[1]。随着能源需求的增加和环境法规的日益严格，高效利用煤炭变得比以往任何时候都更加重要。煤炭提质通过在煤炭利用过程中去除灰分和含硫化物矿物来实现污染控制，这是实现清洁高效利用煤炭的最经济和最有效的方法之一[2]、[3]、[4]。煤炭的天然易碎性和完全机械化的采矿技术导致原煤中细颗粒的比例增加[5]、[6]、[7]。因此，0.25–1.00毫米粒径范围内的粗煤泥含量相对较高，这个范围介于重力分离和浮选的有效分离范围之间[8]、[9]。由于细颗粒的沉降速度较低，分离粗煤泥非常困难。尽管已经使用了各种类型的设备，包括螺旋分离器、摇床分离器、仅用水的旋风分离器和重介质旋风分离器来处理粗煤泥，但在煤炭提质领域实现高效分离仍然是一个主要挑战[10]、[11]、[12]、[13]。

离心力是分离细颗粒的有效方法。在离心场中，细颗粒的沉降速度较高，不同密度颗粒之间的终端速度差异被放大[14]。早期的单壁离心选矿机面临分离床过早堵塞的问题，导致有价值的致密矿物严重损失。向离心场中引入流化水可以改善分离床的松散度，从而提高分离性能[15]、[16]。SC（半连续）Knelson选矿机和Falcon SB（半批处理）选矿机是两种典型的离心流化装置，具有高分离性能，在全球范围内得到广泛应用[17]、[18]。然而，离心流化选矿机在半连续条件下运行。如图1所示，在分离过程中，轻颗粒从分离锥体排出，而致密颗粒逐渐在浓缩环中积累。每次分离循环后必须定期停止机器以清除浓缩物。它只适用于回收原始矿石中占比非常低的致密矿物，通常是每吨几克，如金、钽、铌和锡[19]、[20]、[21]、[22]。在粗煤泥中，矸石是致密组分，而煤炭是轻组分，矸石的比例通常超过20%。因此，半连续排放不适合实际的煤炭清洗应用。

在实验室的批量排放条件下，离心流化技术在细煤清洗、从煤气化渣中富集碳、从飞灰中去除未燃烧的碳以及从废弃锂离子电池中回收电极材料方面展示了有希望的性能[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。开发连续排放技术是其未来发展的主要方向，也是实现高密度产品产量材料分离的工业应用的唯一途径。许多研究已经探讨了分离机制和操作参数的影响，包括碗的速度、流化水压力、固体进料率和进料密度[29]、[30]、[31]、[32]、[33]，而相对较少的研究关注连续排放。谢某开发了一种利用旋风分离器和离心浓缩原理的流化水力旋风选矿机，为大量致密矿物的连续离心分离提供了潜在的技术解决方案[34]。现有连续和准连续离心选矿机的特性及其在煤炭清洗方面的实验室和试验规模性能总结在表1中。尽管这些选矿机尚未在工业规模上应用于煤炭清洗，但它们已经显示出有希望的分离性能，表明其在细煤提质方面具有巨大潜力。Knelson连续变量排放（CVD）选矿机通过在浓缩环底部安装一系列旋启阀来解决连续排放问题。通过调整这些阀门的开启和关闭时间，可以在不关闭系统的情况下实现浓缩物排放。然而，该设备本质上仍然是半连续的，因为周期性排放会导致分离过程中的波动，并限制操作稳定性。典型的阀门开启和关闭时间分别为0.14–0.16秒和2–7秒[35]。这些排放参数与碗的速度和流化水压力密切相关，导致了一个多变量操作系统，其优化复杂且需要仔细的参数协调[36]、[37]。在Falcon C选矿机中，排放阀位于浓缩物收集环的径向后方，并在操作过程中始终保持开启状态，阀门开口大小是主要控制参数。Falcon C仅依靠离心力，不使用流化作用，用于细氧化煤的初步浓缩。

实现稳定连续排放的难度限制了离心流化技术的发展和应用，特别是在需要更高密度产品产量的领域，如煤炭清洗。为了解决这一挑战，本文开发了一种结合螺旋输送机制的新型连续排放离心流化分离器，基于重力分离的基本原理。这种设计为粗煤泥的分离提供了一种新的方法。

章节片段

设计概念

重力分离过程本质上可以总结为四个基本阶段：松动、分层、传输和分离。每个阶段的功能对于实现分离目标至关重要。松动是分离的前提，因为松散的颗粒床有助于后续的分层。分层是这一过程的核心阶段，不同密度的颗粒在重力作用下会分层沉淀

螺旋结构对流场的影响

流场特性对分离过程至关重要。离心流化螺旋碗内的流体运动受到螺旋结构与离心力相互作用的影响。从俯视图来看，当分离碗逆时针旋转时，其旋转方向与槽的向上螺旋方向相反；这种情况定义为逆旋转。相反，当分离碗顺时针旋转时，其旋转方向...

结论

在本研究中，提出了一种用于离心流化分离连续排放的螺旋输送机制。对粗煤泥的实验表明，它提供了一种新的高效煤炭清洗方法。

(1)

螺旋结构根据旋转方向的不同会产生显著不同的流场特性。在逆旋转情况下，螺旋结构会搅动流体，降低其绝对速度。这导致大部分分离碗...

CRediT作者贡献声明

周启锋：撰写——初稿，软件，方法论，研究，正式分析，概念化。魏立斌：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。朱学帅：撰写——审阅与编辑，监督，资源，研究。凌向阳：监督，方法论，研究。谭金龙：方法论，研究，正式分析。杨月：软件，方法论，研究。孟向民：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（资助编号：51574252）的财政支持。

周启锋|魏立斌|朱学帅|凌向阳|谭金龙|杨月|孟向民|刘永军

河北工程大学采矿与地理信息工程学院，邯郸056038，中国