1前　言

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭在一次能源消费结构中占75%，而在煤炭消费结构中，用于燃烧的动力煤占80%以上，而且这种状况在今后相当长时间内不会改变。然而至1997年底我国原煤的入选比例只有25.73%，这就造成了燃煤引起的严重的环境污染和资源浪费。因此必须加快发展洁净煤技术，保护环境，作为洁净煤技术源头的选煤技术则应优先发展。

然而，我国煤炭可采储量的2/3以上分布在严重干旱缺水的西部地区，无法采用现行耗水量大的湿法分选方法，严重制约了选煤技术的发展。因此，研究开发新型高效干法选煤方法，不但在中国是当务之急，而且由于缺水是全球性的，所以也具有国际意义。

重力分选的基础原理是入选物料在重力场或离心力场中按其沉降末速不同而分选。分选介质的密度越小，不同密度物料的沉降末速受粒度的影响越大，物料必须分成很窄的粒级才能得到有效分选。要提高干法分选的效果，必须设法提高分选介质的密度。空气重介质流化床干法分选研究正是基于这一理论依据进行的。

加拿大J.M.Beeckmans、苏联J.Laskovski、美国E.Douglas等人提出的流化床分选方法虽然提高了分选介质的密度，但只是套用了化工上流化床化学反应器物料置换原理，没有涉及加重质粒度级配及第二加重质颗粒的分布规律研究，也没有研究适合

于煤炭分选的布风特性，加重质宏观返混较大，分选精度较低，更没有涉及连续分选过程中流化床密度的动态稳定性，至今仍处于实验室研究阶段。

空气重介质流化床属气固浓相高密度流化床，加重质一般采用密度较高的磁铁矿粉，流化床的膨胀率大约在8%，床层密度基本等于分选密度，且具有似流体性质。在具有一定密度且在三维空间均匀稳定的流化床中，入选物料基本根据阿基米德原理按床层密度分层，从而达到有效分选。

但普通空气重介质流化床不能实现全粒级煤炭的有效分选，因为入选物料要得到有效分选，其最小粒度必须足够地大于固相加重质的主导粒度，使得流化床能以整体密度作用于入选物料。空气重介质流化床的分选粒度下限为6mm，对<6mm细粒煤无法进行有效分选。因此，我们不仅要研究适合不同粒级煤炭分选的浓相高密度稳态流化分选理论，而且要研究解决潮湿细粒煤炭的干法深度筛分这一世界性难题，因为随着采煤机械化水平的不断提高，原煤中的潮湿细粒煤含量逐年增加。

因此实现煤炭的干法深度筛分(Φ6mm)，不仅可生产优质动力粉煤等不同粒级的煤炭产品，而且可为干法分选提供条件，最终建立高效干法分选与筛分的理论体系。

2　概率筛分与流化床分选的理论研究

2.1　概率筛分理论

潮湿细粒煤炭的干法深度筛分是当今世界筛分技术的难点。当对潮湿煤炭进行干法筛分(筛分粒度等于筛孔尺寸)时，会出现煤泥堵塞筛孔的现象，导致限下率高，筛分效率低，严重时无法筛分，国内外均未解决该问题。对此，本项研究突破了传统的精确筛分概念和单颗粒透筛概率理论，率先探索用近似概率筛分理论解决潮湿细粒煤炭干法筛分问题。

(1)提出了采用大筛孔(相对筛分粒度)解决煤泥堵孔，采用大倾角控制筛分粒度，采用最佳筛面长度提高筛分精度的观点，提出了煤炭概率筛分的方法，为潮湿细粒煤炭的干法筛分提供了一条有效途径。

(2)为揭示筛分过程中煤泥堵孔的机理，通过对筛分过程中潮湿细粒煤的透筛行为的试验和理论研究，首次发现了煤泥粘附引起的筛分分配曲线在细粒级区间反常上翘这一重要现象，建立了以分段幂函数描述的概率筛分数学模型。为成功解释潮湿细粒煤在概率筛分时不易堵孔的特性提供了理论基础。

(3)以物料的筛分试验为基础，研究了粒群在筛面上的运行规律，提出了粒群沿筛面长度透筛概率的分布模型，即P=1-exp(1-ALB)(式中P为透筛概率，A、B为参数，L为筛面长度)。将粒群在筛面上的透筛过程分解为触网和透筛两个部分，提出了触网概率的概念，解决了粒群的透筛概率计算，创立了粒群透筛概率理论，突破了中外学者提出的单颗粒透筛概率理论，揭示了物料筛分过程的实质。

(4)针对不同性质的入筛原煤，进行了煤用概率分级筛的工艺、结构和动力学参数研究，通过建立被筛物料性质、操作参数、筛分效果间的筛分数学模型，进行参数优化，提出了以概全效率EC=α+[(β-α)/(β-θ)](100-2θ)(式中α，β，θ分别为入料，筛下物，筛上物中小于规定粒度的细粒含量)作为近似筛分效果的评定方法，并导出了分离粒度与可能偏差的计算公式。

(5)提出了琴弦概率筛的力学模型和动力学分析，建立了琴弦概率筛的设计理论，使琴弦筛丝在共振状态下工作，筛分机可采用较小的加速度，而琴弦筛网可获得较大的加速度，筛网不易堵孔，同时动力消耗小，筛分机工作寿命长。

2.2　流化床分选理论

适合于煤炭分选的空气重介质流化床是浓相高密度流化床，与目前化工领域广泛应用的稀相低密度流化床有很大不同，化工上应用的稀相低密度床，床层较深，固相加重质粒度组成宽，返混较严重;而适合于煤炭分选的流化床要求以密度大、粒级窄的固相加重质形成浓相高密度微泡流化床。由于入选物料进入流化床后要根据阿基米德原理按床层密度分层，因此，浓相高密度流化床不仅要求密度在三维空间均匀稳定，而且要求加重质宏观返混小，以免已得到分选的物料再混合。这在理论上和实践上都有很大难度。

(1)要形成密度均匀的流化床层，首先必须解决布风问题，通过细致的理论分析，结合实验研究，提出了以两段复合式大压降气体分布器稳压布风、在低流化数气速下操作的布风理论，在此理论指导下研制的气体分布器达到了开孔率大、布风均匀、气流速度易控制的目的，为形成适合于煤炭分选的浓相高密度微泡流化床提供了基础。

(2)要实现浓相高密度流化床对煤炭的有效分选，确保高的分选精度，床层密度必须均匀稳定，同时加重质返混要小，这就要求一方面要在低流化数气速下操作，减小加重质返混，另一方面又要避免因气速过低而引起的加重质的分层分级趋势，保证床层具有足够的活性和较小的粘度。为此我们提出了加重质主导粒级窄(筛比仅为2)，在低流化数气速下操作，合理利用加重质颗粒宏观返混和干扰沉降的交互作用效应的观点，有效地抑制了加重质的返混及分级趋势，创立了空气重介质流化床密度均匀稳定理论。形成了浓相高密度微泡流化床，在三维空间密度均匀稳定，而且加重质返混小，适合于入料按密度有效分选。

(3)从入选物料在流化床中的受力分析着手，研究了入料在流化床中的分选机理，认为入料所受净浮力是决定其分层的主导因素，研究了复杂的浓相高密度气固流态化系统，提出了入选物料在流化床中具有错配效应的分选理论，将错配效应分成粘性和运动两个错配效应的见解。粘性错配效应由床层的粘性引起，一般随气速的增大而减小，而运动错配效应在气速过低或过高时都较大，因此入料的分选受上述两种错配效应的交互作用干扰，给出了被选物料不按阿基米德原理分层的临界条件，但只需将加重质粒度级配，气速控制适宜，两种错配效应均可得到有效控制。入选物料粒度越大，所受净浮力越显著，错配效应则越小，分选机的操作参数应参照细粒分选物料进行优化。在优化参数的条件下，取得了良好的分选效果，可能偏差Ep值达0.05～0.07。

(4)在连续分选过程中，原生及次生煤粉将不断产生，对此，着重研究了不同粒级煤炭在流化床中的分布规律，提出不同粒级煤炭在流化床中的三级分布理论，在理论上定量确定了分选下限，成功地解释了不同粒级粉煤在流化床中的分布规律，该理论的核心就是通过对不同粒级煤粉与加重质主要特性参数的对比计算，确定不同粒级粉煤的分布规律，即粉煤在流化床中按三个粒级分布，第一粒级为细粒，分布在上层，第二粒级为等沉粒，将混杂在固有加重质颗粒之中，可视为第二加重质，第三粒级为粗粒，它将受到流化床平均密度的浮力作用，按床层密度分层。该理论为床层密度的调节及稳定性控制提供了理论依据。

(5)在连续稳定的分选过程中，必须保持分选介质的数质量平衡，以稳定床层密度。为此，建立了分选介质的动态平衡模型，即QS=γ入Q入/[0.85+ln(1/ρ-0.08)](式中QS为介质分流量，γ入为原生煤粉量，Q入为入料量，ρ为床层密度)，提出了床层密度与煤粉含量的关联式为ρ=1/[0.08+1.16exp(-1+γ)]，为床层密度的在线测控及工艺参数的优化提供了数学模型。

(6)在空气重介质流化床成功实现>6mm级粗粒煤分选的基础上，为拓宽其适应范围，研究了适合于<6mm级细粒煤分选的流化床特性，认为要实现细粒煤的有效分选，一是要消除气泡的产生，改善流化质量，通过引入振动来实现，二是要充分降低加重质粒度，使细粒入料能受到床层整体密度的浮力作用。在气流及振动交互作用下形成的振动空气重介质流化床具有适合于细粒煤分选的特性，其优越特性用振动波在流化床中向加重质颗粒传递能量及振动具有抑制气泡生成长大作用的观点来解释。在此基础上研究了连续分选过程中振动流化床加重质的流动模型，提出了以两个并联扩散流模型，即5-1.gif (79 bytes)ρ/5-1.gif (79 bytes)t=DX5-1.gif (79 bytes)2ρ/5-1.gif (79 bytes)X2-u5-1.gif (79 bytes)ρ/5-1.gif (79 bytes)X(式中ρ为床层密度，DX为轴向有效扩散系数，u为加重质流动速度)来描述加重质的流动状态，为对振动流化床分选过程的控制提供了方法。

(7)实现同一流化床分选槽出三种不同质量的产品，必须要在同一流化床中形成双密度层流化床，这是前人未涉及的。为此，从研究两种加重质的粒度和密度级配及床体结构着手，研究了双密度层空气重介质流化床的形成机理，发现以磁珠(密度为3.6g/cm3)及磁铁矿粉(密度为4.6g/cm3)两元混合粒子作加重质，可形成两个均匀稳定的上、下两个分选带，这两个分选带具有各自的密度(分别为1.52g/cm3及1.86g/cm3)，提出了两元加重质粒子形成双密度层流化床的形成理论，揭示了双密度层流化床形成过程中粒子分层、离析和混合的规律。

3　结　语

高端选煤技术概率筛分理论及流化床干法分选理论开启了矿物加工工程学的新开端，形成了一系列高端选煤技术。并在理论成果的指导下，提出了更高端选煤技术煤炭概率深度筛分方法，产生量巨大社会和经济效益。此等选煤技术为我国偏远地区缺水的分选加工开辟了新途径。