水射流粉碎技术在制备超精细煤浆中的应用

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1、作者姓名：崔龙连论文题目：水射流粉碎技术在制备超精细煤浆中的应用研究作者简介：崔龙连，男，1980年09月出生，2004年09月师从于中国矿业大学（北京）安里千教授，于2007年6月取得博士学位。中文摘要能源是国民经济的基础产业，对国民经济的持续快速发展和人民生活的改善发挥着十分重要的促进与保证作用。我国拥有极其丰富的煤炭资源，煤炭在我国化石能源资源中所占比例高达95.5%。因此，在今后相当长的一段时间内，煤炭在我国一次能源结构中仍将处于主导地位。煤炭资源在为社会做出巨大贡献的同时，在其开采、加工、储运和使用的过程中，也产生了一系列环境污染问题，危害生态平衡和人类生存。为保证

2、国民经济的可持续发展，必须提高煤炭的利用率，减少燃煤污染，发展洁净煤技术。洁净煤技术分为四个方面：煤炭加工、煤炭转化、煤炭燃烧及后处理。水煤浆技术、煤炭液化和煤炭气化又是煤炭转化中最主要的途径。水射流粉碎技术始于二十世纪八十年代初，该技术最突出优点是粉碎能耗低。水射流粉碎技术的颗粒破碎机理不同于传统机械粉碎工艺。在水射流粉碎颗粒的过程中，高压水通过表面裂纹渗进颗粒内部的裂纹顶端，高压水的存在减小了裂纹扩展所需要的力，提高了颗粒的破碎效率。颗粒宏观上的破碎实际是颗粒内部微裂纹的生成、发育、扩展的最终结果。颗粒受其内部高压水穿渗过程中产生的张应力和冲击力共同作用导致颗粒破碎，其粉

3、碎能耗要远低于传统的研磨工艺。高压水射流粉碎的另一个优点是：水射流粉碎技术具有良好的选择解离破碎性，即可使物料中的不同矿物组份在赋存粒度下有效解离。射流沿颗粒的裂隙和不同矿物组份界面的穿渗效应，使得水射流粉碎过程变成了一种高效的矿物分选过程。特别是颗粒有较大尺寸时，这种粉碎过程中分离不同组份的方法是传统粉碎工艺所无法比拟的。高压水射流粉碎煤的过程中，射流粉碎的分选和选择性解离破碎作用，可使粉碎后的细煤颗粒很容易实现煤中矿物质像黄铁矿、硅石及其它杂质的有效分离。上世纪70年代的石油危机给以石油为主要能源的西方各国带来很大冲击，人们纷纷研究以煤代油的策略。常规水煤浆是由70%左右

4、的煤颗粒，30%左右的水及少量的化学添加剂组成，近似流体，可像油一样泵送、雾化、储存和稳定燃烧。为实现全面代油的目标，20世纪80年代，世界各国开展了可用于内燃机、燃气轮机燃烧的精细煤浆的研究。精细水煤浆也被称为第二代水煤浆，其含固体煤颗粒的平均粒径小于10μm，黏度为300~400mPa•s，浓度约为50%，灰分低于1%，基本属于牛顿流体的煤水混合物。尽管代油煤浆在柴油机上燃烧具有低氮氧化物排放和经济性高等优势，但限制大规模工业应用的主要障碍有以下两方面：煤颗粒粉碎能耗过高、粉碎后细煤颗粒的分选效率低。煤的超细粉碎是制备精细水煤浆工艺中最为关键的一步。精细煤浆制备的全部工艺

5、中（煤初级破碎、粉碎、细煤颗粒的分选以及制浆过程中的搅拌），煤颗粒的超细粉碎所消耗能量占制备工艺消耗总能量的85%以上。因此，降低超细粉碎的能耗对降低煤浆制备工艺的总能量消耗、提高精细煤浆的经济性具有极其重要的意义。结合水射流粉碎技术特点和目前超精细煤浆制备的工艺中存在的问题，提出了水射流粉碎技术制备超精细煤浆的新工艺。为证明水射流粉碎技术制备超精细煤浆的可行性、展示该新型制备工艺的优势，通过实验方法将新型制备工艺与传统球磨制备工艺进行了对比。研究了两种工艺制备细煤颗粒的性质，对比了两种细煤颗粒的浮选结果，比较了两种细煤颗粒所制备精细煤浆的性质，计算了两种工艺的粉碎能耗。设计

6、了用于制备超精细煤浆的新型超细粉碎喷嘴，制备了平均粒径仅为3μm，稳定性极高、表观黏度低、热值高且具有“剪切变稀”效应的超精细煤浆。这种超精细煤浆非常适合用于高速柴油机燃烧。从射流流场的基本理论出发，将红外测试技术用于射流流场的测试，结合数值模拟，得到了射流温度场与速度场的对应关系和射流的有效靶距，将研究结果用于优化射流粉碎机的靶距。通过单因素实验，优化后混合射流粉碎机的其它工艺参数。通过数值模研究了准直管内的流动状态，特别是其内部颗粒的运动规律。这些研究对提高射流粉碎机的粉碎效率、降低粉碎能耗以及新型超细粉碎喷嘴的设计都有着重要意义。水射流粉碎工艺与球磨粉碎工艺的比较。制备

7、精细煤浆要求颗粒粒径小，平均粒径约为10μm。在这种粒度下，颗粒的粒径对细煤颗粒的浮选是一个重要的影响因素。因此要比较两种工艺制备细煤颗粒的浮选效果，就必须确保两种粉碎工艺所制备细煤颗粒具有相同的粒度分布。为保证两种粉碎工艺得到的煤颗粒的粒度一致，采用的措施是先调节水力旋流器的给料压力、底流口直径等工艺参数，使溢流口收集到的颗粒的粒度分布满足制浆要求，然后再根据溢流颗粒的粒度确定球磨机的磨矿时间。以多个粒径作为参考尺寸，分别计算两种粉碎工艺的粉碎能耗。计算结果表明：煤的不同导致粉碎能耗存在一定差别，总体