2024-01-31
研究了单个大颗粒在小颗粒群中振动离析速率非线性变化趋势及形状对其离析行为影响规律，揭示了混合粒群离析速率分布特征及颗粒取向收敛趋势，基于颗粒粒度与形状的协同与竞争效应构建了新型离析模式相图，进一步阐明了中间粒级与拓宽粒度对离析动力学的影响机制。
作者：乔金鹏1, 2 ， 杨金硕1, 2 ， 薛 冬1, 2 ， 胡柯羽1, 2 ， 董 良1, 2 ， 段晨龙1, 2 ， 江海深1, 2 ， 赵跃民1, 2 ， 蔚文朋3单位：1. 中国矿业大学 化工学院;2. 中国矿业大学 煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室;3. 大地工程开发 (集团) 有限公司颗粒振动分离的控制与利用常见于散体颗粒物 料的加工与制备，如现代工业生产领域中的化工催化、矿物冶金、生物制药等。不同应用领域对散体颗粒的粒度要求不同，为满足加工工艺要求， 绝大部分原材料在深度加工前需要筛分分级。振动筛分过程中，筛上混合颗粒基于粒度的充分离析是细 颗粒高效触网透筛的前提，揭示颗粒振动离析动力学特性及分离终态调控机制对于散体物料的高效筛 分具有十分重要的指导意义。具有不同密度、粒度等性质的 2 种颗粒组成的二元混合颗粒群在振动作用下展现出不同的分离终态， 包括“巴西果 (BN)”模型、“反巴西果 (RBN)”模型以 及“三明治”模型。在一定的参数条件下，3种离析结果可实现互相转换，基于离析模式转换的研究大多集中在离析相图的构建与边界优化。21 世纪初， HONG 等类比气体热力学理论，提出了基于质量比 和粒度比的颗粒振动分离边界，在此基础上的后续研 究主要致力于构建基于颗粒性质的“粒度比−密度比 (dr−ρr)”相图与基于振动条件的“激振强度−振动频率 (Γ−f)”相图，2 者均可在较宽的参数范围内对振 动分离结果进行准确预测。然而，受限于现有物理测 试技术不足以及为满足离析动力学模型简化，现有的 研究对象多为球形颗粒，对于非球形颗粒离析相图的 研究鲜有报道。此外，当颗粒床的高径比较大时，由于边壁摩擦 作用，振动床体会形成颗粒对流，大颗粒在颗粒流的 挟带作用下逐渐上升至床体自由面或者下沉至床体 底部，实现以“整体对流”为驱动机制的对流离析。 在对流环境下，颗粒形状对其离析行为的影响将被掩 盖，AHMAD 等基于物理试验的研究指出颗粒形状对其离析过程没有明显影响的主要原因便在于未能抑制对流的发生。为验证并揭示形貌特征对混合颗 粒振动分离行为的影响，需构建无边壁摩擦的离析环 境，实现无对流离析进而揭示离析行为对颗粒形貌参 数的响应规律。同时，非球形颗粒的取向特征因无序 碰撞受粒群整体行为的影响而存在明显差异，揭示取向分布特征及粒级结构对粒群离析的影响规律可深 度阐明复杂粒群离析分层机制。混合粒群在振动作用下的离析分层为矿物颗粒的筛分分级提供了实现基础，颗粒形状特征及粒级结构是影响离析速率及结果的重要因素。基于离散元法数值模拟探究了单个 (非) 球形大颗粒在小颗粒群中离析动力学特性，研究了颗粒形状对其离析速率的影响规律，分析了二元均匀混合粒群中形状与粒度之间的交互作用，揭示了多元混合粒群中离析速率及转动取向分布规律。试验结果表明:较强振动作用下，球形大颗粒离析速率随粒度比的增加呈现先增加后降低的非单调 变化趋势，而非球形大颗粒离析速率显著高于球形大颗粒，主要原因是其颗粒底端延伸至孔隙率波动较大的深床层。此外，非球形大颗粒与球形大颗粒的离析速率差值随着振幅的增加同样呈现 先升高后降低的变化趋势;当二元混合颗粒群中存在对流时，其离析速率明显高于无对流颗粒群 的离析速率;二元混合料群中非球形大颗粒的离析速率与转动取向呈现“类高斯”分布特征，且非 球形颗粒的形状与粒度对最终离析结果的影响存在竞争关系，导致球形大颗粒−非球形小颗粒床在 小粒度比、低球形度条件下出现异常的“反巴西果”现象;此外，颗粒形状对离析速率的影响显著 性高于粒级结构，增加中间粒级颗粒会减缓粒群的离析过程，而拓宽粒度分布范围同样也会造成离析速率下降。
图 1 接触颗粒 (i 和 j) 的接触受力模型
图 2 试验系统及模型验证
图 3 单颗粒非线性离析行为
图 4 单颗粒离析力学模型及充填特性
图 5 f=20 Hz 时无量纲振幅 Ad 对离析速率 (差) 的影响
图 6 Ad=2、f=20 Hz 时颗粒振荡频谱
图 7 不同充填条件的二元颗粒床 (床层中不同高度小颗粒以不同颜色区分)
图 8 不同床型颗粒离析特征
图 9 当量直径相同的 S-NS 床中粒群离析结果
图 10 不同粒度比及球形度比值条件下颗粒离析模式
图 11 多粒级料群的混合熵随离析时间的变化规律
图 12 不同粒级的混合粒群中孔隙率在一个振荡周期内随高度的变化规律
图 13 混合粒群中颗粒振动频谱
图 14 S-NS-NS 床中非球形颗粒在离析过程中的取向
乔金鹏，男，1993.06，山西忻州人，中国矿业大学硕士生导师，中国矿业大学优秀博士学位论文获得者，山西省煤炭学会清洁委委员、千人智库专家，中国冶金矿山企业协会筛分技术委员会委员。主持国家自然科学青年基金项目、江苏省自然科学青年基金项目、中国博士后科学基金面上项目、中国矿业大学青年基金项目等，承担企业横向科研项目/课题7项。
研究方向
煤炭/矿物高效智能筛分，矿山固废资源化利用，选矿过程数值模拟等。
主要成果
致力于多尺度复杂粒群振动离析与大处理量煤炭/矿物多元变轨迹等厚筛分理论与技术研究工作，发表高水平学术论文20余篇，授权国家发明专利8件，国外发明专利4件，软件著作权4项。
段晨龙，男，1978年6月生，内蒙古太仆寺旗人，中国矿业大学二级教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、中国煤炭工业科技创新领军人才、江苏省高校优秀科技创新团队学术带头人、国家能源局首批煤矿智能化专家。主持国家自然科学基金项目5项，国家能源集团“科技创新2030”重大先导项目课题、江苏省优青等项目30余项。获国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部科技进步特等奖1项、成果入选2021年度中国高等学校十大科技进展，其它省部级与行业协会科技奖励一等奖5项。以第一/通讯作者发表高水平论文90余篇，出版著作4部，授权中国发明专利以及国外专利60余件。
研究方向
矿物加工
主要成果
长期致力于煤炭干法分选与矿物筛分、二次资源利用理论和技术研究，在难筛分矿物高效筛分机理、微泡准散式气固流态化分选机制、高效干法选煤过程强化及系统集成三个方面取得了重要的创新成果，形成了包括理论、技术、装备和工艺在内的成套技术体系，实现了低品质煤高效干法分选提质，破解了煤炭分选的水资源瓶颈，解决了我国西部干旱缺水地区及易泥化煤炭高效干法分选难题，对煤炭清洁利用、节约能源、减轻环境污染具有重大意义。
来源：
乔金鹏，杨金硕，薛冬，等. 复杂混合粒群简谐振动离析动力学特性[J]. 煤炭学报，2023，48(12):4571−4585.
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