焦 楊,章新喜,孔凡成
(1.中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇徐州 221116;3.空軍勤務(wù)學(xué)院,江蘇徐州 221000)
潮濕細(xì)粒煤聚團(tuán)碰撞分離的物理過程和微觀力學(xué)機(jī)制
焦 楊1,章新喜2,孔凡成3
(1.中國礦業(yè)大學(xué)理學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇徐州 221116;3.空軍勤務(wù)學(xué)院,江蘇徐州 221000)
為提高分級設(shè)備的分級效率和優(yōu)化分級設(shè)備,利用高速動態(tài)攝像機(jī)拍攝了自由下落的潮濕細(xì)粒煤聚團(tuán)與水平金屬面的碰撞過程,借助于接觸力學(xué)理論和液橋理論研究了聚團(tuán)碰撞分離的物理過程和力學(xué)機(jī)制。研究表明:聚團(tuán)的碰撞分離因黏附顆粒重力的不同呈現(xiàn)出兩種模式:碰撞式分離和重力-碰撞式分離;聚團(tuán)的碰撞分離過程可分成聚團(tuán)與壁面的碰撞、小顆粒與大顆粒的接觸碰撞以及液橋的拉伸斷裂3個階段。聚團(tuán)與壁面的碰撞打破了聚團(tuán)內(nèi)的顆粒運(yùn)動速度的一致性,顆粒的分離使粒間液橋發(fā)生拉伸變形,當(dāng)顆粒間的最大分離距離超過液橋的斷裂距離時,濕顆粒實(shí)現(xiàn)分離,濕顆粒的分離需要一個最小法向分離初速。水分的增加使?jié)耦w粒難分的主要原因是液橋難以斷裂造成的。濕顆粒聚團(tuán)的分離隨著碰撞速度的降低、顆粒粒徑的減小、水分的增加和接觸顆粒數(shù)的增多而變得困難。
濕顆粒聚團(tuán);碰撞;破碎;液橋
隨著采煤機(jī)械化的發(fā)展,原煤中粉煤含量增加,煤質(zhì)下降,必須進(jìn)行洗選。目前在中國煤炭加工領(lǐng)域主要采用篩分和干法氣流分級的方法使原煤脫粉。然而由于井下防塵噴水,煤層滲水和管理不善等原因常常造成開采出來的原煤外在水分在7%~14%[1-2]。這些潮濕煤顆粒黏結(jié)成團(tuán),給后續(xù)的煤炭加工帶來極大的困難,使得分級過程惡化,效率下降[3-6]。潮濕細(xì)粒煤的脫粉問題的科學(xué)實(shí)質(zhì)就是濕顆粒聚團(tuán)的分離和破碎,除了在煤炭加工領(lǐng)域,在礦物加工、傳輸傳質(zhì)、化工、農(nóng)業(yè)、制藥、核電工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域也廣泛存在。濕顆粒聚團(tuán)是密相顆粒-填隙流體的混合結(jié)構(gòu),顆粒間存在著填隙流體而產(chǎn)生了黏性力,給系統(tǒng)的行為帶來極大的影響。
Fu Jinsheng等[7]用高速動態(tài)攝像儀拍攝了不同撞擊速度下濕顆粒聚團(tuán)的破碎過程,發(fā)現(xiàn)濕顆粒聚團(tuán)的破碎呈現(xiàn)5種不同模式(圖1),聚團(tuán)的破碎方式和破碎程度與撞擊速度、液體含量以及組成聚團(tuán)的顆粒有關(guān)。Horio等[8]從受力平衡角度研究干顆粒聚團(tuán)的破碎,認(rèn)為聚團(tuán)的破碎主要還是來自聚團(tuán)之間的相互碰撞,當(dāng)碰撞力超過兩個等徑聚團(tuán)之間的黏附力時,聚團(tuán)破碎。Yang[9]認(rèn)為分開聚團(tuán)顆粒需要克服一種接觸鍵能,顆粒碰撞后,當(dāng)顆粒的能級高到足以打破接觸鍵能,聚團(tuán)破碎。張文斌等[10]亦認(rèn)為聚團(tuán)碰撞之后是否分離,取決于聚團(tuán)所受的各種力的平衡。由于濕顆粒聚團(tuán)間存在著不同分布狀態(tài)的液相,使得濕顆粒聚團(tuán)的破碎機(jī)理比干顆粒聚團(tuán)更加復(fù)雜,難以從受力或能量角度描述。C.Thornton等[11]的DEM數(shù)值模擬結(jié)果表明,聚團(tuán)的破碎是顆粒間的強(qiáng)大的作用力傳遞到聚團(tuán)內(nèi)以及組成聚團(tuán)的顆粒不均勻的速度分布產(chǎn)生的結(jié)果。Sergiy Antonyuk等[12]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),聚團(tuán)的破碎源于內(nèi)部裂痕的產(chǎn)生、生長和聚集,但對碰撞如何產(chǎn)生裂痕的微觀過程以及液橋力的作用并未涉及。R.Moreno等[13]用DEM方法模擬了不同角度下的碰撞破碎,研究發(fā)現(xiàn)聚團(tuán)內(nèi)接觸斷裂的數(shù)目和碎片的質(zhì)量隨著碰撞角的增加而減小,碰撞速度的法向分量決定破碎。目前更多的DEM數(shù)值模擬研究主要集中在能影響聚團(tuán)破碎難易程度的顆粒和液體的物理屬性或設(shè)備參數(shù)上,較少涉及產(chǎn)生破碎或裂痕的物理過程[14-19]。
為了深入研究濕顆粒聚團(tuán)碰撞分離的物理過程,加強(qiáng)對濕物料系統(tǒng)行為特性的理解,本文結(jié)合高速動態(tài)攝像儀拍攝的碰撞圖片,利用顆粒離散單元法和接觸力學(xué)理論以及液橋理論,充分考慮碰撞過程中兩碰撞體之間的接觸時間、接觸變形和接觸力、液橋力的影響,從微觀本質(zhì)上細(xì)致的分析了濕顆粒聚團(tuán)的碰撞分離的物理過程和力學(xué)機(jī)理。
圖1 不同撞擊速度下濕顆粒聚團(tuán)的5種破碎模式[7]Fig.1 Five failure patterns of the wet agglomerates in different impact velocities[7]
1.1 聚團(tuán)結(jié)構(gòu)
潮濕細(xì)粒煤在開采或搬運(yùn)中的形成聚團(tuán),通常是一種松散結(jié)構(gòu),聚團(tuán)內(nèi)的應(yīng)力較小,與文獻(xiàn)[7]中所研究的致密結(jié)構(gòu)型聚團(tuán)完全不同,其破碎模式也與該文獻(xiàn)所述不同。潮濕細(xì)粒煤聚團(tuán)一般會形成細(xì)顆粒團(tuán)聚體、大顆粒為載體的團(tuán)聚體以及成包衣結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體3種結(jié)構(gòu),如圖2所示[20]。
圖2 濕顆粒聚團(tuán)的3種結(jié)構(gòu)[20]Fig.2 Three structures of wet agglomerates[20]
1.2 碰撞實(shí)驗(yàn)
1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料
高速動態(tài)攝像儀(OLYMPUS i-SPEED3,15 000 fps),JA3103型高精度電子天平(上海精科天平),HY-4型調(diào)速多用振蕩器(蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司),鐵架臺,鑷子,去離子水,400 mL燒杯若干。
煤樣為陜西省神木縣大柳塔選煤廠提供的原煤,利用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)篩對破碎后的原煤進(jìn)行篩分,得到粒徑0.1~0.2,0.3~0.4,0.5~0.6 mm三個粒級的煤顆粒,再經(jīng)過浮沉試驗(yàn)對各粒級的煤樣進(jìn)行密度分選,獲得<1.4,1.4~1.5,1.5~1.6,1.6~1.8,>1.8 g/ cm3五個密度級的若干種煤樣。聚團(tuán)的煤核由塊狀原煤切割打磨成球形,粒徑(16.15±0.43)mm,質(zhì)量3.483 g。煤核上粘一細(xì)線,方便鑷捏稱重。
1.2.2 碰撞過程
將煤核浸入去離子水中使其表面潤濕,再放入盛有細(xì)粒煤的燒杯中,一起置于振蕩器中震蕩2 min (頻率200次/min,振幅20 mm),使煤核與細(xì)粒煤充分粘連形成聚團(tuán),用洗耳球吹走表面浮粉后稱重。
鑷取潮濕細(xì)粒煤聚團(tuán),使其從40 cm高處自由下落與水平放置的金屬板相碰,用高速動態(tài)攝像儀拍攝聚團(tuán)與金屬板的碰撞過程,如圖3所示。用天平稱量碰撞前后聚團(tuán)的質(zhì)量,每種碰撞重復(fù)10次,稱得細(xì)粒煤質(zhì)量以及質(zhì)量的變化,見表1。
圖3 潮濕細(xì)粒煤聚團(tuán)與水平金屬板的碰撞Fig.3 Impact process of wet agglomerates against a plate
表1 碰撞中聚團(tuán)的質(zhì)量損失Table 1 Mass loss of agglomerates
1.3 碰撞分離模式
如圖3所示,當(dāng)煤核表面黏附粒徑0.1~0.2 mm的小顆粒時,碰撞后小顆粒主要沿法向從煤核表面飛離,碰撞后煤核沒有旋轉(zhuǎn),有一定的反彈高度,撞擊面處的細(xì)粒煤被壓實(shí)后還黏附在煤核上隨之上升,這種碰撞中主要以碰撞力來分離細(xì)小顆粒,小顆粒主要沿法向飛離,可稱為碰撞式分離;當(dāng)煤核黏附粒徑為0.5~0.6 mm的小顆粒時,由于黏附顆粒重力較大,小顆粒沿煤核表面發(fā)生一定的切向滑移后脫離煤核,煤核的反彈高度較小,這種分離過程中重力作用較大,小顆粒相對于大顆粒發(fā)生了切向和法向的位移,稱為重力-碰撞式分離。由表1可知,碰撞中損失的細(xì)粒煤質(zhì)量隨著煤粒密度和粒徑的增加而增加,因此,黏附的顆粒粒徑和密度越大,重力對濕顆粒分離的作用越顯著。
根據(jù)液體存在量的不同,液體在顆粒集合體空隙內(nèi)以擺動、鏈索、毛細(xì)或浸漬狀態(tài)存在。原煤外在水分在7%~14%時,水在煤顆粒空隙間主要以擺動狀態(tài)存在[21]。在擺動狀態(tài)下,顆粒之間的水分分布為不連續(xù)的液橋,顆粒所受到的液橋力由液橋的壓力差、液體的表面張力以及黏性阻力引起的,包括“靜態(tài)”的毛細(xì)力和“動態(tài)”的黏性力。
2.1 毛細(xì)力
毛細(xì)力源于液體的表面張力和氣液界面壓力差的綜合作用,液橋內(nèi)部毛細(xì)管的負(fù)壓力和液橋的表面張力僅取決于其幾何形狀。Fisher和Hotta K.將氣液界面徑向輪廓處理為一段圓弧,如圖4所示,利用曲面近似的方法得到半徑為R1,R2的兩球形顆粒間的毛細(xì)力[22-23]。
式中,Fslb為毛細(xì)力;σ為液體表面張力系數(shù);ρ1,ρ2為液面的曲率半徑,可表示為
圖4 球形顆粒間液橋示意Fig.4 Schematic diagram of liquid bridges
其中,R1,R2為顆粒半徑;d為顆粒表面間距,一般計算中取為R/1 000[24];θ為固液接觸角;φ1,φ2為嵌入角,且滿足
液橋的體積可表示為
2.2 動態(tài)黏性力
當(dāng)顆粒存在著相對運(yùn)動,由于液體的黏性會產(chǎn)生黏性阻力,法向黏性力[24-25]可表示為
式中,vs為切向速度。
式(8)是計算切向黏性力的惟一解析解[24],但Lian等在應(yīng)用DEM方法研究聚碰撞過程中發(fā)現(xiàn),利用該式計算的切向黏性力的作用可以忽略[27],故本文研究中亦不考慮切向黏性力,主要針對法向分離的情況。
2.3 液橋斷裂距離
當(dāng)顆粒發(fā)生相對運(yùn)動時,液橋會發(fā)生拉伸變形而斷裂。對于兩個大小不等的球形顆粒,當(dāng)接觸角小于40°時,液橋發(fā)生斷裂的距離(極限距離)hsci和液橋體積V之間的關(guān)系[28-29]為
Glodman等通過研究平行于剛性墻的剛性球在半無窮牛頓流體中運(yùn)動的簡單情況后發(fā)現(xiàn),當(dāng)球與壁面距離足夠小時,切向黏性力[26]計算式為
濕顆粒聚團(tuán)的碰撞分離過程分為3個階段:聚團(tuán)與接觸面的碰撞、小顆粒與大顆粒(煤核)的接觸碰撞以及液橋的拉伸斷裂。
3.1 聚團(tuán)與碰撞面的碰撞
碰撞打破了下落過程中聚團(tuán)內(nèi)各顆粒速度分布的一致性,使聚團(tuán)內(nèi)各個顆粒的速度因顆粒位置的不同產(chǎn)生差異。假設(shè)小顆粒黏附在大顆粒上的位置由方位角α表示(質(zhì)心連線與豎直方向夾角),如圖5所示。與地面碰撞前聚團(tuán)內(nèi)所有顆粒的速度均為v0,碰后大顆粒速度為v(v<v0),設(shè)小顆粒的速度仍為v0,小顆粒相對大顆粒的法向速度=(v0+v)cos α,切向相對速度=(v0+v)sin α,則顆粒間的速度隨著顆粒位置α的不同而不同。
圖5 與水平面碰撞前后顆粒的速度Fig.5 Particle velocity before and after impact
3.2 小顆粒和大顆粒間的接觸碰撞
與地面碰撞接觸后,小顆粒相對大顆粒有法向接近速度v0n,將與大顆粒發(fā)生擠壓碰撞。利用離散元方法中的軟球模型,碰撞中采用線性阻尼接觸模型[30],如圖6所示。
圖6 顆粒間的線性阻尼接觸模型[30]Fig.6 Linear contact model of particles[30]
式中,δn為法向重疊量(位移);kn為兩球的法向剛度系數(shù)。
式中,Δδs為切向位移增量;ks為切向剛度系數(shù)。
顆粒間允許發(fā)生滑動,發(fā)生滑動的條件為
式中,μ為滑動摩擦因數(shù)。
對于重力-碰撞式分離,由于黏附的小顆粒較大,重力沿切向的分力提供了較大的切向接觸力滿足了滑移條件式(12)而產(chǎn)生滑移分離;對于碰撞式分離,黏附的小顆粒重力較小,小顆粒受到較大的接觸力沿法向從煤核表面飛離。本文的理論分析主要針對這種法向分離的情況。
碰撞中的法向阻尼力為
其中,cn為阻尼系數(shù)。由于濕顆粒間存在流體層,顆粒間的阻尼系數(shù)大于干顆粒。
則碰撞中小顆粒法向運(yùn)動方程為
由式(18)可見,碰撞后小顆粒的法向飛離速度與大小顆粒的質(zhì)量、剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)以及碰撞前的法向接近速度有關(guān),顆粒質(zhì)量越大,顆粒間的剛度系數(shù)越大,阻尼系數(shù)越小,碰撞后小顆粒獲得的飛離速度越大。
3.3 顆粒間的液橋拉伸斷裂
大小顆粒擠壓碰撞后,小顆粒獲得法向速度飛離大顆粒,飛離過程中隨著顆粒距離的增加,液橋被拉伸,液橋力發(fā)生變化但液橋體積保持不變。由于液橋力不是法向位移或法向速度的顯函數(shù),變化的液橋力對分離速度的影響難以描述。故先采用Mikami等[31]的回歸分析方法得到液橋力和液橋體積與顆粒間距的顯函數(shù)關(guān)系為式中,h為顆粒表面間距;γ為液體表面張力系數(shù);參數(shù)A,B和C為液橋體積V和顆粒半徑的函數(shù)。
對于兩球間,有
假設(shè)在液橋拉伸階段,顆粒只受到靜態(tài)液橋力和動態(tài)法向黏性力,則
微分方程式(22)沒有解析解,故運(yùn)用組合的4/5階龍格-庫塔-芬爾格算法求解了該方程在t=[0, 0.000 015]區(qū)間內(nèi)的數(shù)值解,可獲得分離速度和分離距離隨時間的變化關(guān)系。計算所用的參數(shù)主要按照實(shí)驗(yàn)情況取值:顆粒密度為1 500 kg/m3;顆粒半徑為0.1 mm;煤水接觸角30°;嵌入角40°。由于我國各礦區(qū)原煤的濕潤性差異較大[32-34],煤水接觸角在17°~68.5°,而式(9)只適用于固液接觸角小于40°的情況,故計算中取煤水接觸角為30°。若假設(shè)每個顆粒平均和周圍6個顆粒接觸,顆粒間有液橋,如圖7所示,則水分含量ωl和單個液橋體積V的關(guān)系為其中,ρp,ρw分別為煤和水的密度。則當(dāng)原煤水分ωl在7%~14%時,由式(5)和式(23)計算得到鉗位角φ在34.94°~42.06°,計算中φ取為40°(外水含量為11.47%)。對于黏附在煤核下半球的小顆粒(α∈(90°,270°)),聚團(tuán)與水平面碰撞后小顆粒相對大顆粒有法向飛離趨勢而直接發(fā)生液橋的拉伸斷裂。
4.1 分離條件和分離初速的影響
大小顆粒碰撞后小顆粒獲得的飛離速度v1n就是
圖7 接觸顆粒平面示意Fig.7 Schematic diagram of particle contacts
液橋拉伸過程中小顆粒的分離初速度vn0。圖8為初速度分別為0.90,1.14和1.35 m/s時分離速度隨顆粒間距的變化曲線??芍?分離速度隨著顆粒間距的增加而迅速減小,且顆粒間距越大,速度衰減越快,若在顆粒分離間距h達(dá)到hsci前速度衰減為0,則液橋不能斷裂,濕顆粒間無法實(shí)現(xiàn)分離。因此,濕顆粒的分離條件為當(dāng)h=hsci時,若vn<0,不可分離;當(dāng)h=hsci時,若vn>0,可分離;當(dāng)h=hsci時,若vn=0,恰可分離(臨界條件)。
圖8 不同分離初速度下分離速度隨分離距離的變化Fig.8 Separation velocity varies with separation distance in different initial velocities
令液橋拉伸過程中顆粒分離的最大間距為hmax,則分離條件可表示為若hmax<hsci,不可分離;若hmax>hsci,可分離;若hmax=hsci,則恰可分離(臨界條件)。
由圖8可知,分離初速度vn0越大,hmax越易接近或超過hsci,濕顆粒越容易分離。當(dāng)hmax=hsci時對應(yīng)的分離初速度vn0稱為臨界初速度,因此濕顆粒間要實(shí)現(xiàn)分離,需要施加一最小法向分離初速,在工業(yè)上可通過碰撞、振動、氣力等方式實(shí)現(xiàn)。要分離本文計算條件下的細(xì)粒煤,這一臨界分離初速度vcn0為 1.14 m/s。利用同樣的方法可得出分離不同類型的濕顆粒所需的臨界分離初速度,對工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備設(shè)計的有一定的參考和指導(dǎo)作用。
4.2 液橋體積的影響
濕顆粒的潮濕程度宏觀上通過水分含量來表示,而在微觀上通過兩顆粒間的液橋體積表示。圖9為顆粒粒徑、間距、固液接觸角一定時3個液橋體積下顆粒分離速度隨分離距離的變化。由于液橋斷裂距離與液橋體積有關(guān),3個液橋體積對應(yīng)3個斷裂距離??梢?液橋體積對分離速度的影響并不顯著,但液橋斷裂距離隨著液橋體積的增加而急劇變大。隨著液橋體積(水分含量)的增加,液橋的斷裂距離迅速增加而使得液橋不易被拉斷,濕顆粒聚團(tuán)的分離變得困難。因此,水分的增加使?jié)耦w粒難分離的主要原因是液橋難以斷裂造成的(hsci急劇增加),而并非顆粒液橋力的迅速增大。
圖9 不同液橋體積下分離速度隨分離距離的變化Fig.9 Separation velocity varies with separation distance in different liquid volume
4.3 顆粒粒徑的影響
圖10為液橋體積和固液接觸角一定時,不同粒徑的顆粒分離速度隨分離距離的變化關(guān)系。可知,顆粒粒徑越大,分離速度衰減越慢,濕顆粒的分離越容易。
圖10 不同半徑的顆粒分離速度隨分離距離的變化Fig.10 Separation velocity varies with separation distance for different size of granules
4.4 液橋個數(shù)的影響
如顆粒和周圍多個顆粒接觸,假設(shè)液橋形狀仍為鐘擺型且一個液橋僅作用于一對顆粒時,則多顆粒間液橋力的作用可以視為多對液橋力的疊加。圖11為顆粒受多對液橋力作用下的速度變化,其中N表示液橋數(shù)目,當(dāng)每對顆粒間都存在液橋時,則液橋數(shù)等于接觸的顆粒數(shù)。因此,顆粒堆積越密集,每個顆粒周圍接觸的顆粒越多,作用到每個顆粒的液橋力越多。由圖11可知,隨著液橋數(shù)目的增多,顆粒分離速度急劇衰減,當(dāng)h=hsci時,一個液橋力作用下的分離速度為0.853 m/s,2個液橋作用下速度減小到0.181 m/s,衰減了78.8%。
圖11 多個液橋作用下顆粒分離速度隨分離距離的變化Fig.11 Separation velocity varies with separation distance in multiple liquid bridges
(1)聚團(tuán)的碰撞分離因黏附顆粒重力的不同呈現(xiàn)兩種模式:碰撞式分離和重力-碰撞式分離。分離過程可分成聚團(tuán)與壁面的碰撞、小顆粒與大顆粒(煤核)的接觸碰撞以及液橋的拉伸斷裂3個階段。
(2)當(dāng)顆粒間的最大分離距離超過液橋的斷裂距離時,濕顆粒可實(shí)現(xiàn)分離。分離條件為:當(dāng)h=hsci時,vn≥0或hmax≥hsci。
(4)水分的增加使得濕顆粒難分離的主要原因是液橋難以斷裂(hsci急劇增加)造成的,而并非液橋力的迅速增大。
(5)濕顆粒的分離隨著碰撞速度的降低、顆粒粒徑的減小、水分的增加和接觸顆粒數(shù)的增多而變得困難。
[1] 陳清如,楊玉芬.21世紀(jì)高效干法選煤技術(shù)的發(fā)展[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,30(6):527-530.
Chen Qingru,Yang Yufen.Development of high effective dry coal beneficiation technology in 21st century[J].Journal of China University of Mining Technology,2001,30(6):527-530.
[2] 趙躍民,陳惜明,朱 紅.潮濕細(xì)粒物料的黏附模型研究[J].煤炭學(xué)報,2000,25(4):430-433.
Zhao Yuemin,Chen Ximing,Zhu Hong.Study on moist fine materials adhering model[J].Journal of China Coal Socity,2000,25(4): 430-433.
[3] 趙躍民,劉初升.彈性篩面上潮濕細(xì)粒煤炭篩分機(jī)理的研究.[J].煤炭學(xué)報,2000,25(S):206-209.
Zhao Yuemin,Liu Chusheng.Study on screening mechanism of moist fine coal on elastic screen surface[J].Journal of China Coal Society,2000,25(S):206-209.
[4] 陶秀祥,趙躍民,楊國華.潮濕細(xì)粒煤炭篩分過程堵孔機(jī)理的研究[J].煤炭學(xué)報,2000,25(2):96-99.
Tao Xiuxiang,Zhao Yuemin,Yang Guohua.Study on the mechanism of aperture blinding in the screening of moist fine coal[J].Journal of China Coal Socity,2000,25(2):96-99.
[5] 孫 乾,章新喜.潮濕煤炭水分對氣流分級效率的影響[J].洗選加工,2007,13(2):26-29.
Sun Qian,Zhang Xinxi.The affection of wet coal moisture on the efficiency of pneumatic classification[J].Washing Process,2007,13 (2):26-29.
[6] 鄧 鋒,章新喜,王進(jìn)松.一種新型煤炭干法分級設(shè)備的試驗(yàn)研究[J].煤炭技術(shù),2010,29(11):109-113.
Deng Feng,Zhang Xinxi,Wang Jinsong.Experiment study of a new dry classification equipment of coal[J].Coal Technology,2010,29 (11):109-113.
[7] Fu Jinsheng,Gavin K Reynolds,Michael J Adams.An experimental study of the impact breakage of wet granules[J].Chemical Engineering Science,2005,60:4005-4018.
[8] Horio M,Iwadatc Y.The prediction of sizes of agglomerates formed in fluidized beds[A].Proceeding 5th World Congress of Chemical Engineering,2nd Int.Particle Technology Forum[C].1996:722-731.
[9] Yang Y.Experiments and theory on gas and cohesive particles flow behavior and agglomeration in the fluidized bed system[D].Chicago:Illinois Institute of Technology,1991:109-114.
[10] 張文斌,祁海鷹,由長福.碰撞誘發(fā)顆粒團(tuán)聚及破碎的力學(xué)分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,42(12):1639-1643.Zhang Wenbin,Qi Haiying,You Changfu.Mechanical analysis of agglomeration and fragmentation of particles during collisions[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2002,42 (12):1639-1643.
[11] Thornton C,Liu L.How do agglomerates break?[J].Powder Technology,2004,143:110-116.
[12] Sergiy Antonyuk,Manoj Khanal,Jurgen Tomasa.Impact breakage of spherical granules:Experimental study and DEM simulation[J].Chemical Engineering and Processing,2006,45:838-856.
[13] Moreno R,Ghadiri M,Antony S J.Effect of impact angle on the breakage of agglomerates:A numerical study using DEM[J].Powder Technology,2003,130:132-137.
[14] Thornton C,Ciomocos M T,Adams M J.Numerical simulations of agglomerate impact breakage[J].Powder Technology,1996,105: 74-82.
[15] Lian G,Thornton C,Adams M J.Discrete particle simulation of agglomerate impact coalescence[J].Chemical Engineering Science, 1998,53:3381-3391.
[16] Mishra B K,Thornton C.Impact breakage of particle agglomerates [J].International Journal of Mineral Processing,2001,61:225-239.
[17] Fu J,Adams M J,Reynolds G K,et al.Impact deformation and rebound of wet granules[J].Powder Technology,2004,140:248-257.
[18] Fu J,Cheong G K,Reynolds G K,et al.An experimental study of the variability in the properties and quality of wet granules[J].Powder Technology,2004,140:209-216.
[19] Liu L,Kafui K D,Thornton C.Impact breakage of spherical,cuboidal and cylindrical agglomerates[J].Powder Technology,2010, 199:189-196.
[20] 董 勇,齊國杰,崔 琳.循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝中顆粒增濕團(tuán)聚現(xiàn)象的分析[J].動力工程,2009,29(7):661-675.
Dong Yong,Qi Guojie,Cui Lin.Analysis on agglomeration of humidified particles in CFB-FGD process[J].Journal of Power Engineering,2009,29(7):661-675.
[21] 陳惜明,趙躍民.潮濕細(xì)粒煤篩分過程中堵孔機(jī)理與解決辦法[J].江蘇煤炭,2002(2):33-35.Chen Ximing,Zhao Yuemin.Mechanism of clogging and possible solutions on moist fine materials being ccreened[J].Jiangsu Coal, 2002(2):33-35.
[22] Christopher D,Michael J.Capillary bridges between two spherical bodies[J].Langmuir,2000,16(24):9396-9405.
[23] Hotta K,Takeda K,Iinoya K.Capillary binding force of a liquid bridge[J].Powder Technology,1974,10:231-242.
[24] Lian G,Adamsand M J,Thornton C.Elastohydrodynamic collision of solid spheres[J].Journal of Fluid Meehaanies,1996,311:141-152.
[25] Davis R H,Serayssol J M,Hinch E J.The elastohydrodynamic collision of two spheres[J].J.Fluid Mech.,1986,163:479-497.
[26] Goldman A J,Cox R G,Brenner H.Slow viscous motion of asphere parallel to a plane wall-I.motion through a quiescent fluid[J].Chem.Engng.Sci.,1967,22:637-651.
[27] Lian G,Thornton C,Adams M J.Discrete particle simulation of agglomerate impact coalescence[J].Chemical Engineering Science, 1998,53:3381-3391.
[28] Lian G,Thornton C,Adams M J.A theoretical study of the liquid bridge forces between two rigid spherical bodies[J].J.Colloid Interface Sci.,1993,161:138-147.
[29] Lian G.Computer simulation of moist agglomerate collisions[D].Birmingham:The University of Aston,1994.
[30] Alberto Direnzo,Francesco Paolo Dimatio.Comparison of contactforce models for the simulation of collisions in DEM-based granular flow codes[J].Chemical Engineering Science,2004,4(17):51-59.
[31] Mikami T,Kamiya H,Horio M.Numerical simulation of cohesive powder behavior in a fluidized bed[J].Chemical Engineering Science,1998,53:1927-1940.
[32] 付萬軍,解興智,梁春豪.煤水平衡接觸角的影響因素研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002,30(2):58-60.
Fu Wanjun,Xie Xingzhi,Liang Chunhao.Research on affected factors of coal-water balance contact angle[J].Coal Science and Technology,2002,30(2):58-60.
[33] 傅 貴,秦風(fēng)華,閻保金.我國部分礦區(qū)煤的水潤濕性研究[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),1997,16(6):666-669.
Fu Gui,Qin Fenghua,Yan Baojin.The study on the water-wetting properties of coal from mines in China[J].Journal of Fuxin Mining Institue(Natural Science),1997,16(6):666-669.
[34] 傅 貴,袁海洋,解興智,等.煤體對純水吸收速度的影響因素分析[J].煤炭學(xué)報,1999,24(5):489-493.
Fu Gui,Yuan Haiyang,Xie Xingzhi,et al.Experimental analysis of affecting factors of coal on moisture absorbing rate[J].Journal of China Coal Socity,1999,24(5):489-493.
Impact breakage process and micro-mechanics of the wet fine coal agglomerates
JIAO Yang1,ZHANG Xin-xi2,KONG Fan-cheng3
(1.College of Science,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;3.Air Force Logistics College,Xuzhou 221000,China)
To improve the efficiency of classification and optimize the equipment,high-speed digital video imaging technique was used to gain an insight into the impact behavior of individual wet agglomerates against a horizontal target plate.Two failure patterns are observed:impact failure and gravity-impact failure,depends on the gravity of primary particles.The physical process of breakage and micro-mechanics in wet agglomerates were studied using contact mechanics theory and liquid bridge theory.It is found that the impact breakage of wet agglomerates can be divided into three phases:impact of agglomerates with a target plate,impact of core particles with adhesive granules and the rupture of liquid bridge.The impact against a plate results in a heterogeneous distribution of primary particle velocities and a tendency of separation.Separations of granules bring about stretch and rupture of liquid bridge.If the maximum separation distance exceeds the rupture distance of liquid bridge,breakage happens and the breakage needs a critical normal initial velocity.Breakage of wet agglomerates gets difficult with the decrease of impact velocity and particle size,as well as the increase of the water content and particle contacted.
wet agglomerates;impact;breakage;liquid bridge
TQ53
A
0253-9993(2014)10-2092-08
2013-11-04 責(zé)任編輯:張曉寧
國家自然科學(xué)基金委員會創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項目(50921002);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2010CB226805)
焦 楊(1977—),女,江蘇揚(yáng)州人,講師。E-mail:jiaoyangcumt@126.com
焦 楊,章新喜,孔凡成.潮濕細(xì)粒煤聚團(tuán)碰撞分離的物理過程和微觀力學(xué)機(jī)制[J].煤炭學(xué)報,2014,39(10):2092-2099.
10.13225/j.cnki.jccs.2013.1612
Jiao Yang,Zhang Xinxi,Kong Fancheng.Impact breakage process and micro-mechanics of the wet fine coal agglomerates[J].Journal of China Coal Society,2014,39(10):2092-2099.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1612