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煤粒经超细粉碎之后得到的煤粉是制备工业用水煤浆的主要原料。由于传统干法粉碎(主要是机械粉碎)存在诸多亟待解决的问题,从而为湿法水射流超细粉碎技术的应用与发展带来了契机,因此探究湿法超细粉碎煤粒机理、提高煤粉超细粉碎质量和效率,对于煤炭深加工、实现其洁净化利用具有重要的理论和实践意义。
在现有粉体超细粉碎机理分析研究的基础上,认为湿法水射流粉碎煤粒过程主要是压力释放作用、冲击作用及空化和空蚀的剪切作用等共同作用的结果。并在准静态条件下基于弹性力学及 Hertz接触理论推导出了煤粒冲击刚性靶板粉碎的临界速度,其大小分别与其杨氏模量的-2 次方、泊松比的 4 次方、屈服应力的 2.5 次方及密度的-0.5次方成正比,而与煤粒的直径无关。
数值模拟研究中,得到了前混合水射流超细粉碎煤粒的过程。包括:①利用计算流体力学(CFD)商业软件FLUENT模拟得到了前混合水射流中空化角形喷嘴内二维定常流场速度、压力分布及煤粒运动轨迹等信息。初步得出了前混合水射流中煤粒增速效果明显,喷嘴出口处煤粒速度能达到水射流速度的97.8%,并且煤粒粒度愈小,煤粒与水之间的混合效果愈好,但粒度小的煤粒在输运过程中不易靠近轴线的结论;②利用显式算法有限元程序LS-DYNA模拟得到了山西西山典型煤粒冲击,刚性靶板超细粉碎的临界速度(与理论计算结果基本吻合)、煤粒破碎过程中裂纹扩展情况及煤粒在低速冲击靶板过程中存在压力释放作用,证明了煤粒超细粉碎的确是冲击、压力释放等综合作用的结果。
利用淹没条件下前混合水射流超细粉碎实验分别得到了在不同压力、料浆比、循环次数三种工况条件下煤粒的超细粉碎效果,经过电镜扫描及粒度测定分析,最后利用数据处理软件 Origin 最小二乘原理对实验数据进行了曲线拟合研究,建立了粉碎粒度小于10μ-20μm的煤粒产率与各粉碎因素之间的数学关系式。
本文通过理论分析、数值模拟及实验研究方法分析了前混合水射流超细粉碎煤粒机理及煤粒超细粉碎影响因素,研究得到的结论对深入研究湿法前混合水射流超细粉碎煤粒及其他物料、研制高性能喷嘴都具有较好的指导意义和借鉴价值。