袁金娟 郝國(guó)法

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源豐富的國(guó)家，在一次性生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占70%左右。而且，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是我國(guó)的主要能源。受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及安全等諸多因素的影響，在全世界范圍內(nèi)，電力的生產(chǎn)主要還是依賴燃煤，煤炭燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害硫化物，造成環(huán)境污染，影響人們的生存環(huán)境，影響人類的健康。這些硫化物的主要來(lái)源是煤矸石，因此從原煤中選出精煤、去除煤矸石，將會(huì)大大減少由于燃煤而產(chǎn)生的硫化物，改善我們的生存環(huán)境。

選煤技術(shù)是煤炭潔凈技術(shù)的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)煤炭的初步加工，可以提高煤炭質(zhì)量，提高煤炭的利用效率，有效地降低煤炭燃燒后污染物的排放量。選煤技術(shù)是根據(jù)原煤的不同組成成分之間，在密度、表面物理化學(xué)性質(zhì)以及其他方面的差異進(jìn)行煤炭產(chǎn)品的加工過(guò)程。選煤主要以物理方法為主，清除原煤中不需要的部分，降低煤的灰分和硫分。硫分是煤炭加工和工業(yè)應(yīng)用中不可忽視的物質(zhì)，因?yàn)樵诿禾咳紵^(guò)程中會(huì)生成二氧化硫，成為酸雨的主要來(lái)源。焦炭中的硫使生鐵生產(chǎn)過(guò)程中增加石灰的消耗，增大能量消耗，影響生鐵的質(zhì)量。通過(guò)選煤技術(shù)可以改善煤炭的質(zhì)量，使煤炭資源得到合理有效的利用。發(fā)展煤炭潔凈技術(shù)，能夠獲得巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此選煤是非常有必要的，本文在參照傳統(tǒng)選煤方法的基礎(chǔ)上提出一種新的選煤方法——磁懸浮選煤方法。

一、常用的選煤方法

世界范圍內(nèi)，常用的選煤方法有多種，可分為兩大類：濕法選煤和干法選煤。選煤過(guò)程在水、重液和懸浮液中進(jìn)行的叫濕法選煤；選煤過(guò)程在空氣中進(jìn)行的叫干法選煤。國(guó)內(nèi)外采用的選煤技術(shù)主要有重介質(zhì)、跳汰、浮選及干法選煤。我國(guó)地域廣闊，煤炭資源豐富、品種多，煤質(zhì)差異大，因而上述方法均有應(yīng)用。

1.重介質(zhì)選煤技術(shù)。重介質(zhì)選煤是在密度介于精煤和煤矸石的重介質(zhì)懸浮液中按照阿基米德原理進(jìn)行分選的方法。經(jīng)過(guò)幾十年的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，重介質(zhì)選煤技術(shù)日趨成熟，重介質(zhì)旋流器技術(shù)取得了較大進(jìn)展。

2.跳汰選煤技術(shù)。跳汰選煤是利用強(qiáng)烈振動(dòng)造成的垂直交變介質(zhì)（通常是水或空氣）流，使礦粒按相對(duì)密度分層并通過(guò)適當(dāng)方法分別收取輕重礦物，以達(dá)到分選目的的重力選礦過(guò)程。跳汰選煤是處理密度差較大的粗粒礦石最有效的重選方法之一。

3.浮選選煤技術(shù)。浮選工藝是利用物質(zhì)表面的物理化學(xué)性質(zhì)的差別分選礦物顆粒的工業(yè)工程。浮選選煤技術(shù)主要用于煉焦煤和高爐噴吹無(wú)煙煤的選煤?！笆濉眹?guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“帶有礦漿預(yù)礦化器的機(jī)械攪拌是浮選機(jī)”就是采用這一技術(shù)。

4.干法選煤技術(shù)。干法選煤包括流化床選煤和風(fēng)力選煤。我國(guó)、加拿大和日本先后發(fā)展了重介質(zhì)流化床干法選煤技術(shù)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)完成并通過(guò)了“空氣重介質(zhì)流化床干法選煤技術(shù)”。

濕法選煤和干法選煤方法雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處，濕法選煤會(huì)消耗大量的水并造成污染，干法選煤雖然污染較小，但會(huì)消耗大量能源且較難控制，容易造成工業(yè)事故。它們有著一個(gè)共同點(diǎn)——都需要消耗大量的能源。本文致力于探究出一種新的選煤方法——磁懸浮選煤方法，該方法選煤幾乎不用水，因而不會(huì)像濕選那樣消耗大量的水源并造成污染；也不會(huì)像采用空氣動(dòng)力選煤法那樣消耗大量的動(dòng)力，更節(jié)省能源。因此磁懸浮選煤方法的研究，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

二、磁懸浮選煤方法

1.磁懸浮技術(shù)的原理。磁懸浮技術(shù)是指利用磁場(chǎng)力克服物體的重力，從而使物體懸浮的一種技術(shù)。磁懸浮技術(shù)又可分為主動(dòng)磁懸浮技術(shù)、被動(dòng)磁懸浮技術(shù)、混合磁懸浮技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)等。使物體懸浮，一般有兩種方式，一種為“推斥式”，一種為“吸拉式”，前者是利用同名磁極相互排斥，從而克服物體重力，后者是利用異名磁極相互吸引，從而克服物體重力。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，也可以混合這二種方式，達(dá)到同時(shí)“推”和“拉”的效果。磁懸浮分為常導(dǎo)磁懸浮和超導(dǎo)磁懸浮，其中超導(dǎo)磁懸浮利用的是超導(dǎo)體的抗磁性產(chǎn)生的抗磁力，來(lái)克服重力實(shí)現(xiàn)懸浮。

本文所述的磁懸浮原理，是將線圈在一個(gè)非金屬圓柱體表面上環(huán)繞成一個(gè)螺旋管，通電后形成通電螺旋管，通電螺旋管周圍產(chǎn)生空間磁場(chǎng)，根據(jù)安培的右手螺旋定則，可以確定磁場(chǎng)的磁極方向。磁鐵粉可以看作是一個(gè)磁體，本身具有N極和S極，控制通電螺旋管的電流方向，使通電螺旋管產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)的N極和磁鐵粉的N極之間產(chǎn)生同名磁極相斥，從而達(dá)到將磁鐵粉懸浮的效果。

2.磁懸浮選煤方法。就是利用磁鐵粉在通電螺旋管產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)中的懸浮特性，形成一個(gè)磁鐵粉層，在原煤進(jìn)入繞有線圈的非金屬圓柱體后，由于煤和煤矸石的比重不同，煤浮于磁鐵粉層之上，而煤矸石則沉入磁鐵粉層之下，從而達(dá)到選煤的目的。

本文提出的一種磁懸浮選煤方法，其基本的框圖架構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)選煤系統(tǒng)，主要分為5個(gè)部分，分別是交流電輸入部分、變頻器部分、固態(tài)繼電器部分、開(kāi)關(guān)電路部分和圓柱體選煤裝置部分。該系統(tǒng)的工作原理為：通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)交流電的輸入頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器輸出電壓的目的，從而可以控制開(kāi)關(guān)電路的通斷。當(dāng)開(kāi)關(guān)電路處于通路時(shí)，非金屬圓柱體內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁鐵粉懸??；當(dāng)開(kāi)關(guān)電路處于斷路時(shí)，非金屬圓柱體內(nèi)部磁場(chǎng)消失，磁鐵粉自由下落。在非金屬圓柱體內(nèi)部放入一根金屬管，在通電線圈內(nèi)，金屬管被磁化，產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路斷路時(shí)，金屬管的磁化磁場(chǎng)逐漸消失，此時(shí)磁鐵粉作自由下落運(yùn)動(dòng)，由于在下落過(guò)程中，磁鐵粉切割金屬管的磁化磁場(chǎng)的磁感線，致使其下落速度減慢，而煤矸石作自由落體運(yùn)動(dòng)，這樣磁鐵粉以及其上的煤的下落速度小于煤矸石的下落速度，從而把煤矸石從磁鐵粉中分離出來(lái)。

通電線圈在交流電電壓不變的情況下，與交流電的頻率呈反比例關(guān)系，頻率越高，電流越小，環(huán)繞的線圈可以看作一個(gè)螺旋管，輸入電流的不同，會(huì)導(dǎo)致通電螺旋管產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小的不同，圓柱體選煤裝置簡(jiǎn)而言之是一個(gè)繞有線圈的非金屬圓筒，為了在線圈通電后改變磁場(chǎng)分布，在其中放入了一根金屬管。通電后，在非金屬圓筒中加入磁鐵礦粉，控制交流電的電流方向，使螺旋管內(nèi)部的磁場(chǎng)N極和磁鐵粉的N極同方向，根據(jù)同名磁極相互排斥的原理，在合適大小的磁場(chǎng)力作用下，磁鐵粉會(huì)懸浮于圓柱體金屬管內(nèi)部，電流越大，磁場(chǎng)越大，即控制電流大小可以控制懸浮的磁鐵礦粉的密度大小，在懸浮的磁鐵粉密度大小合適的情況下，根據(jù)煤和煤矸石的比重不同，原煤在進(jìn)入磁鐵礦粉形成的懸浮介質(zhì)后，由于煤的比重小，煤矸石比重大，煤矸石會(huì)沉入懸浮介質(zhì)中，而煤則浮于懸浮介質(zhì)之上。

當(dāng)開(kāi)關(guān)電路處于通路時(shí)，螺旋管內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁鐵粉層處于懸浮狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路處于斷路時(shí)，螺旋管內(nèi)部沒(méi)有磁場(chǎng)，磁鐵粉層在其自身重力的作用下，處于下落狀態(tài)，只要控制好開(kāi)關(guān)電路的通斷時(shí)間，在磁鐵粉層落到圓柱體金屬管底部之前，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)電路，使螺旋管內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么此時(shí)磁鐵粉層將再次處于懸浮狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路的不停通斷，可以使得磁鐵粉層處于上下往復(fù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而可以實(shí)現(xiàn)篩選煤和煤矸石的效果。

三、結(jié)語(yǔ)

磁懸浮選煤機(jī)理及方法在理論上是正確可行的，課題組經(jīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，采用磁懸浮的方法，將煤和煤矸石成功分離。但該課題實(shí)際上比較復(fù)雜，非金屬圓筒上繞線圈的匝數(shù)、電源頻率以及開(kāi)關(guān)啟停時(shí)間控制等問(wèn)題都需要我們做很大努力，花很多時(shí)間去實(shí)驗(yàn)、研究和調(diào)節(jié)，硬件系統(tǒng)必不可少。

（作者單位：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院）