一種新的磁懸浮選煤方法減少污染改善環境

袁金娟 郝國法

我國是一個煤炭資源豐富的國家，在一次性生產和消費結構中，煤炭占70%左右。而且，在未來很長一段時間內，煤炭仍將是我國的主要能源。受技術、經濟及安全等諸多因素的影響，在全世界范圍內，電力的生產主要還是依賴燃煤，煤炭燃燒的過程中會產生大量的有害硫化物，造成環境污染，影響人們的生存環境，影響人類的健康。這些硫化物的主要來源是煤矸石，因此從原煤中選出精煤、去除煤矸石，將會大大減少由于燃煤而產生的硫化物，改善我們的生存環境。

選煤技術是煤炭潔凈技術的基礎，通過對煤炭的初步加工，可以提高煤炭質量，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。選煤技術是根據原煤的不同組成成分之間，在密度、表面物理化學性質以及其他方面的差異進行煤炭產品的加工過程。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應用中不可忽視的物質，因為在煤炭燃燒過程中會生成二氧化硫，成為酸雨的主要來源。焦炭中的硫使生鐵生產過程中增加石灰的消耗，增大能量消耗，影響生鐵的質量。通過選煤技術可以改善煤炭的質量，使煤炭資源得到合理有效的利用。發展煤炭潔凈技術，能夠獲得巨大的社會效益和經濟效益。因此選煤是非常有必要的，本文在參照傳統選煤方法的基礎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，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。選煤過程在水、重液和懸浮液中進行的叫濕法選煤；選煤過程在空氣中進行的叫干法選煤。國內外采用的選煤技術主要有重介質、跳汰、浮選及干法選煤。我國地域廣闊，煤炭資源豐富、品種多，煤質差異大，因而上述方法均有應用。

1.重介質選煤技術。重介質選煤是在密度介于精煤和煤矸石的重介質懸浮液中按照阿基米德原理進行分選的方法。經過幾十年的科學研究和生產實踐，重介質選煤技術日趨成熟，重介質旋流器技術取得了較大進展。

2.跳汰選煤技術。跳汰選煤是利用強烈振動造成的垂直交變介質（通常是水或空氣）流，使礦粒按相對密度分層并通過適當方法分別收取輕重礦物，以達到分選目的的重力選礦過程。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。浮選工藝是利用物質表面的物理化學性質的差別分選礦物顆粒的工業工程。浮選選煤技術主要用于煉焦煤和高爐噴吹無煙煤的選煤。“十五”國家科技攻關項目“帶有礦漿預礦化器的機械攪拌是浮選機”就是采用這一技術。

4.干法選煤技術。干法選煤包括流化床選煤和風力選煤。我國、加拿大和日本先后發展了重介質流化床干法選煤技術。中國礦業大學完成并通過了“空氣重介質流化床干法選煤技術”。

濕法選煤和干法選煤方法雖然有很多優點，但也存在不足之處，濕法選煤會消耗大量的水并造成污染，干法選煤雖然污染較小，但會消耗大量能源且較難控制，容易造成工業事故。它們有著一個共同點——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，因而不會像濕選那樣消耗大量的水源并造成污染；也不會像采用空氣動力選煤法那樣消耗大量的動力，更節省能源。因此磁懸浮選煤方法的研究，將會產生巨大的社會效益和經濟效益。

二、磁懸浮選煤方法

1.磁懸浮技術的原理。磁懸浮技術是指利用磁場力克服物體的重力，從而使物體懸浮的一種技術。磁懸浮技術又可分為主動磁懸浮技術、被動磁懸浮技術、混合磁懸浮技術和超導磁懸浮技術等。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。當然，實際應用中，也可以混合這二種方式，達到同時“推”和“拉”的效果。磁懸浮分為常導磁懸浮和超導磁懸浮，其中超導磁懸浮利用的是超導體的抗磁性產生的抗磁力，來克服重力實現懸浮。

本文所述的磁懸浮原理，是將線圈在一個非金屬圓柱體表面上環繞成一個螺旋管，通電后形成通電螺旋管，通電螺旋管周圍產生空間磁場，根據安培的右手螺旋定則，可以確定磁場的磁極方向。磁鐵粉可以看作是一個磁體，本身具有N極和S極，控制通電螺旋管的電流方向，使通電螺旋管產生的內部磁場的N極和磁鐵粉的N極之間產生同名磁極相斥，從而達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生的內部磁場中的懸浮特性，形成一個磁鐵粉層，在原煤進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，其基本的框圖架構如圖1所示。

整個選煤系統，主要分為5個部分，分別是交流電輸入部分、變頻器部分、固態繼電器部分、開關電路部分和圓柱體選煤裝置部分。該系統的工作原理為：通過變頻器調節交流電的輸入頻率，達到調節固態繼電器輸出電壓的目的，從而可以控制開關電路的通斷。當開關電路處于通路時，非金屬圓柱體內部產生磁場，磁鐵粉懸浮；當開關電路處于斷路時，非金屬圓柱體內部磁場消失，磁鐵粉自由下落。在非金屬圓柱體內部放入一根金屬管，在通電線圈內，金屬管被磁化，產生磁場，當開關電路斷路時，金屬管的磁化磁場逐漸消失，此時磁鐵粉作自由下落運動，由于在下落過程中，磁鐵粉切割金屬管的磁化磁場的磁感線，致使其下落速度減慢，而煤矸石作自由落體運動，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。

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系，頻率越高，電流越小，環繞的線圈可以看作一個螺旋管，輸入電流的不同，會導致通電螺旋管產生的磁場大小的不同，圓柱體選煤裝置簡而言之是一個繞有線圈的非金屬圓筒，為了在線圈通電后改變磁場分布，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，使螺旋管內部的磁場N極和磁鐵粉的N極同方向，根據同名磁極相互排斥的原理，在合適大小的磁場力作用下，磁鐵粉會懸浮于圓柱體金屬管內部，電流越大，磁場越大，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，根據煤和煤矸石的比重不同，原煤在進入磁鐵礦粉形成的懸浮介質后，由于煤的比重小，煤矸石比重大，煤矸石會沉入懸浮介質中，而煤則浮于懸浮介質之上。

當開關電路處于通路時，螺旋管內部產生磁場，磁鐵粉層處于懸浮狀態，當開關電路處于斷路時，螺旋管內部沒有磁場，磁鐵粉層在其自身重力的作用下，處于下落狀態，只要控制好開關電路的通斷時間，在磁鐵粉層落到圓柱體金屬管底部之前，導通開關電路，使螺旋管內部產生磁場，那么此時磁鐵粉層將再次處于懸浮狀態，通過開關電路的不停通斷，可以使得磁鐵粉層處于上下往復的運動過程，從而可以實現篩選煤和煤矸石的效果。

三、結語

磁懸浮選煤機理及方法在理論上是正確可行的，課題組經驗證性實驗，采用磁懸浮的方法，將煤和煤矸石成功分離。但該課題實際上比較復雜，非金屬圓筒上繞線圈的匝數、電源頻率以及開關啟停時間控制等問題都需要我們做很大努力，花很多時間去實驗、研究和調節，硬件系統必不可少。

（作者單位：武漢科技大學城市學院）