煤炭是我国重要的一次能源,也是国家经济建设和发展的基础保障。但是煤炭在开发与利用过程中造成了一系列环境问题,这不仅阻碍了煤炭产业的发展,也违背了我国环保国策的初衷。因此,开展洁净煤技术的研究与应用是符合我国国情,促进煤炭资源的可持续稳定发展的必然选择。结合我国煤炭资源与水资源分布的区域差异性,考虑到我国未来煤炭产业向西北部发展的战略,一系列的干法选煤技术特别是气固流态化干法选煤技术正逐渐得以发展和推广。目前,流态化干法选煤技术的一些基础理论研究尚有不足之处,尤其是气固流化床层中复杂的多尺度多组分体系以及各组分物质的扩散行为并没有得到深入的研究,这对于提高流化床层的分选精度,促进流态化干法选煤技术的工业化推广是极其不利的。针对上述问题,本文开展了气固流态化系统中多组分物质扩散行为及相互之间的协同作用的基础研究。基于PGM模型、Tanaka判定公式以及郭慕孙分级与混合转换理论等三种混合判别公式,结合试验研究构建了适合于流态化分选的二元加重质流化床层。探索了二元加重质颗粒在流化床层中的混合机制:混合过程是以横向混合为主导,轴向混合为辅。其中气泡的上升过程促进了加重质颗粒的轴向混合,而气泡在床层表面的破裂抛洒作用及床层的起伏波动特性是加重质颗粒完成横向混合的关键。同时,利用库仑扩散方程拟合得出煤加重质颗粒的横向扩散系数,其有效横向扩散系数随气速呈指数关系递增,而与床层高度的关联性不明显。利用团聚机理阐述了加重质颗粒自身、煤炭与加重质颗粒之间的水分传递过程。基于电容层析成像技术,分析了外来水分在流化床层中的传递规律。水分主要是通过入选煤炭的携带从而进入到床层中,其存在方式主要为颗粒间的游离水分以及煤炭的外在水分,两者一般都是以团聚物的形式存在,所不同的是游离水所形成的团聚物主要是以加重质颗粒为主体,在自身重力及床层气泡的作用下倾向于向床层下边壁移动。而煤炭的表面水分所形成的团聚物是以黏附煤炭表面的形式为主,且由于自身密度的差异,其中低密度煤炭形成的团聚物主要集中于床层上部,而高密度煤炭形成的团聚物主要下落至床层的底部。最终,水分是随着团聚物的移动在流化床中完成传递过程。分析了煤炭颗粒在流化床层中的受力作用,进而研究了煤炭颗粒在流化床层中的分层过程:低密度煤炭在进入床层后在很短的时间内即达到最终位置,分选时间的延续对于低密度煤炭的影响作用较小。而高密度煤炭的沉降系数的演变规律主要分为三类:低气速下(u<10.81cm/s)的快速降低区,中间气速下(10.81cm/s<u<12.78cm/s)时的动态平衡区以及高速下(u>12.78cm/s)的波动区。阐述了在分层过程中煤炭错配现象的形成机理,指出气泡对于煤炭的错配行为具有显著的影响。揭示了煤炭分层过程中流化床层流化特性对其的响应机制。介绍了在连续式气固分选流化床中刮板附近区域流场的流体动力学特性,探讨了了刮板速度、流化气速等相关影响因素。同时分析了在刮板作用下不同区域的颗粒碰撞压力方向及大小,为预测颗粒的运动轨迹提供了依据。此外采用分区域取样法探索了煤炭颗粒在流化床层中的迁移分布规律,明确了煤炭颗粒在流化床层中的迁移分布主要是由大循环及小循环构成。其中大循环包括上层精煤流和下层矸石流,上层精煤流的主要运行动力是由精煤端的溢流及矸石端的加重质回流提供,而下层矸石流是由刮板的横向带动作用造成的。在煤炭颗粒在形成大循环迁移的过程中,由于刮板运行造成的旋涡存在,在刮板的附近区域中形成了中下部区域的涡流即小循环。煤炭颗粒在大循环和小循环的带动作用下最终完成了在整个流化床层中的迁移过程,从而实现了整个分选过程。最后,采用正交试验对多因素协调作用下煤炭在流化床层的分选效果进行了分析,为进一步提高流化床层的分选精度提供理论依据。该论文有图103幅,表21个,参考文献209篇。