液電脈沖激波碎煤能量轉換效率分析

劉 毅，吳敏干，林福昌，孫建軍，劉思維,任益佳

(1.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

開發基于液中高壓脈沖放電的碎煤新技術對于輔助制取超純煤和煤層氣開采等工程應用具有重要意義[1-2]。液中高壓脈沖放電破碎包含液電式破碎和電動式破碎2種形式，液電式破碎利用液電效應輻射出的強烈激波破碎固體；電動式破碎是利用高電壓、快脈沖(上升時間<500 ns)作用下固體介質絕緣強度低于液體介質，在固體內部擊穿形成放電等離子體通道，通道快速膨脹產生應力，從而使固體發生破碎。電動式破碎較液電式具有更低的能耗，但需要重復頻率輸出更高電壓(100 kV量級)的快脈沖(<500 ns)[3-4]，對脈沖功率電源提出了極高的要求，研制與維護成本高，難以滿足工業應用的需求。液電效應可在較低電壓(10 kV量級)、微秒脈沖(10 μs 量級)作用下產生，隨著脈沖晶閘管等半導體器件性能的提升，現有的脈沖功率電源可實現重復頻率輸出強力激波，具有較低的成本與工業應用可行性[5]。

液電脈沖激波以純物理的方式作用于煤塊，具有高效環保、可選擇性等優點，其強度隨著傳播距離衰減較快，作用范圍有限。重復頻率激波作用于煤塊時，后加載激波在煤塊微裂縫(微缺陷)表面產生瞬時切向拉應力，當動態應力強度因子大于煤塊的斷裂韌度時，誘導微裂縫起始并動態擴展[6-7]。激波的重復施加進一步造成煤力學性質的疲勞效應，在相對較低的激波作用下即可實現宏觀裂縫和微裂縫的不斷擴展而形成裂縫網絡，使煤塊發生解體破碎[8-9]。重復頻率的液電脈沖激波作用于煤塊，可有效改變孔隙結構與提高滲透率，有利于煤層氣開采[10-11]。利用液電脈沖激波破碎菱鎂礦石，作用方式主要是解離破碎和混合破碎，有利于菱鎂礦石的后續分選和資源化利用[12]。昆士蘭大學JK礦物研究中心利用高壓脈沖放電預處理礦石，指出液電式破碎礦石的效率是實際應用中需要考慮的關鍵問題[13]。……