新型無壓給料三產品重介質旋流器的流場模擬研究

徐永生

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

新型無壓給料三產品重介質旋流器的流場模擬研究

徐永生

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

應用計算流體力學技術對無壓給料三產品重介質旋流器的流場進行了模擬研究，得出在其他條件相同的情況下，新型無壓給料三產品重介質旋流器相比傳統的無壓給料三產品重介質旋流器具有切向速度、軸向速度和壓強均高，徑向速度低等優點。

我國粉煤灰每年的排放量約有 選煤 流場數值模擬 計算流體力學

目前，以大型無壓給料三產品重介質旋流器為代表的重介質分選技術及設備在我國選煤界越來越受到重視。?1200/850、?1300/920、?1400/1000和?1500/1100等大直徑重介質旋流器相繼投入生產，分選上限可達120 mm，單臺處理能力最大可達550～700 t/h，拓展了重介質旋流器的分選范圍。但在實際生產中，傳統無壓給料三產品重介質旋流器還存在分選效率不夠理想、功耗大、磨損快等技術問題。因此，加強重介質旋流器選煤過程的理論研究，揭示其結構參數對分選效果的影響具有重要的指導意義，本文使用ANSYS FLOTRAN計算流體動力學（CFD）軟件對重介質旋流器的流場進行了研究。

1 重介質旋流器CFD數值模擬研究現狀

傳統的旋流器設計及研發工作，主要依靠經驗和試驗來確定結構參數和工藝參數，開發周期長、投入大。應用CFD技術對三產品重介質旋流器的內部流場進行模擬，可從流場分析中及早發現工程設計中存在的不足，顯著縮短設計周期、降低研發成本。國內外學者在這方面已做了一定的探索工作，初步展示了CFD技術在產品開發方面的優越性。

2 無壓給料三產品重介質旋流器內懸浮液流場模擬研究

傳統無壓給料三產品重介質旋流器（以下簡稱傳統旋流器）是由圓筒型或圓筒—圓錐型串聯而成，見圖1，一段旋流器的余壓、濃縮效果和二段旋流器的分選密度都不是很理想。為改變這一情況，本文提出了將一段圓筒型結構改為圓錐型結構的新型無壓給料三產品重介質旋流器（以下簡稱新型旋流器）的研究思路，并進行了數值模擬，見圖2。

對重介質旋流器進行數值模擬主要是為了研究旋流器內速度場和壓力場的分布狀況，從而為重介質旋流器的設計提供理論依據。重介質旋流器中懸浮液旋流的速度通常分解為切向速度、徑向速度和軸向速度三個分速度。其中，切向速度和徑向速度是決定物料按密度分層的主要動力，具有較強的實際意義，前者決定離心力的大小，被認為是旋流器內3個分速度中最重要的一個，后者決定懸浮液徑向移動動壓力。懸浮液的軸向速度則決定分選產品在內螺旋上升流和外螺旋下降流中的位移時間。為使研究更具針對性，論文重點對結構參數變化較大的旋流器一段距入介口500 mm截面處的切向速度、徑向速度、軸向速度和壓強進行對比研究，選用的兩種旋流器的結構參數如表1。旋流器一段切向速度、徑向速度、軸向速度和壓強的對比研究模擬結果如圖3～圖6所示。從圖3～圖6分析得出：

表1 傳統旋流器、新型旋流器一段結構參數

（1）切向速度隨著半徑的增大不斷增大，在回轉半徑和溢流管內徑相同時達到最大，但在空氣柱邊緣時又會增加。在入料速度相同的情況下（懸浮液循環量相同），傳統旋流器內的切向速度普遍低于新型旋流器內的切向速度，這表明在達到相同分選效果的情況下，后者比前者能耗要低，外螺旋流的濃縮效果也更好，旋流器的局部磨損也更小。

（2）傳統旋流器與新型旋流器的徑向速度在空氣柱范圍內相差不大，但在遠離空氣柱分選面到旋流器壁面的范圍內，前者比后者的徑向速度要高。顆粒在旋流器中分選時要在徑向上分層，且分層的時間要比顆粒在旋流器中停留的全部時間短很多。當軸向速度和切向速度一定時，徑向速度越小，顆粒物料的分層時間越多，相近物料誤入相對產品的機會越少，分選的精度也越高。因而，新型旋流器的分層時間要比傳統旋流器長，分選效果在相同條件下也會更好。

（3）在內螺旋上升流區域，特別是在空氣柱范圍內，新型旋流器的軸向速度高于傳統旋流器內的軸向速度，這使新型旋流器空氣柱范圍內流體從溢流口的排出速度大大加快，部分流體在旋流器內的停留時間縮短，處理量相對增大。

（4）在邊界條件、運行條件和位置相同的情況下，新型旋流器的壓強比傳統旋流器的壓強更高，這更有利于物料的充分分選。

（5）出現上述現象主要是由于在相同邊界和運行條件下，新型旋流器小的錐體角度產生了獨特的內部分選場，在保證進入二段余壓的條件下，起到了增加濃縮效果的作用。

3 新型旋流器的分選實踐

利用以上模擬研究成果，依據內蒙古慶華集團百靈選煤廠的原煤特性和產品要求，天地科技有限公司唐山分公司設計了3SNWX1400－880/850重介質旋流器，進行了工業試驗，并與傳統的3SNWX 1200/850型重介質旋流器進行了對比，結果表明：

（1）新型旋流器的處理能力為303 t/h，遠遠超過傳統旋流器，更適于現有選煤廠的升級改造和大型選煤廠的工藝設計。

（2）在處理分選密度±0.1 mm含量為28.51%的難選煤時，新型旋流器的數量效率為97.73%，傳統旋流器的數量效率為95.47%，這說明新型旋流器在分選難選煤時的分選效果更好。

（3）新型旋流器的均方差、可能偏差都比傳統旋流器要低，說明其分選精度更高，適應性更強。

（4）新型三產品重介質旋流器要求的入介壓力低于傳統的三產品重介質旋流器，故其設備磨損小，使用壽命長，能耗也較低。從測試數據可知，新型三產品重介質旋流器比傳統三產品重介質旋流器能耗低24 kW，以每度電0.51元，每天生產16 h，一年按工作330 d計算，年節約電費6.46萬元。

4 結論

新型旋流器與傳統旋流器相比，具有切向速度、軸向速度大，壓強高，徑向速度低等優點，可為現有各規模選煤廠的技術升級改造和新廠建設提供一種高效率、低成本、高效益的裝備。

Simulation on flow field of the unpressurized feeding three－product dense medium cyclone

Xu Yongsheng
（Tangshan Branch Company，Tiandi Science and Technology Co.Ltd.，Tangshan，Hebei 063012，China）

Simulation on flow field of the unpressurized feeding three－product dense medium cyclone was studied by computational fluid mechanics，and the results show：when the other cases being equal，the new unpressurized feeding three－product dense medium cyclone has high tangential velocity，high axial velocity，high pressure and low Doppler speed compared with the conditional one.

unpressurized feeding three－product dense medium cyclone，coal preparation，numerical simulation，computational fluid mechanics

TD942

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徐永生（1972－），男，碩士研究生，高級工程師，現在天地科技股份有限公司唐山分公司從事選煤廠設計與管理工作。

（責任編輯 張毅玲）