新型煤泥分級用旋流器的研究

單 超

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

新型煤泥分級用旋流器的研究

單 超

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

研究設計一種帶有蝸殼分離室來提高分級效率的新型旋流器，并利用計算流體動力學技術對其內部流場進行三維數值模擬研究，分析壓力場、速度場、密度場的分布規律。

分級 旋流器 分級效率

在選煤廠的工藝系統中，煤泥的處理是一個重要環節。分級旋流器以其工藝簡單、操作維護方便、濃縮效果好等特點，廣泛應用于選煤行業煤泥水處理工藝環節。目前傳統的分級旋流器在某些方面還不能適應選煤廠的要求，主要是對分級旋流器的理論和實踐研究并沒有完整地結合起來，對影響分級旋流器工藝效果的因素研究還不夠透徹。與國外同型號設備相比，國內分級旋流器存在著處理量小、效率低的問題，這就造成了煤泥水分級系統若采用國產設備時，由于處理能力和分級效率的限制，會增加廠房空間，增加多余的能量消耗，同時為煤泥的后續處理增大了壓力。因此，對分級旋流器做比較全面系統的理論分析，并建立相應的實驗模型，針對不同的自身結構參數條件，重點從結構參數方面入手，尋求提高選流器分級效率是今后研究的一個方向。

1 新型煤泥分級旋流器

選煤廠應用較為廣泛的煤泥水分級設備有弧形篩、分級旋流器等。在應用過程中，弧形篩存在易堵塞、分級效率低等缺點，工藝效果受到很大的限制；分級旋流器是利用離心力進行分級的設備，在國外得到廣泛的應用，近年來國內很多選煤廠的技術改造和新建選煤廠已大量采用分級旋流器，其分級效率為40%～60%，基本能滿足工藝需求，但處理不當時，分級效率將大打折扣，煤泥水分級旋流器生產效果見表1。

表1 煤泥水分級旋流器生產效果

1.1 結構設計

新型煤泥分級旋流器主要由入料管、細顆粒排出口、上分離室、下分離室、粗顆粒排出口組成，結構如圖1所示。將一定濃度的煤泥水以一定壓力由入料管給入旋流器，在離心力作用下，煤泥顆粒在上分離室內按粒度大小進行預分級，按粒級排列好的煤泥顆粒進入下分離室后分級效果進一步鞏固加強，細顆粒隨內螺旋流從上部細顆粒排出口排出，粗顆粒隨外螺旋流從下部粗顆粒排出口排出。在旋流器內部，流體的流動方式是復雜的三維旋轉運動。

圖1 新型煤泥分級用旋流器結構示意圖

1.2 流場分析

旋流器工作時，煤泥水經過入料管切線進入上分離室進行預先分級，增大了設備的分級空間，延長了分級時間，有效地提高了旋流器的分級效率和精度。采用計算流體動力學技術對旋流器內部流場進行數值模擬研究，可以相對準確的得出流體流動的細節，如速度場、壓力場、密度場的分布情況，使其內部流場可視化。

1.2.1 壓力場

圖2為不同軸截面壓力分布曲線圖，從圖2中可以明顯看出，同一平面上，壓力隨著半徑的減小而減小，壓力分布曲線幾乎重合，說明各軸截面上徑向壓力梯度幾乎相同，降低了壓力擾動造成的流場紊亂，提高了分級精度。沿軸向方向，同一半徑上的壓力幾乎相等，說明軸向壓力梯度幾乎為零，徑向壓力梯度逐漸增大。從某種意義上說，壓力代表著可用機械能，壓力的降低可以用來表征能量的損失。

圖2 不同軸截面壓力分布曲線圖

1.2.2 速度場

旋流器中煤泥水的速度以切向速度、徑向速度和軸向速度3個分速度來表示，三維速度對旋流器的分級作用都有著明確的物理意義。

（1）切向速度。旋流器內的三維液流運動中，切向速度具有重要的地位。不僅是因為切向速度在數值上要大于其余兩個速度，更重要的是切向速度產生的離心力是旋流器內兩相或多相分離的基本前提。旋流器中不同橫截面切向速度分布如圖3所示。

圖3 不同橫截面切向速度分布圖

從圖3中可以看出，切向速度從旋流器器壁向中心軸線方向上隨著半徑的減小而增大，在某一半徑處達到最大值，而后隨著徑向位置的進一步減小在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低；切向速度對稱性好，消除了分離室內部流場的偏心問題。

（2）軸向速度。在旋流器的三維流體運動中，軸向速度方向發生明顯變化，旋流器不同截面軸向速度分布如圖4所示。從圖中可以看出，由器壁向中心方向，軸向速度首先從向下方向 （設定向下為正方向）隨著半徑的減小而先增大再逐漸減小至零，然后轉變為向上方向的速度。通過礦漿軸向速度為零的各點可以描繪出一個圓錐形表面，即零軸速包絡面，它是軸向速度方向發生改變的轉折面，也是內螺旋流與外螺旋流的分界面，該面內部流體向上流動，形成內螺旋流，而在其外部的流體則向下流動，形成外螺旋流。圖中 ［-50，50］坐標處軸向速度急劇變化區域為空氣柱區域。就軸向速度絕對值而言，內螺旋流速度遠大于外螺旋流速度，由于外螺旋流區域軸向速度很小，對旋流器的分離過程以及主分離區煤泥顆粒的受力運動影響很小。

（3）徑向速度。圖5為旋流器不同截面徑向速度分布圖，相對于其他兩向速度而言，徑向速度較小，在分離過程中，固體顆粒所受到的徑向遷移阻力主要來源于流體的徑向運動帶來的摩擦阻力，切向速度產生的離心力主要用來克服或平衡這一摩擦阻力。從圖5可以看出，速度大小的變化規律基本上滿足先增大后減小的變化規律，同一截面的徑向速度基本上存在2個極值點，第1個極值點出現在細物料排出口的半徑所對應位置，隨著截面高度的降低 （遠離細物料排出口）該極值逐漸降低；第2個極值點出現在旋流器壁面附近，對于下分離室錐段而言，該極值大于細物料排出口下方的極值，是該截面整個徑向速度的最大值。

2 結論

新型分級旋流器的設計思想源于傳統分級旋流器，但其性能明顯優于傳統分級旋流器，設計發散狀蝸殼分離室，降低了入口流場紊亂度，降低了入料對分離室內壁的沖擊磨損，延長了使用壽命。發散狀蝸殼分離室有利于內部流場穩定，消除了進入第二分離室的偏心問題，提高了分級精度，預期分級效率可穩定在60%以上，滿足后續工藝環節要求。同時，新型分級旋流器具有結構簡單、緊湊、占地面積小，操作方便，設備維護費用低的特點，具有更大的處理能力和更好的節能效果。

［1］李學亮 .國外煤炭脫硫降灰技術的發展趨向 ［J］.中國煤炭，2000（7）

［2］楊建國，歐澤深 .發展重介選煤提高精煤質量 ［J］.中國煤炭，1997（1）

［3］M·勞里拉，朱超 .大直徑重介旋流器的新進展［J］.中國煤炭，1997 （11）

The research of new type coal slime classification cyclone

Shan Chao
（Tangshan Branch，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Tangshan，Hebei 063012，China）

A volute separation chamber has been designed into cyclone to improve the efficiency of classification.The research of three-dimensional numerical simulation of internal flow field is conducted by using Computational Fluid Dynamics technology.The distribution regularities of pressure field，velocity field，density field have been analyzed.

classification，cyclone，efficiency of classification

TD94

A

單超 （1977-），男，河北滄州人，工程師，現就職于煤炭科學研究總院唐山研究院。主要從事選煤設備的研發及管理工作。

（責任編輯 孫英浩）