漸擴進料體旋流器分級性能試驗研究

劉培坤，姜蘭越，楊興華，張悅刊(山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590)

漸擴進料體旋流器分級性能試驗研究

劉培坤，姜蘭越，楊興華，張悅刊
(山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590)

針對水力旋流器處理細粒級顆粒分級時易出現溢流跑粗的問題，設計出一種漸擴式進料體旋流器，并通過粉煤灰的分級試驗，研究底流口直徑、壓力、給料濃度對其分離性能的影響。研究表明，隨著底流口直徑增大，底流濃度減小、底流產率升高、分級粒度變細，分級效率明顯增大；隨著壓力增大，溢流濃度減小，底流濃度明顯升高，分級效率升高；隨著給料濃度增大，溢流和底流濃度都升高，底流產率減小，分級效率降低。當底流口直徑為Φ18mm、壓力為0.06MPa、濃度為16%時，旋流器分離粒度d50為54μm，且-54μm分級質效率為49.50%，量效率為88.66%；此時，溢流-45μm含量達到88%以上，符合一級灰標準。

旋流器；漸擴式進料體；試驗研究；分級效率

旋流器以其結構簡單、效率高等優點而廣泛應用于各個工業生產領域。傳統的旋流器采用柱錐結構，礦漿以一定的壓力切向進入旋流器，在圓柱腔內產生高速旋轉流場。礦漿中密度大的顆粒在旋流場的作用下同時沿軸向向下運動，沿徑向向外運動，在到達錐體段沿器壁向下運動，并由底流口排出，形成外旋流場；密度小的顆粒向中心軸線方向運動，并在軸線中心形成一向上運動的內旋流，然后由溢流口排出，從而達到兩相分離的目的。但是，在旋流器頂蓋處，一部分給礦由于器壁的摩擦阻力作用，先向上再沿頂蓋下表面向內，又沿溢流管外壁向下運動，最后同內旋流匯合由溢流管的溢流口排出，形成短路流[1]。這部分礦漿未經分離作用直接進入溢流產物，嚴重影響了分離效果。特別是針對細顆粒的分離，容易造成溢流跑粗，導致分級精度降低。

由于蓋下流和短路流的復雜性，目前國內外對其研究主要集中在溢流管和進料體的結構改進。褚良銀等[2]發明了一種具有環齒形外壁的溢流管結構，王光風等[3]提出一種外帶環流旁路的溢流管，Hwanga K J等[4]提出一種錐形頂蓋旋流器，Wang B等[5]提出一種傘狀溢流管，這些改進都可以在一定程度上減少溢流跑粗，但分離精度仍然有待提高。為進一步提高旋流器的分離精度，本文提出了一種錐形漸擴式進料體旋流器，并通過對粉煤灰的分級試驗，深入研究其分離性能。

1 漸擴進料體旋流器

1.1 分離機理

漸擴式進料體旋流器的結構如圖1所示，不同于傳統旋流器的圓柱形進料筒體，漸擴式進料體筒體上端采用小直徑圓筒，在與錐段連接處仍為旋流器主體直徑的筒體，中間通過漸擴式的倒錐結構連接成整個進料體筒體。在進料口位置，該進料體筒體直徑小于傳統旋流器筒體直徑，可以有效控制短路流的產生。相同給料工況下，在同一軸向位置處，漸擴式筒體比傳統柱形筒體的直徑小，使得其內部流體具有更高的軸向速度和切向速度。由于切向速度決定著旋流器中心離心力場的強度，因此更高的切向速度以及漸擴式筒體可以促進固體顆粒被快速分離，而軸向速度的提高可以使礦漿在錐形筒體的導流作用下快速遠離溢流管，減少短路流的產生[6]。

圖1 漸擴進料體旋流器結構示意圖

1.2 旋流器結構參數

以粉煤灰分級為目的設計了漸擴式進料體旋流器，根據處理量及分級粒度要求，其主要結構參數見表1。

表1 漸擴進料體旋流器主要結構參數

2 試驗物料及試驗裝置

2.1 試驗物料

試驗用物料為火力發電廠煙道中收集的粉煤灰，其主要成分為SiO2和Al2O3，原灰含硫量小于3%，燒失量小于5%。經激光粒度儀粒度檢測，其中粒徑小于13μm(-1000目)的產率占35.3%，粒徑小于45μm(-325目)的產率占69.43%，粒徑小于75μm(-200目)的產率占84.71%，可知粉煤灰中細顆粒所占比例最大。

2.2 試驗裝置

漸擴進料體旋流器試驗平臺如圖2所示，其裝置主要由攪拌槽、管路系統、渣漿泵、壓力表及水力旋流器5部分組成。礦漿在攪拌桶內攪拌均勻后，由渣漿泵送入旋流器進行分離，經分離后的細顆粒從溢流管排出流回攪拌桶，粗顆粒從底流管返回攪拌桶，形成一個閉路循環系統。在旋流器的入口處設有采樣支管，以進行采樣分析。

圖2 漸擴進料體旋流器試驗平臺

2.3 試驗方法

試驗采用控制變量法研究漸擴式進料體旋流器結構參數(底流口)、操作參數(壓力)以及物性參數(給料濃度)對粉煤灰分級效果的影響。用天平稱取一定質量的粉煤灰與水配成一定質量濃度(16%～28%)的礦漿，通過調節回流閥的開度控制入口流量進而改變壓力(0.02M～0.06MPa)，確定底流口直徑(12～20mm)。在固定其它參數不變的基礎上只改變其中某個參數，同時記錄流量變化并取樣。采用過濾稱量法對所取樣品進行濃度分析，并計算產率。用激光粒度儀BT-9300S分析取樣粒度組成，由下式計算綜合分級效率，研究分析各參數的變化對分離性能的影響。

E漢

式中：E漢為漢考克綜合分級效率，%；α為給礦中計算級別含量，%；β為溢流中計算級別含量，%；θ為沉砂中計算級別含量，%。

3 試驗結果及分析

3.1 底流口對分級性能的影響

在工業生產中，底流口是最易調節并且對旋流器分級性能影響最大的結構參數，試驗首先研究底流口參數對分級性能的影響規律。試驗給料濃度16%，入口壓力0.06MPa，采用不同底流口直徑(12～20mm)分別進行試驗，對比溢流和底流濃度、產率、粒度和級效率等方面的變化規律。

底流口直徑與產物濃度的關系如圖3所示，當底流口直徑增大，溢流濃度變化不大，底流濃度僅從65.15%減小到55.56%。由圖4中底流口直徑與產率的關系可看出，底流產率由29.01%升高到38.28%；這是由于底流口直徑增大，分離粒度減小，底流產物分配量增大，大量的粗顆粒從底流排出，其中混雜有較多細顆粒，因而造成溢流和底流粒度都變細。這一點也可從圖5中底流口直徑與-45μm含量的關系可看出，即底流口直徑增大，溢流和底流中-45μm含量均有所提高。就特定粒級的分級效率而言，如圖6所示，對于10～60μm的顆粒，分級效率隨底流口增大而明顯增大，而對于小于10μm和大于60μm的顆粒，底流口增大對分級效率的影響則不明顯。

圖3 底流口直徑與產物濃度的關系

圖4 底流口直徑與產率的關系

圖5 底流口直徑與-45μm含量的關系

圖6 底流口直徑與各粒級綜合分級效率的關系

、3.2 壓力對分級性能的影響

試驗確定給料濃度為20%，由底流口試驗確定底流口為Φ18mm，調節給料壓力進行試驗，對比分析產物濃度、產率、粒度以及分級效率的變化規律。

給料壓力對產物濃度、壓力和-45μm含量的關系如圖7～9所示，表明給料壓力增大，對溢流影響較小，溢流濃度和粒度均變化不大，-45μm含量沒有明顯變化；底流濃度從40.38%升高到54.56%，產率先由35.15%減小到31.6%，當壓力超過0.04MPa后趨于穩定，底流粒度明顯增大，-45μm含量由40.92%減小到35.74%。從圖10中可看出各粒級分級效率隨壓力升高而增大，這是因為壓力升高，物料流速增大，旋流器內離心力場增強，顆粒分離效果加強。

圖7 給料壓力與產物濃度的關系

圖8 給料壓力與產率的關系

圖9 給料壓力與-45μm含量的關系

3.3 濃度對分級性能的影響

在工業生產過程中，由于礦漿物料沉降及顆粒分散不均勻，導致給料濃度往往在一定范圍內隨機波動對旋流器分離性能有較大影響。結合底流口試驗和壓力試驗，確定底流口為Φ18mm，給料壓力為0.06MPa，改變給料濃度，分析分離性能。

從圖11、圖12和圖13中給料濃度對分離結果的關系可看出，給料濃度增大，溢流濃度從11.96%升高到23.14%，-45μm含量由88.73%降低到82.9%；底流濃度從58.53%升高到62.32%，產率由39.35%減小到30.55%，-45μm含量減少。圖14中顯示各粒級分級效率隨濃度增大而減小且趨勢明顯。這是因為隨給料濃度的升高，礦漿的密度和粘度都增大，流體粘滯阻力增大，必然導致分級粒度變粗，分級效率下降。

圖10 給料壓力與各粒級綜合分級效率的關系

圖11 給料濃度與產物濃度的關系

3.4 分離粒度

綜合上述試驗因素，在底流口直徑為Φ18mm，壓力為0.06MPa，給料濃度為16%時，底流產率為35.62%，由物料平衡計算各粒級組成及粒級分配率如表2，粒級分配曲線見圖15。可知給料中+180μm顆粒全部進入底流，由圖15可看出溢流和底流分配率均為50%的分離粒度d50為54μm，經計算可得-54μm顆粒的分級質效率為49.50%，量效率為88.66%。

4 結 論

1)設計的漸擴式進料體旋流器進行細粒級粉煤灰分級試驗，底流產率達到35.62%，分離粒度d50為54μm，且-54μm顆粒的分級質效率為49.50%，量效率為88.66%。

2)漸擴式進料體旋流器隨著底流口直徑增大，底流濃度減小、產率升高、粒度變細，分級效率明顯增大；隨著壓力增大，溢流濃度減小，底流濃度明顯升高，分級效率升高；隨著給料濃度增大，溢流和底流濃度都升高，底流產率減小，分級效率降低。

圖12 給料濃度與產率的關系

圖13 給料濃度與-45μm含量的關系

圖14 給料濃度與各粒級綜合分級效率的關系

圖15 粒級分配曲線圖

表2 粒級組成及粒級分配率

3)當底流口直徑為Φ18mm，壓力為0.06MPa，給料濃度為16.69%時，溢流粉煤灰-45μm含量達到88%以上，符合粉煤灰一級灰細度標準，可應用于工業生產。

[1] 龐學詩.水力旋流器技術與應用[M].北京：中國石化出版社，2010：46-72.

[2] 禇良銀，羅茜.高分離精度的水力旋流器的開發[J].流體機械，1994，22(6)：3-6.

[3] 王光風，李峻宇，邵國興.環流旁路旋流器的分級試驗與理論研究[J].化工機械，1991，18(6)：1-7.

[4] Kuo-Jen Hwanga，Ya-Wen Hwanga，Hideto Yoshidab，et al.Improvement of particle separation efficiency by installing conical top-plate in hydrocyclone[J].Powder Technology，2012，232：41-48.

[5] B.Wang，A.B.Yu.Numerical study of the gas-liquid-solid flow in hydrocyclones with different configuration of vortex finder[J].Chemical Engineering Journal，2008，135：33-42.

[6] 蔣基安，趙天彪，楊興華，等.疏浚底泥分離用旋流器的數值模擬與試驗研究[J].流體機械，2013，41(8)：12-15.

Experimental research on the classification performance of the hydrocyclone with conical feed part

LIU Pei-kun，JIANG Lan-yue，YANG Xing-hua，ZHANG Yue-kan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

The overflow granularity often became coarse when fine particles were classified in a hydrocyclone.In order to solve this problem，a new type of hydrocyclone with conical feed part was put forward and an experimental study on its separating performance for fly ash grading was carried out.Different structural and operating parameters including the apex diameter，the inlet pressure and the feed concentration have been used in the experiments.The experimental results show that，as the apex diameter increases，the underflow concentration decreases but the productive rate increases，and the comprehensive classification efficiency is improved obviously.When the inlet pressure increases，the overflow concentration decreases while the underflow concentration and the classification efficiency increases at the same time.However，compared with the increasing overflow and underflow concentration，both the underflow production rate and the classification efficiency gradually decrease with the increase of feed concentration.In conclusion，the grading granularity d50is 54μm，and the classification efficiency reaches 88.66% by quantity and 49.50% by quality when the apex diameter is 18mm，the inlet pressure is 0.06MPa and the feed concentration is 16%.Moreover，the -45μm particle content is above 88%，which meets the requirement of the first grade fly ash standard well.

hydrocyclone；conical feed part；experimental research；classification efficiency

2015-01-22

國家自然科學基金項目“基于Y型溢流管結構的疏浚旋流器分離機理研究”資助(編號：21276145)

劉培坤(1971-)，男，教授，主要研究方向為固液分離技術與裝備。E-mail：lpk710128@163.com。

TD98

A

1004-4051(2015)12-0099-05