選煤廠渦流分配稀介箱的研發與應用

楊偉橋，王 進，姚 雷，王 蒙，顏冬青

(陜西煤化選煤技術有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

煤炭資源作為我國最重要的一次能源，2016年發電量65%以上由煤電提供。因此提供優質煤炭成為煤企的終極目標。陜西彬長礦業文家坡煤礦主要提供優質動力煤，文家坡選煤廠屬于礦井型的選煤廠。在最初設計中末煤介質回收系統不盡合理，導致了介質回收率低，介耗高的問題。

針對文家坡選煤廠泥化-濕黏煤在生產中介耗高的問題，對介質回收系統進行分析研究，采用SolidWorks中的Flow Simulation流體模擬軟件對“渦流分配稀介箱”進行流場模擬和有限元分析。通過不同方案的對比，選出最優方案，進行現場生產對比，驗證效果。

1 研究原因、目的及方法

1.1 研究的原因

泥化-濕黏煤分選過程中對文家坡選煤廠洗選系統造成的影響表現在介耗居高不下，最嚴重時系統介耗高達1.80 kg/t。同時由于介質系統不穩定導致矸石帶煤比較嚴重。經過現場的觀察和測試，發現了介耗過高的原因。

磁選機堆積堵塞：文家坡選煤廠的介質回收工藝為直接磁選，由于矸石的泥化導致中矸磁選機中煤泥含量過高。在使用過程中出現矸石、中煤磁選機滾筒下末矸堆積嚴重，頻繁堵塞，嚴重影響磁選機的介質回收效率。

磁選機入料不穩：文家坡選煤廠三產品重介旋流器洗選系統中，2臺精煤脫介篩、1臺中煤脫介篩、1臺矸石脫介篩篩下稀介分別直接進入相對應的3臺磁選機，3臺磁選機入料濃度、流量不均勻且穩定性差，導致磁選機總體回收效率差；稀介分流不能均勻分配到3臺磁選機入料中，導致磁選機的負荷不均勻，介質回收效果差。

1.2 研究的目的

針對介耗過高問題研究改造稀介質緩沖箱。其目的是使得進入磁選機的稀介能夠得到充分的緩沖和穩流，并且將物料均勻分配到3臺磁選機中，達到負荷均勻。

1.3 研究方法

采用SolidWorks軟件中的Flow Simulation對渦流分配稀介箱和末精煤分料箱的各個出入口參數和溢流堰高度等進行有限元分析和仿真模擬。SolidWorks軟件是由法國達索公司旗下SolidWorks子公司開發的世界上第一款基于Windows系統的三維CAD設計軟件，是世界上優秀的三維結構制作和結構模擬軟件，在三維設計制造中占有重要地位。SolidWorks包含大量擴展性軟件插件，可分別完成不同場景和要求下的任務。

為了方便觀察模擬效果，以水來代替稀介作為箱內料流的流體。對箱體進行網格劃分、邊界計算域、出入口料流速度、流動介質基本性質等參數進行設置。

圖1 計算條件和參數的選取

如圖1所示，根據實際在計算中添加了與Y軸相反方向的重力。網格劃分中采取了細部優化，共105 873個網格，以使計算結果更加準確。由于本緩沖箱內部熱量交換與傳遞極其微弱，對實際使用和流體運動的影響甚微，在計算中可以忽略不計。因此在參數選取中選擇絕熱壁面，無熱量傳遞，以降低計算量。同時根據文家坡選煤廠內稀介質循環量為500 m3/h計算得出入口體積流量為0.14 m3/s。

2 研究結果與分析

提出4種渦流分配稀介箱的結構對比研究。

2.1 方案一

本方案是在渦流分配稀介箱內部中心放置一道隔板，將入料口和出料口隔開，起到穩流的作用。隔板為12 mm厚度的鋼板，高為900 mm。將緩沖箱內部分割成2個部分，液流進入到箱體內部首先充滿隔板入料一側，而后通過隔板溢流到出料口一側從出料口排出。在設計中出料口管徑稍小于入料管道可以保證液流溢流過隔板以后保持一定的液位，保持出料壓力的穩定。結構圖及模擬圖如圖2所示。

從方案一的流場模擬速度跡線分布圖上可以看出，在入料端渦流較大，存在較大面積的低流速區域。由于磁鐵礦粉重介質密度大，重量較大，這樣會導致在低流速區域物料大量堆積，對入料管會造成嚴重的影響。同時在出料端物料串流嚴重，由于出料管徑的不同造成不能向3臺磁選機均勻給料。

2.2 方案二

本方案是在渦流分配稀介箱內部加設兩道橫向隔板，將整個箱體劃分為3個區域。第一道靠近入料口處，隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為900 mm。第二道隔板靠近出料口，隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為500 mm。液流進入箱體內部，積累到液面超過900 mm時溢流過第一道隔板，進入中間區域緩沖穩流，再溢流過中間區域進到出料端。第二道隔板高度高于出料管最高點，要形成穩定的液面，保持出料穩定。結構圖及模擬圖如圖3所示。

a-結構圖；b-流場速度跡線分布側視圖圖3 方案二

在圖3(b)中可以看出，相對于方案一中入料端處大面積的低流速區域，在本方案中被大大壓縮，幾乎不存在大面積的低流速區域，物料得到了充分的緩沖。但是從模擬側視圖中可以看出緩沖箱中兩塊隔板中間的區域流速較低，出現了低流速區域，物料會堆積到兩塊隔板中間的區域，造成緩沖箱內物料大量堆積。同時在出料端物料串流嚴重，由于出料管徑的不同造成不能向3臺磁選機均勻給料。

2.3 方案三

本方案是在緩沖箱內部中間加裝隔板，隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為900 mm。再在出料側加裝垂直于隔板的擋板，將出料端按照出料管口分成3個部分。當液流進入到箱體內部，經過中間隔板的穩流和緩沖，進入到出料側，再通過兩排垂直于中間隔板的擋板分流到3個出料口，使得給料均勻穩定。結構圖及模擬圖如圖4所示。

a-結構圖；b-流場速度跡線分布圖圖4 方案三

可以看出入口流速主要分布在0.9～1.5 m/s之間，色彩表示為淡黃色。入料液流進入到箱體內部后撞擊箱體中部擋板分散開來，同時由于撞擊過程和流動過程中存在摩擦力和緩沖作用，導致了物料流動能降低。同時液面升高，液流流速方向沿著隔板向上，重力勢能逐漸增加，同時動能進一步降低，導致液流速度逐漸降低。但是由于入料端有源源不斷的入料進入，相當于向箱體內的物料注入能量，因此圖中會出現沿著隔板的物料上升流速度降低幅度很小的情況，可以看出沿著隔板的上升流速度分布約為0.9～1.4 m/s之間。并且正是由于輸入能量的存在，使得出口流速大于入口流速，其出口流速分布約為1.6～2.1 m/s。

同時在模擬結果圖中可以發現，箱體內部的渦流范圍很大，幾乎充滿了整個箱體。這說明物料流在箱體內部運動比較劇烈，可以大范圍攪動箱體內部的磁鐵礦粉介質，減少沉積。

如圖5中所示，表示的是箱體內部流速及流動方向的分布云圖。從圖中可以明顯地看出，在箱體的邊角處流速很低，而且形成了大量的小渦流。速度的降低會形成流動中的死區，在這些死區會形成少量的磁鐵礦粉沉淀。隨著磁鐵礦粉沉淀的積累，箱體內部的流動空間將隨之減少，液流速度加快，沖走一部分磁鐵礦粉沉淀，進而達到穩定的平衡狀態。

圖5 方案三主視剖面流速等值線圖

在出料管口處也形成了較大的渦流，這是由于出料管伸入到箱體內部的長度較大造成的，這樣會導致出料口的液流穩定性差。因此在實踐的過程中已經將伸入箱體內部的管道截短，消除了出口管道處的渦流，穩定了出料。

2.4 方案四

本方案是在緩沖箱內部按照出料管分布情況，豎排加裝隔板，將緩沖箱分為3部分。隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為900 mm。通過SolidWorks軟件對這種形式的緩沖箱進行流場模擬，結構圖及模擬圖如圖6所示。

a-結構圖；b-流場速度跡線分布圖圖6 方案四

從上面模擬圖中可以看出，本方案中3個入料管口對應3個出料管口，入料管口和出料管口相對，保證每一個出料管和所對應的入料管流量相等，使得出料順暢，保持箱體內部不積料。但是本方案在流動的過程中并未起到充分的緩沖作用，也并未實現向3臺磁選機均勻給料。

2.5 結果分析

通過以上4種方案的對比，第三種方案中，物料得到了充分的緩沖和混合，在出料端的隔板設計也保證了給入3臺磁選機的物料是均勻的，同時高于出料管口的隔板設計也保證了物料液面能夠淹沒出料管口，保證了磁選機入料壓力和流量的穩定。方案三在各方面都達到了要求，因此按照第三種方案對洗選系統進行改造。改造前4月份的生產情況與改造后5月份的生產情況對比如圖7所示。

a-介耗；b-矸石帶煤率圖7 4月份和5月份生產情況對比

改造以后選煤廠的介耗由原來的1.8 kg/t下降到1.2 kg/t以下，矸石帶煤率由改造前的0.5%下降到了目前的0.12%，改造效果較好。

3 結論

(1)通過利用SolidWorks對渦流分配稀介箱各方案的流場模擬和結構優化，最終選擇出了一種結構的渦流分配稀介箱(方案三)，滿足充分緩沖物料、減少積料、出料壓力穩定和物料分配均勻的要求。

(2)生產現場效果驗證試驗結果表明選煤廠的介耗由原來的1.8 kg/t下降到1.2 kg/t以下，矸石帶煤率由改造前的0.5%下降到了目前的0.12%，效果較好。