重介質(zhì)旋流器切線和漸開線入口分離效果對比分析

任建賓

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)新景礦洗煤廠，山西 陽泉 045000）

0 引 言

利用重介質(zhì)旋流器選煤是目前選煤效率最高的一種重力選煤方法，重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)簡單、選煤效率高、適用范圍廣，特別適用于顆粒尺寸較小的難選煤和極難選煤，最小煤顆粒粒徑可達(dá)0.1～0.2mm。影響重介質(zhì)旋流器分選效率的因素較多，包括重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)中有入口形狀和尺寸、溢流管尺寸、旋流器安裝角度。

本文以圓錐型重介質(zhì)旋流器為例，闡述了其分選原理，建立切線型和漸開線型兩種入口的旋流器模型，通過仿真對比分析，從切向速度分布、分離性能和操作性能三個(gè)方面進(jìn)行了對比，結(jié)果說明，漸開線型入口的重介質(zhì)旋流器具有更好的分離性能，最后總結(jié)了重介質(zhì)旋流器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題和經(jīng)驗(yàn)，該研究對于重介質(zhì)旋流器的設(shè)計(jì)和推廣具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 重介質(zhì)旋流器分選原理

以圓錐型重介質(zhì)旋流器為例，其工作原理示意圖如圖1所示。當(dāng)煤顆粒和懸浮液的混合物通過泵壓從入口進(jìn)入旋流器后，在離心力和旋流器攪拌的作用下形成旋流。大密度的煤顆粒在外螺旋物質(zhì)流的作用下，沿著旋流器內(nèi)壁向下流動，然后從底流出口處排出；而小密度的煤顆粒在內(nèi)螺旋物質(zhì)流在作用下，從旋流器中心向上流動，最后從溢流口排出。從底流出口處排出的為中煤和矸石，從溢流口排出的為精煤，從而達(dá)到了分選的目的。

圖1 圓錐型重介質(zhì)旋流器的工作原理示意圖

2 模型的建立

旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以某工業(yè)選煤廠現(xiàn)用的重介質(zhì)旋流器為例，旋流器圓柱直徑為1000mm，長度為660mm；溢流管直徑為430mm，長度420mm；底流管直徑344mm，圓錐段長度為1860mm，入口形狀為切線型和漸開線型兩種，入口直徑和內(nèi)部入口邊長分別為300mm和177mm。進(jìn)料口壓力為0.137MPa，懸浮液的密度為1.55×103kg/m3，溢流管和底流管處的出口壓力都設(shè)置為自由出口，為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)流體動力學(xué)仿真的過程中，由于旋流器的內(nèi)部流場較為復(fù)雜，模擬過程也較為復(fù)雜，需要用到的計(jì)算模型有流體體積模型、混合多相流模型、雷諾應(yīng)力模型、拉格朗日顆粒追蹤模型、粘度修正模型，最后應(yīng)用分配曲線以及混合液的介質(zhì)分流比等參數(shù)來評價(jià)重介質(zhì)旋流器的分離效果。

3 分離效果分析

3.1 速度分布

通過速度場分析，提取兩種入口形狀的旋流器入口截面的切向速度進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 不同入口形狀下重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場切向速度

對于切線型入口的旋流器，如圖2中（a）所示，當(dāng)混合液進(jìn)入旋流器內(nèi)部時(shí)，在圖中所示的I區(qū)，混合液的切向速度突然增加，達(dá)到了切線入口處速度的2倍左右，隨后混合液沿著旋流器內(nèi)壁在外旋作用下向下運(yùn)動，切向速度也逐漸減小；當(dāng)混合液臨近溢流管時(shí)，如圖中的II區(qū)，與隨后流入旋流器的混合液發(fā)生碰撞，同時(shí)在II區(qū)的溢流管外壁附件形成旋渦流，這種旋渦流較為混亂。由于混合液內(nèi)部之間的這種碰撞，導(dǎo)致一部分混合液沿著溢流管外壁向下運(yùn)動，到達(dá)溢流管的底部時(shí)，混合液的運(yùn)動方向也隨之發(fā)生改變，沿著溢流管向上快速流出，混合液的這種流動稱為短路流，即在旋流器的內(nèi)部空間形成了旁路流，這種流動增加了旋流器的能量消耗，也導(dǎo)致旋流器的分離效率降低。

在漸開線型入口的旋流器中，如圖2中（b）所示，混合液的流動也較為相似，但是混合液切向速度的增長區(qū)域深入到了入口的對側(cè)，最高速度有所下降，但是混合液高速運(yùn)動的區(qū)域范圍有所增加，此外混合液內(nèi)部流體的碰撞也明顯減輕，說明漸開線型入口的旋流器內(nèi)部的短路流的程度顯著降低，混合液的能量耗損減小，分離效率更高。

3.2 操作性能對比分析

操作性能參數(shù)包括密度偏差、介質(zhì)流速和分流比，一般情況下，在介質(zhì)流速一定的情況下，密度偏差和介質(zhì)分流比的值越大，越有利于旋流器對煤粒顆粒的分離。切線型和漸開線型兩種入口形狀下，重介質(zhì)旋流器的操作性能參數(shù)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，漸開線型入口的重介質(zhì)旋流器相對于切線型入口的重介質(zhì)旋流器來說，具有更大的密度偏差和介質(zhì)分流比，并且介質(zhì)流速卻相對較小。因此，漸開線型入口的重介質(zhì)旋流器具有更好的操作性能。

表1 切線型和漸開線型入口重介質(zhì)旋流器操作性能參數(shù)

3.3 分離性能

切線型和漸開線型兩種入口形狀下，重介質(zhì)旋流器分配曲線如圖3所示，從圖中可以看出，不同旋流器安裝角度，分配曲線的形狀相似，都呈現(xiàn)“S”型曲線，即在煤顆粒密度處在較小值時(shí)，底流分配比也較小；當(dāng)煤顆粒密度處在中間范圍時(shí)，底流分配比急速增加；當(dāng)煤顆粒密度處在較大值時(shí)，底流分配比又趨于平穩(wěn)。當(dāng)重介質(zhì)旋流器的入口為漸開線型時(shí)，分配曲線增長趨勢更加明顯，曲線的斜率也更大，說明漸開線型比切線型具有更好的分離效果。

圖3 切線型和漸開線型入口重介質(zhì)旋流器分配曲線

計(jì)算了不同煤顆粒粒徑下，兩種入口形狀重介質(zhì)旋流器的偏移量和可能偏差，對比如圖4所示。偏移量方面，漸開線型都比切線型的要大，并且的顆粒粒徑較小的情況小，更加敏感。可能偏差Ep值方面，漸開線型都比切線型的值要小，同樣也是在顆粒粒徑較小的情況小更加敏感。結(jié)果說明漸開線型相比于切線型入口的重介質(zhì)旋流器，具有較高的偏移量和較小的可能偏差Ep值，旋流器的分離效果也更好。

圖4 切線型和漸開線型入口重介質(zhì)旋流器偏移量和可能偏差對比

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

根據(jù)以上分析可以看出，重質(zhì)旋流器的入口形狀對旋流器的分離性能有影響，切線型和漸開線型兩種入口形狀相比，漸開線型入口的旋流器具有更好的分離性能和操作性能。此外，影響重質(zhì)旋流器分離性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)還包括旋流器的圓柱直徑和長度、溢流管的直徑和長度、以及旋流器的安裝角度。

對于旋流器的圓柱直徑直接決定了旋流器的規(guī)格大小，還與旋流器的生產(chǎn)量直接相關(guān)，還直接影響煤炭顆粒在旋流器中的離心力和分離所需時(shí)間，對于煤炭顆粒直徑較小的物料時(shí)，為了得到更大的離心力，旋流器宜選用較小的圓柱直徑。

而旋流器的圓柱長度通過影響煤炭顆粒在旋流器內(nèi)部的停留時(shí)間而決定了旋流器的分離性能，適當(dāng)增加圓柱長度可以提高旋流器的分離效果。當(dāng)旋流器的錐角為20°時(shí)，旋流器的圓柱長度宜設(shè)計(jì)為圓柱直徑的0.6～0.7倍；當(dāng)旋流器的錐角大于20°時(shí)，宜設(shè)計(jì)為圓柱直徑的0.7～2倍。

旋流器的安裝角度是改變會影響旋流器內(nèi)部的流場，從而對旋流器的分離性能產(chǎn)生影響，圓柱圓錐形的旋流器最佳安裝角度在0～30°之間，現(xiàn)場實(shí)際常用的安裝角度為10°。

5 結(jié) 論

建立了兩種入口形狀的重質(zhì)旋流器仿真模型，從旋流器內(nèi)部的速度分布、分離性能和操作性能三個(gè)方面進(jìn)行了對比，結(jié)果說明，重質(zhì)旋流器的入口形狀對旋流器的分離性能有影響，漸開線型入口相比于切線型入口，具有更好的分離性能和操作性能，混合液在旋流器內(nèi)部的能量耗損更小，分離效率更高。