分選分級組合旋流器模擬研究

徐嘉晨

（晉能控股煤業(yè)集團煤炭洗選分公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為我國重要的化石能源，其在我國經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位，隨著開采深度及機械化程度的不斷提升，開采原煤的質(zhì)量變差，導(dǎo)致選煤廠分選的工作量加大，產(chǎn)品質(zhì)量的控制難度增加[1,2]，為了實現(xiàn)粗煤泥的高效分選，此前眾多學(xué)者對此進行過研究，馬茂華[3]針對大直徑三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選粒級大，末煤分選效果差，粗精煤泥灰分高的問題，結(jié)合入洗原煤煤質(zhì)變差的狀況，對原粗精煤煤泥回收系統(tǒng)進行工藝改造，通過定性、定量分析降低了粗精煤泥灰分，提高了精煤產(chǎn)率。宋宇[4]針對粗精煤產(chǎn)品灰分含量過高的問題，提出分別以干擾床分選機、三產(chǎn)品煤泥重介旋流器、三錐水介質(zhì)旋流器等為核心的三種煤泥分選系統(tǒng)優(yōu)化方案，并進行詳細(xì)對比分析。結(jié)果表明，三錐水介質(zhì)旋流器更適宜選煤廠粗煤泥分選。對粗煤泥分選系統(tǒng)進行優(yōu)化改造后效果最佳。本文基于多溢流管旋流器，串聯(lián)水力旋流器，實現(xiàn)一段低流排矸、一二段溢流排細(xì)泥、二段低流排精煤，大大降低了粗泥煤分選流程，解決了選煤廠分選困難的問題，為選煤廠高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 模型建立

傳統(tǒng)的旋流器系統(tǒng)中由于有導(dǎo)流葉片的存在使得密度較低的物料損傷等問題，本文設(shè)計一種分選分級旋流器裝置。在旋流重選柱內(nèi)部設(shè)置一段套筒，在套筒的上部連接等徑側(cè)溢流，同時在溢流管與側(cè)溢流的腔體位置布設(shè)一段切向口，切向口語二段旋流器切向口連接。將物料配合礦漿攪拌導(dǎo)入一段分選旋流器，當(dāng)物料完成初步分選后細(xì)粒物料經(jīng)溢流管排出，較粗的物料進出二段分選旋流器進行二次分級，實現(xiàn)一段低流排矸、一二段溢流排細(xì)泥、二段低流排精煤的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)示意圖如1所示。

圖1 新型旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

旋流器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)確十分復(fù)雜，為了對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行深入分析，需要借助數(shù)值模擬軟件，本文利用CFD模擬軟件對新型溢流分流旋流器內(nèi)部的流暢進行分析，研究新型旋流器的可行性。首先進行模型的建立，模型建立選用CAD繪圖導(dǎo)入的方法進行模型建立，對建立好的模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時為避免統(tǒng)一劃分造成精度差等問題，在進行網(wǎng)格劃分時適當(dāng)將模擬流場較為簡單的部位進行粗劃分，對流場計算較為復(fù)雜的位置進行細(xì)化分，本文利用ANSYS ICEM CFD 16.0進行網(wǎng)格的劃分，劃分完成后網(wǎng)格數(shù)共計857674個。完成網(wǎng)格劃分后對模型的物理參數(shù)進行設(shè)定，由于本次模擬為水氣兩相模擬，所以設(shè)定空氣的密度為1.205 kg/m3，空氣的運動黏度為1.82×10-5kg/（m·s），水的密度為1 000 kg/m3，空氣的黏度為1.003×10-3kg/（m·s），入料的體積流量為25 m3/h，首先對旋流器內(nèi)部的軸向速度進行分析。

2 數(shù)值模擬分析

首先選定三種溢流管插入深度，深度分別選擇為225 mm、265 mm和305 mm，僅展示插入深度為305 mm的一段旋流器軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線如下頁圖2所示。

從圖2-1中可以看出，一段旋流器的內(nèi)部流場分布大致呈現(xiàn)出對稱分布的特點，中心軸為旋流器的中心軸線，在中心位置溢流口和底流口位置會出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，空氣被倒吸形成空氣柱，從而致使底流口的流速呈現(xiàn)突然的增加，在溢流管的中心位置流速出現(xiàn)明顯的下降，而在溢流管的軸線位置出現(xiàn)上升流。觀察圖2-2可以發(fā)現(xiàn)流速隨著距離中心軸線的距離增大呈現(xiàn)出先降低后增大再降低的趨勢，當(dāng)溢流管插入深度為305mm時，正最大值為中心軸線位置，最大值為2.0m/s，在距離中心軸線約71m的位置取到旋流器內(nèi)部流場負(fù)的最大值約為0.7m/s；當(dāng)插入深度為265mm時，此時的最大正向速度為1.7m/s，當(dāng)插入深度為225 mm時，此時的最大正向速度為1.6 m/s，可以看出隨著溢流管插入深度的增加，旋流器內(nèi)部流場的最大速度逐步增大，但最大值出現(xiàn)的位置均為中心軸線位置。

圖2 軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線

對溢流管插入深度225 mm、265 mm和305 mm的二段段旋流器軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線進行分析，僅展示插入深度為305 mm的二段旋流器軸向速度云圖及速度分布曲線如3所示。

從圖3-1中可以看出，在溢流管插入深度為305 mm的情況下，二級旋流器內(nèi)部的流場分布在軸向速度方面呈現(xiàn)出對稱的特性，對稱軸仍為二段旋流器的中軸線上，在二段旋流器的中段部位，由于溢流口與底流口出現(xiàn)倒吸的空氣柱使得底流口附近的流速突然增加，而沿著旋流器口壁的位置速度有一定的下降，同時由于二段旋流器內(nèi)部的離心力不足，使得旋流器內(nèi)部的流體的速度不足，出現(xiàn)底流口夾帶一定的細(xì)顆粒。從圖3-2中可以看出，二段旋流器內(nèi)部流速隨著距離中心軸線的距離增大呈現(xiàn)出先降低后增大再減小的趨勢，當(dāng)溢流管插入深度為305 mm時，負(fù)最大值出現(xiàn)在中心軸線位置，最大值為7.2 m/s，在距離中心軸線約20 m的位置取到旋流器內(nèi)部流場正的最大值約為7.6 m/s，三種溢流管插入深度下的流場流速變化趨勢大致相同。

圖3 軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線

對側(cè)溢流連接口徑對一段旋流器內(nèi)部軸向流速進行研究，側(cè)溢流的口徑（用溢流管截面積表示，下文相同）分別為800 mm2、1 200 mm2、2 000 mm2，一段旋流器軸向速度云圖如圖4所示。

圖4 不同連接口徑下軸向速度的云圖

從圖4中可以看出，在不同側(cè)溢流口徑下一段旋流器內(nèi)部流場流速也呈現(xiàn)出對稱分布的特點，對稱軸為一段旋流器中軸線上，在中心區(qū)域出現(xiàn)倒吸形成的空氣柱，導(dǎo)致底流口的軸向速度突然上升，在溢流管中心軸向速度出現(xiàn)突降。當(dāng)側(cè)溢流口徑為2 000 mm2時，此時的溢流口及底流口軸向速度的突降突升現(xiàn)象明顯小于側(cè)溢流口徑為800 mm2和側(cè)溢流口徑為1 200 mm2，同時在溢流管管壁上升流區(qū)域的軸向速度較溢流口徑為800 mm2和側(cè)溢流口徑為1 200 mm2也有了一定的下降，當(dāng)側(cè)溢流連接口徑為2 000 mm2時，側(cè)溢流連接段上升流的顏色明顯較溢流口徑為800 mm2和側(cè)溢流口徑為1 200 mm2更深，這是由于隨著側(cè)溢流連接口徑的增大，一段溢流的排水量降低，此時空氣的倒吸現(xiàn)象減弱，內(nèi)部流場的流速降低。

3 結(jié)論

1）通過對不同溢流管插入深度下一段旋流器內(nèi)部流場速度進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著溢流管插入深度的增加，旋流器內(nèi)部流場的最大速度逐步增大，最大值出現(xiàn)的位置為中心軸線位置。

2）二段旋流器內(nèi)部流速隨著距離中心軸線的距離增大呈現(xiàn)出先降低后增大再減小的趨勢。

3）通過對不同側(cè)溢流口徑下一段旋流器內(nèi)部流場流速進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)溢流連接口徑的增大，一段溢流的排水量降低，此時空氣的倒吸現(xiàn)象減弱，內(nèi)部流場的流速降低。