旋流器底流排礦狀態數值模擬研究

徐嘉晨

（晉能控股煤業集團煤炭洗選分公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著我國煤炭行業的快速發展，煤礦配套機械也在日益更新，水力旋流器又被稱為旋液分離器，其作為一種高效的分離設備，已經被用在常見的兩相流體分離工作中。旋液分離器由于其獨特的內部構造使得壓入旋流器內部的漿體以一種螺線的方式流動，在旋流器內部復雜的應力場環境下，礦漿會被分離為不同品質的沉砂和溢流[1-2]。常見的水力旋流器分離的對象可分為五大類型，分別為固—固分離、固—液分離、固—氣分離、氣—液分離、液—液分離，而在洗煤廠工作中，常用于固—液分離及固—固分離。考慮到水力旋流器內部流場關系較為復雜[3-5]，其工作參數對水力旋流器的分級性能影響的研究較少。

本文以固—液水力旋流器為研究對象，利用數值模擬軟件對不同結構參數下分級效果進行分析，為水力旋流器的優化設計提供一定的參考。

1 排礦角度影響研究

水力旋流器是一種高效兩相分離設備，在實際工作工程中，水力旋流器內部是由固、液、期三相流體組合而成，同時在水力旋流器內部會形成一段空氣柱，由于空氣柱的存在使得旋流器內部的流場變得十分復雜，同時空氣柱的存在使得旋流器的工作性能大打折扣，所以想要精確地分析多相流場的分布情況，選定合適的多相流模型是十分重要的。本文選定Eulerian 法作為多相流模型，Eulerian 法是將流場的主相和次相視為可滲透連續相，對于本文分析最為精確。模型采用外接軟件導入，導入的模型三維結構如圖1 所示。

圖1 錐角旋流器模型結構

模型的外部結構參數如表1 所示。

表1 旋流器外部結構參數參照表

完成模型外部結構設計后對模型進行網格劃分，本文選定六面體結構網格，網格劃分工具選用ICEM CFD，完成網格劃分后對模型的應力條件及求解器進行設定，首先進行應力條件設置，在旋流器的給料口以相同速度注入水和顆粒，注入顆粒及水的速度均為8 m/s，為了避免礦粒度對模擬過程的影響，本文的顆粒度均為唯一定值，完成模擬條件的設定后對模型的求解器進行設定，考慮到本文的計算精度及計算時間，本文壓力速度耦合選定為Phase Coupled SIMPLE，體積離散的模型選用Modified HRIC，重力加速度設定為9.8 m/s，方向垂直于Z 軸。模型設定完成后對模型進行模擬計算。

首先對不同排礦角度下的旋流器固相分布影響進行研究，給出平面內固相分布云圖如下頁圖2 所示。

圖2 不同排礦角下固相分布云圖

如圖2 所示可以看出，在傘狀排礦模式下，固體顆粒在底流的錐形壁面位置形成大面積的高濃度聚集區域，當排礦模式改變為繩狀時，此時的固體顆粒會在錐形部位形成一定高度的高濃度區域，當排礦角為42°時，此時細顆粒隨著水流動到沉砂中，使得旋流器的分級效率有了一定的降低，當旋流器的排礦角為29°和25°時，此時的沉砂濃度高，大部分細顆粒可以隨著流動的水進入到溢流中，此時的粗顆粒能夠從沉砂口中較好地排出，能夠較好地實現分級效率，水力旋流器內部形成的分級流場較好。

2 對旋流器結構參數的影響研究

針對旋流器的操作參數對排礦的影響進行研究，首先對給礦濃度的影響進行分析，固體顆粒進入旋流器后受到各種力的作用使得顆粒按照一定的物理特性進行分離、沉降，因此限定固相的濃度在一定程度上也限制了旋流器的分離，對沉砂固體含量隨著給礦固體濃度的變化曲線如圖3 所示。

根據圖3 可以看出，在傘狀排礦的情況下，隨著給礦固體濃度的增加，沉砂固體含量也呈現逐步上升的趨勢，而當為繩狀排礦時，此時旋流器的底流沉砂密度保持在一恒定值附近，不會隨著給礦濃度的增大而增大，根據對繩狀情況下的沉砂量隨給礦固體濃度變化情況進行對比分析發現，沉砂固體含量波動最大值不超過7%，可以看出水力旋流器繩狀排礦下，底流的固體含量為一定值。水力旋流器內部靠著機械離心力的作用使得物料分離，隨著給礦濃度的增大，使得礦漿的黏度增加，使得礦漿在水力旋流器內部的離心作用效果降低，使得旋流器內部礦漿的分布密度增大，在錐形界面處聚集的固體顆粒增多，從而使得旋流器內部空氣柱形成受到影響，固體顆粒無法順利排出。

圖3 沉砂固體含量隨著給礦固體濃度的變化曲線

角錐比是影響水力旋流器排礦情況的重要參數，當角錐比小于或者大于某一數值時，此時無論如何改變其他參數，水力旋流器排礦狀態不會出現傘狀與繩狀的轉換，研究排礦角度隨著角錐比的變化散點圖如圖4 所示。

圖4 排礦角度隨著角錐比的變化散點圖

從圖4 可以看出，角錐比的數值直接影響排礦角度，在旋流器傘狀排礦狀態下，隨著角錐比的增大，排礦角度逐步增大，與此同時排礦狀態也在傘狀與繩狀之間相互轉化，而在旋流器繩狀排礦狀況下隨著角錐比的增大排礦角度較為穩定，雖有一定的波動，但波動范圍小于8%，當角錐比為0.3 時，此時的排礦角度為31°，當角錐比為0.6 時，此時的排礦角度為78%。

3 結論

1）本文給出了水力旋流器結構參數尺寸，通過對網格劃分、初始條件、求解方法等進行設定，為后續的數值模擬提供一定的基礎。

2）旋流器排礦狀態由傘狀轉化為繩狀的過程中，在沉砂口位置粗顆粒聚集，當聚集到一定程度時，使得內部空氣柱無法形成，從而使得繩狀排礦，且當排礦角為25°～30°時分離效果最佳。

3）通過研究發現，當旋流器結構參數一定時，給礦濃度對旋流器的分級影響十分明顯，給礦濃度越大，沉砂的黏度和密度越大，導致旋流器排礦角度越小，持續增加排礦濃度使得水力旋流器排礦狀態轉變為繩狀。