基于流場分析的選煤分選機筒體優化

趙道文

（晉能控股煤業集團大地選煤工程有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

煤炭是我國重要的能源形式，隨著對煤炭清潔高效利用的要求，對煤炭分選的質量要求不斷提高。我國的煤炭質量整體灰分偏高，開采的原煤多以難選及極難選煤為主，對煤炭分選設備的要求較高。液固流化床分選機是主要的粗泥煤的分選設備，其能夠減少入料引起的振動及沖擊作用，延長旋流器的使用壽命[1]，降低選煤設備的使用成本。在分選機使用的過程中，通過上升的水流作用引起向上的擾動作用，使得流化床中的泥煤顆粒具有不同的速度，從而在分選機的筒體內產生分離作用，上下沉浮運動[2]，向上運動成為溢流精煤，向下運動成為尾礦矸石，完成煤炭的分選。在水流沖擊的過程中，分選機筒體的結構對泥煤的流場具有直接的影響作用，從而影響分選的效果[3]。針對筒體的結構從泥煤分選的流場及顆粒運動進行分析，對筒體的結構進行優化，從而提高分選機進行泥煤分選的效果[4]，提高煤炭的質量。

1 粗泥煤分選機的流場分析

采用流體動力學仿真的形式對現有某型號的分選機進行流場分析，選用Fluent 流體仿真軟件進行建模分析。Fluent 軟件能夠對流體的流動、熱傳遞、化學反應等進行仿真分析，且能方便地進行前后處理[5]，適用于對分選機內的流場進行分析。泥煤分選機的筒體結構為圓柱形，其整個流場關于軸心對稱，選擇分選機的縱剖面為計算域進行分析。采用ANSYS Workbench 建立分選機的二維模型[6]，分選機筒體的高度為1.5 m、直徑為1 m，入料管的深度為0.5 m、直徑為0.1 m，壓力出口的高度為0.15 m，并對筒體進行網格劃分處理，得到筒體的結構模型如圖1 所示。

圖1 分選機筒體的結構模型

在分析過程中，底部的排料量對流場的擾動作用有限，僅考慮入料泥煤及上升水流的速度作用，底部邊界為流場提供穩定的上升水源，頂部邊界為溢流口與大氣相同，入料口管道位于頂部的中間位置[7]。采用瞬態算法及壓力耦合方程對壓力及速度進行耦合求解，設定時間步長為0.05 s，時間步長為1000個，設定入料口的速度為40 mm/s，上升水流的速度為35 mm/s，對筒體內的流場進行分析[8]。對筒體中間時段第15 s 時的流場進行提取，如下頁圖2 所示，分選過程中，泥煤顆粒與上升的水流接觸后[9]，泥煤顆粒向上擴散，低密度的泥煤顆粒隨著水流上升，經過溢流口而析出形成精煤，高密度的泥煤顆粒（尾礦、矸石顆粒等）所受到的重力作用較大，克服水流的作用而向下運動[10]，下沉到分選機的筒體底部而形成尾礦析出。

從下頁圖2 可以看出，在進行分選的中間時段，在上升水流的作用下，筒體內的泥煤發生一定的返混現象，低密度的顆粒穿過流場上升到一定的高度后會下降到流場的底部，這是由于在上升水流及進料流場的作用下形成一定的湍流區域，水流速度復雜，紊流較多，相對于靠近筒壁的上升水流速度小，浮力作用較小，減小了泥煤顆粒向頂部溢流口的運動，造成泥煤的分選不充分，降低煤炭分選的質量，導致分選精煤的灰分偏高。

圖2 筒體內15 s 時的流場分布

2 粗泥煤分選機筒體結構的優化

2.1 分選機筒體結構的正交優化

采用二次回歸正交設計的方法對分選機的筒體結構進行優化設計，將分選機在常規工況下的分選精度作為目標變量y，依據筒體的結構，變徑段距頂部距離L 為200 mm，將筒體入料管的深度設定為z1，其值范圍為422～578 mm，筒體變徑段的角度設定為z2，其值范圍為17°～23°，分選機筒體圓柱段的長度定義為z3，其值范圍為620～780 mm，如圖3所示。依據變化因素對目標變量的影響[11]，建立最小二乘法回歸方程為：

圖3 分選機筒體結構的正交優化取值

式中：b 為不同的回歸系數；x 表示變量值z。

采用二次回歸正交實驗的方式進行求解，對所設定的三個變量值采用Fluent 軟件記性模擬計算，得到分選機內部流場的不同結構對分選精度的影響。在三個變量中，筒體入料管的深度對分選精度的影響呈先增加后穩定的變化，筒體變徑段的角度對分選精度的影響呈先減小后增加的變化[12]，分選機筒體圓柱段的長度對分選精度的影響呈先減小后增加的變化。經過對三個變量值進行模擬計算，得到分選精度的二次回歸方程為：

將回歸方程轉化為非線性條件下的約束計算，得到在限定的范圍內筒體結構優化的設計參數滿足下式：

其中，f1（z）為凸函數，對其在限定的范圍內進行求解，得到筒體結構的最優參數為z1=489 mm、z2=21°、z3=722 mm，由此完成對分選機筒體結構的優化計算。依據分選機筒體的優化結構，對其內部流場進行模擬分析。

2.2 結構優化后筒體流場的分析

針對優化后筒體的結構，采用Fluent 軟件進行內部流場的分析，具體的邊界條件設定與前述的分析一直，經過模擬計算，其內部的顆粒分布如圖4 所示。

圖4 優化后的筒體內部流場分布

從圖4 可以看出，采用優化后的筒體結構形式，增加了流體的過流面積，上升水流由底部上升到第一段變徑時，其軸向的速度逐漸降低，繼續上升的過程中，過流面積的減小使得上升的水流速度增加。分選過程中的泥煤顆粒在向上、向外運動擴散的過程中，受到的向上的流體作用力是變化的，其可以提高泥煤分選機的分選精度。在變徑段的區域，存在著部分顆粒的循環流動，從傾斜的變徑段向下滑移的過程中，在變徑段的底端受到較大的上升水流作用，重新進入變徑段的區域。次位置位于入流口的高度以下，過流面積逐漸增加，高密度的顆粒不會進入溢流口中，從而可以提高分選的精度。

3 結論

泥煤分選機是進行煤炭分選的重要設備，隨著對煤炭質量的要求提高，對泥煤的分選質量也提出了較高的要求。在泥煤分選的過程中，由于上升水流與入口泥煤流的相互作用，造成一定的紊流，低密度顆粒不能進行充分的分選，從而使得分選的精煤灰分偏高，降低煤炭的質量。采用二次回歸正交優化的方式對分選機的筒體結構進行優化設計，設計了筒體結構的變徑段，并得出分選質量與筒體結構參數之間的回歸方程，從而得到最優化的筒體結構。對優化后的筒體結構內部流場進行分析可知，結果優化后的在上升水流與入口泥煤流的相互作用的區域，過流面積是逐漸增加的，從而有利于低密度顆粒的充分析出，且高密度顆粒不會進入溢流口中，提高了泥煤的分選精度，有利于煤炭的清潔使用。