重介淺槽分選機槽體內重介質入料運動形態模擬

王慧峰

（華陽新材料集團二礦選煤廠， 山西 陽泉 045000）

引言

在塊煤分選方面，重介淺槽分選機為主要設備，具有較高處理能力，在短時間內取得較好分選效果，應用日漸廣泛。而實際在設備應用過程中，想要達到更高分選效率，實現精煤的高效生產，還應對分選機槽體內介質入料運動規律展開分析，通過數值模擬方法把握入料運動形態，合理進行分選機結構優化，通過減少煤炭顆粒錯配達到清潔生產目的。

1 重介淺槽分選機槽體內重介質入料過程

如圖1 所示，為重介淺槽分選機的入料位置結構，主要依靠阿基米德原理使重產物和輕產物分別在懸浮液中下沉和上浮，從而實現煤炭顆粒分選。通過水平和上升的介質管，重介質懸浮液會將槽體充滿。經過篩分后，達到粒度要求的顆粒將從入料口進入分選機。懸浮液密度固定，能夠使密度小顆粒在上層懸浮，在水平介質的帶動下進入排料口。而矸石密度大，將直接落入排料裝置。

圖1 分選機入料位置結構圖

在物料輸送期間，水平介質流依靠給入夾角確保物料完全浸入槽體，同時發揮穩定上層介質密度的作用。依靠上層介質流，可以使礦粉在向上作用力下保持懸浮態。在淺槽內物料可以保持恒定密度，平穩運動，在懸浮液中減少相互加壓摩擦，在相對靜態下完成分選，達到較高分選精度[1]。

2 槽體內重介質入料運動形態的模擬分析

2.1 模型建立

從槽體內重介質入料運動過程來看，主要受上升流和水平流的影響。在槽體內不同的區域，上升流和水平流的流速將發生變化，可能造成局部流場穩定被破壞，繼而給物料分揀精度帶來影響。因此應對槽體內重介質入料運動形態進行模擬分析，有效揭示物料分選過程中流體運動規律。考慮到重介質入料需要經歷復雜流動過程，涉及流動、傳動等相關理論，需要引入計算流體力學CFD 產品進行數值模擬，運用離散化數學思想對流體力學問題展開研究[2]。而Fluent 作為廣泛應用的CFD 軟件包，擁有豐富物理模型和強大運算功能，可以用于對淺槽側部二維圖進行模擬，生成形狀規范的物理模型。在工業生產實踐中，分選機擁有較大結構尺寸，利用試驗模型裝置展開分析，槽體長、寬、高分別為1300 mm、350 mm 和350 mm，溢流堰和入料口長均為525 mm，如圖2 所示。對模型進行網格劃分，需要劃分為上升槽、水平槽、溢流堰等部分，生成579665 個網格。在參數設置上，將入口上升流速和水平流速分別設定為0.2 m/s 和0.3 m/s，滿足VELOCITY-IN-LET 邊界條件，溢流堰出口滿足OUTFLOW 條件。

2.2 分析過程

對重介質入料運動進行模擬，可知分選機內部流體將保持湍流流動，由來自側面水平流和底部上升流構成，同時也將受到刮板擾動影響。按照從上至下的順序，需要將槽體劃分為溢流區、分選區和底流區三個區域，各區擁有不同的速度場。煤和給入介質將一同進入槽體，假設二者初始速度相同，想要使物料進入中間分選區，避免被上層溢流區帶入溢流堰，進入槽體速度通常與Y 軸保持一定夾角，在不同區域產生相應的分速度。在實際分析時，需要分別對Y 值為300 mm、200 mm 和100 mm 位置流體速度進行分析，確定不同區域流速變化。而在相同區域內，核心位置速度通過上升流和水平流獲得，擁有較大數值，而邊緣位置因流體擾動將產生較小速度值。因此在物料進入槽體后，將與X 軸保持夾角，需對X 值為300 mm和100 mm 處的流速展開分析。根據各區界線對選區上中心點和邊緣點的流速展開分析，能夠掌握槽體內流場分布沿X 和Y 軸發生的變化。在理想狀態下，物料進入后將穿過溢流區，在分選區受上升流作用產生向上速度。而流速過高或過低，將造成流場紊亂，造成物料進入底流區，矸石也無法順利下沉。對各區理想流速進行分析，能夠為槽體結構設計提供參考。

2.3 模擬結果

2.3.1 流場分析

從分析結果來看，溢流區邊緣位置流速從0 逐步提升至0.25 m/s，接近槽體中間時開始下降。到達溢流堰周圍，速度重新提升，達到0.2 m/s。如圖3 所示，為仿真效果圖，受水平流擾動因素的影響，槽體邊緣將產生流速，促使入料向溢流堰運動，能夠為物流提供動能，加速物料排出。在該區的核心位置，流速從0.25 m/s 迅速降低，接近溢流口時重新提升至0.2 m/s。分析原因可知，受水平流影響，入料斷面逐步擴大，因此流速有所下降。但在溢流口位置斷面迅速收縮，促使流速突然提升，容易給溢流堰帶來較大沖擊，造成該部位磨損嚴重。

從分選區的流場分布情況來看，邊緣位置流速不斷上下波動，數值在0.05～0.12 m/s 范圍內。在到達中間位置時，流速迅速提升至0.25 m/s，主要是由于同時受到上升流和水平流的擾動。因為流速波動過大，容易引發渦流，與流體膨脹后產生較多能量損耗，給分選效果帶來了不利影響。在核心位置，流速從0 提升至0.3 m/s，隨后下降。在接近溢流口位置，重新提升至0.15 m/s。該處流速通過水平流和上升流獲得，有助于精煤向上懸浮。

從底流區的流場分布來看，邊緣位置流速從0 提升至0.12 m/s，接近中間位置后開始下降。在接近底部邊緣時，流速重新提升至0.14 m/s，主要是受到上升流作用，有助于重介質保持懸浮態。在核心區域，流速從0 提升至0.16 m/s，隨后開始下降，接近槽體中央時達到最大值，而該處流速同樣受上升流作用。

2.3.2 運動分析

通過模擬分析可知，水平流發揮將物料從入口送至出口的作用，應避免流速過快造成物料在槽體內停留時間過短，同時避免流速過慢造成物料無法順利輸送。上升流的設定應確認最大斷面位置流速比干擾沉降速度大，發揮穩定重介懸浮液密度的作用，但也應當避免流速過大造成高密度細粒到達懸浮區，隨著水平流沖出，給精煤帶來污染。在分選區，同時受上升流和水平流作用，造成流體流速較大，容易出現復雜湍流，給分選帶來不利影響，因此還應確保水平流和上升流保持恰當的比例，確保槽體內部流體可以平穩流動，有效提高分選效率和精度。

實際在入料流速與X 軸保持40°夾角時，將水平流速設定為0.287，上升流達到0.28 m/s。在槽體內流場穩定后，使顆粒粒度從6 mm 增加至150 mm，重介質密度達到1500 kg/m3，確認各粒徑物料運動路徑。如果物料可以穿越分選區進入底流區，判斷能夠順利分選。從分析結果來看，在流速相同的情況下，各粒徑物料沉降速度出現了明顯差異。物料粒徑越小，沉降越慢，因此粒徑6 mm 物料在10 s 內難以到達沉降區，影響了分選速度，而粒徑10 mm 以上物料均能順利到達淺槽底部。

如果提高上升流速，使流速達到0.36 m/s，粒徑在8 mm 以上的物料能夠達到精選要求，但粒徑為6 mm 的物料在接近溢流口時容易被水平流夾帶，造成精煤受到污染，由此可見試驗的分選機的分選下限為8 mm。

3 結論

對分選機槽體內重介質入料運動形態進行模擬可知，在溢流區、分選區和底流區中，只有分選區同時受水平流和上升流作用。在水平流大小達到物料溢流要求的基礎上，還應與上升流保持適合比例，確保槽體內部流體平穩，確保物料能夠得到高效、精確分選。根據分析結果可知，上升流從0.28 m/s 提升至0.36 m/s，能夠對8 mm 以上物料進行高效精選，使槽體內維持理想流場分布。