旋流器余能回收裝置設計研究

帖志國

（山西煤炭進出口集團中北煤炭儲運有限公司，山西 太原 037000）

引言

我國作為能源儲存及消耗大國，隨著對能源需求量的不斷增長，已經對我國能源安全造成了一定的威脅。煤炭資源作為我國各個行業及各種能源的基礎原料，在我國當前煤炭行業較為低迷的情況下，煤炭資源仍是我國支柱能源。雖然“十三五”規劃提出要以“清潔、高效、安全、可持續”為我國能源發展道路，但清潔能源產量較低，無法滿足我國對能源的需求，所以煤炭行業仍是我國的支柱產業。煤炭的清潔利用是當下煤炭利用的重中之重，煤炭的清潔利用主要通過煤炭分選實況，旋流器作為洗煤廠重要的分離分級分選設備，由于其分選精度高，設備結構簡單等優點，被選煤行業廣泛應用。旋流器通過將原料進行三維旋轉流動，利用離心力場實現原料的分級或分選[1-2]。傳統的旋流器出料口分為底流和溢流口，當原料進行分選后經過溢流口流出時，此時由于旋流器依然具有較快的速度，所得動能浪費較為嚴重[3]，如果能將此部分能量進行回收再利用，將會降低分選成本，因此本文設計一種余能回收裝置，在保證分選精度的同時，降低成本，為選煤廠降本增效提供一定的參考。

1 溢流余能回收裝置設計

由于我國一次能源利用率低，所以需要大力發展節能減排技術，在此基礎上盡量利用二次能源，對一次消耗能源的殘留進行有效利用回收，傳統的動能回收利用主要是靠動能水力發電技術，通過水輪機將動能轉為電能并進行儲存。在考慮水輪機發電原理的基礎上，本文設計了一套布置于旋流器溢流口處的余能回收裝置，溢流余能回收裝置結構示意圖如圖1所示。

2 溢流余能回收裝置參數研究

圖1 溢流余能回收裝置結構示意圖

對設計的余能回收裝置進行研究，研究葉片對旋流器內部流場的影響，首先進行模型建立，本文利用ANSYS數值模擬軟件對葉片安裝最佳角度進行流場模擬，對旋流器進行建立，旋流器結構尺寸如下：旋流器內徑150 mm、入料口直徑48 mm、溢流管插入深度200 mm、溢流管直徑50 mm、底流口直徑24 mm、錐角20°、入料壓力0.085 MPa、入料流量17.467 m3/h。對模型進行網格劃分，網格劃分時，為保證計算的精度及計算的速度，本文采用六面體網格進行模型劃分，劃分后共計384 536個網格。首先對無葉輪下的旋流器內部流場及壓力分布進行分析，模擬云圖如圖2所示。

圖2 模擬云圖

根據圖2所示，對旋流器中水分布云圖進行分析，發現在溢流管范圍內均為空氣柱，只在溢流管出料口位置存在水流層，但水流分布較小，所以確定葉輪安裝位置需要放置在出料口外。觀察旋流器內部壓力分布情況可以看出，旋流器內部壓力呈現對稱分布特征，在旋流器中間部位為負壓區域，負壓區域對應著空氣柱的位置，這也是由于處于負壓位置，所以導致空氣柱的形成。隨著空氣柱向外逐步擴展可以看出壓力逐漸變大，旋流器內部壓力最大位置位于旋流器器壁位置，出現此規律的原因是由于旋流器入料方式選用漸開線式切向入料，這就導致在器壁位置壓力最大。在溢流管的頂端壓力同樣呈現為負壓區，但在此處的壓力能較低，所有無需回收。

對葉片安裝角度為20°時的旋流器內部流場進行模擬，葉輪的結構尺寸為內徑15 mm、外徑125 mm、葉片尺寸50 mm×50 mm、葉片角為20°。對葉片角20°下的旋流器內部流場及壓力分布進行分析，模擬云圖如圖3所示。

圖3 優化后模擬云圖

由圖3可以看出，當葉片角設定為20°時，此時旋流器及溢流余能回收裝置空氣分布與上頁圖2旋流器空氣分布相比較而言，內部空氣柱的穩定性及空氣均勻性較差，同時相比而言空氣柱的半徑減小一半，造成旋流器的分選效果受到一定的影響，此時的底流夾細量增大。觀察靜壓分布云圖，可以看出與原旋流器下空氣分布云圖類似，在空氣柱位置存在負壓區域，在溢流余能回收裝置中負壓值較小，此時在相同入料流量下安裝溢流余能回收裝置會使得入料的壓力降低。所以增加溢流余能回收裝置后應當加大入料壓力。

對溢流余能回收裝置進行參數研究，對不同葉片角下轉速隨入料壓力的變化趨勢進行分析，繪制40 mm溢流管、50 mm溢流管下轉速隨入料壓力的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，在相同溢流管徑下，轉速隨著入料口壓力的增大呈現逐步增大的趨勢，轉速越大，代表溢流余能回收裝置能夠回收的能量也就也大，能量回收效果較佳，兩者呈現正相關關系。當葉輪的葉片角設定為20°時，此時當入料壓力設定為0.095 MPa時，此時在溢流管徑為50 mm時達到最大轉速，最大轉軸轉速為1 550 r/min。當葉輪的葉片角為10°以及15°時，此時考慮到葉片角較小，葉輪葉片受到的溢流漿體推力作用增大，所以在此條件下當入料壓力達到一定值時，此時的工作機構會出現脫離工作區域的情況，從而導致試驗數據出現不準確的情況。當葉輪的葉片角在60°～140°時，此時葉輪轉速均較低，在此之中，效果最差為120°，而當溢流管徑為40 mm時，此時120°的葉片甚至無法轉動。所以可以看出最佳的葉輪葉片角為20°，最佳的入料壓力為0.095 MPa。

圖4 轉速隨入料壓力的變化曲線

3 結論

1）對旋流器中水分布云圖進行分析，發現在溢流管范圍內均為空氣柱，只在溢流管出料口位置存在水流層，但水流分布較小，從而得出最佳葉輪安裝位置為出料口外。

2）相同入料流量下安裝溢流余能回收裝置會使得入料的壓力降低，所以增加溢流余能回收裝置后應當加大入料壓力。

3）從40 mm溢流管、50 mm溢流管下轉速隨入料壓力的變化曲線可以看出，最佳的葉輪葉片角為20°，最佳的入料壓力為0.095 MPa。