參數變化對水力旋流器流場的影響

郭丹丹

（山西焦煤霍州煤電三交河煤礦， 山西 洪洞 031400）

0 引言

選煤廠是對原煤進行處理加工的場所，可對原煤的等級進行劃分，從而實現了對煤炭資源的充分利用。旋流器、振動篩等均為選煤廠的核心設備。其中，旋流器包括水力旋流器和重介質旋流器。水力旋流器由于其結構簡單、操作方便以及成本低等優勢被廣泛應用。但是，當前對水力旋流器的理論研究較少，對其生產時的流場特性掌握不充分。基于此，將重點研究水力旋流器的流場特性，為今后水力旋流器的分選效果、分級效果以及濃縮等效果參數設計奠定基礎。

1 水力旋流器概述

水力旋流器主要對兩種或多種密度不等的液相在流體壓強的作用下進行分離。鑒于水力旋流器的離心加速度遠大于待分選物料的重力加速度；因此，水力旋流器的分選效果遠高于重力旋流器，水力旋流器的基本結構如圖1 所示。

圖1 水力旋流器基本結構示意圖

從理論上講，水力旋流器的分選效果與其本身的參數相關，包括結構參數、操作參數以及物性參數等[1]。本文重點對不同結構參數和操作參數下水力旋流器的流程進行分析，為確定最佳工藝參數提供支撐。其中，操作參數主要指水力旋流器的給入流量、分散相濃度和安裝角度。結構參數重點指水力旋流器的入口結構尺寸、柱段結構尺寸、溢流管結構尺寸、錐段結構尺寸、沉砂管結構尺寸等[2]。

2 參數變化對水力旋流器流場的影響

2.1 給入流量對水力旋流器流場的影響

本節對水力旋流器給入流量為5 L/min、15 L/min、25 L/min、35 L/min 以及45 L/min 五種情況下其內部流場的變化進行分析。

2.1.1 給入流量對空氣柱的影響

給入流量參數直接反映為水力旋流器中的礦壓強。當給入流量越大時，在水力旋流器內部形成空氣柱所需的時間越短，其內部流場越快達到動態平衡狀態；而且不同給入流量對應最終所形成空氣柱的直徑也存在明顯的差異。對上述兩種情況進行定量仿真分析，仿真結果如表1 和圖2 所示[3-4]。

表1 不同給入流量對應空氣柱成型所需時間

圖2 不同給入流量對應所成型空氣柱的直徑

如表1 所示，隨著給入流量的增加，水力旋流器內部空氣柱的成型所需時間減小；不同的是，當給入流量為25 L/min 時，繼續增大給水流量，空氣柱成型所需時間減少幅度減小。

如圖2 所示，空氣直徑最大對應的給入流量為5 L/min，其次為15 L/min；從給入流量為25 L/min 開始所形成的空氣柱的直徑大致相同。

單從對不同給入流量對空氣柱的影響來看，應將給入流量設定在25～45 L/min 之間。

2.1.2 給入流量對水力旋流器分離比和壓強降的影響

通過上述研究，重點對給入流量為25 L/min、35 L/min 以及45 L/min 時對水力旋流器分離比壓強降的影響仿真分析，通過仿真分析得出不同給入流量下對應水力旋流器內部沉砂分流比和總壓降結果如表2所示。

表2 不同給入流量下水力旋流器的壓降和分流比對比

如表2 所示，隨著給入流量的增加，水力旋流器中沉砂分流比減小；對應的水力旋流器中總壓降增大。水力旋流器分選的動力源為通過壓強實現物料的分選。因此，當壓降過大時，會直接影響物料的分選效果。

綜上對于水力旋流器而言，為保證分選效果應將給入流量設定為25 L/min 為最佳。

2.2 柱高度對水力旋流器流場的影響

本節對水力旋流器給柱高度為50 mm、72 mm、85 mm 以及100 mm 四種情況下其內部流場的變化進行分析。

2.2.1 柱高度對空氣柱的影響

柱高度屬于水力旋流器的結構參數。當柱高度越大時，在水力旋流器內部形成空氣柱所需的時間越長，其達到內部流場動態平衡狀態所需時間也越長；而且不同柱高度對應最終所形成空氣柱的直徑也存在明顯的差異。對上述兩種情況進行定量仿真分析，仿真結果如表3 和圖3 所示。

表3 不同柱高度對應空氣柱成型所需時間

圖3 不同柱高度對應所成型空氣柱的直徑

如表3 所示，隨著柱高度的增加，水力旋流器內部空氣柱的成型所需時間延長；不同的是，當柱高度為72 mm 時，持續增加柱高度對應空氣柱成型的時間相近，與100 mm 柱高度僅差0.1 s[5]。

如圖3 所示，隨著柱高度的增加對應所形成空氣柱的直徑減小；而且當柱高度為100 mm 時，空氣柱還存在中斷的趨勢。單從對不同給柱高度對空氣柱的影響來看，應將柱高度設定在72～85 mm 之間合理。

2.2.2 柱高度對水力旋流器分離比和壓強降的影響

對柱高度為50 mm、72 mm、85 mm 以及100 mm對水力旋流器分離比壓強降的影響仿真分析，通過仿真分析得出不同柱高度下對應水力旋流器內部沉砂分流比和總壓降結果如表4 所示。

表4 不同柱高度下水力旋流器的壓降和分流比對比

如表4 所示，隨著柱高度的增加，水力旋流器中沉砂分流比先增大后減小，且在柱高度為85 mm 時對應的沉砂分流比最高；對應旋流器總壓降減小。

因此，綜合比較不同柱高度對水力旋流器內部成型空氣柱達到穩態所需時間和總壓降、沉砂分流比，將柱高度設定在85 mm 為最佳。

3 結論

水力旋流器為選煤廠的分選設備之一，其依靠設備內部壓強以及離心加速度實現對物料的分離，與傳統重介質旋流器相比具有分選效果好、成本低以及操作簡單的優勢。水力旋流器的結構參數和操作參數是影響最終分選效果的關鍵參數。本文通過試驗仿真重點對結構參數中的柱高度和操作參數中的給入流量對水力旋流器流場的影響展開研究，并總結如下：

1）對于操作參數的給入流量而言，當給入流量為25 L/min 時，對應空氣柱成型達到動態穩定的時間、總壓降等方面最佳，有利于對物料的分選。

2）對于結構參數的柱高度而言，當柱高度為85 mm 時，對應空氣柱成型達到動態穩定的時間、總壓降等方面最佳，有利于對物料的分選。