煤泥水分級池設計與數值計算

朱宏政,劉令云,朱金波,閔凡飛

(安徽理工大學材料科學與工程學院,安徽淮南 232001)

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煤泥水分級池設計與數值計算

朱宏政,劉令云,朱金波,閔凡飛

(安徽理工大學材料科學與工程學院,安徽淮南 232001)

摘 要:針對煤泥水不分級處理存在的重復分選、浮選效率低等問題,提出一種新型煤泥水分級池。利用水力分級原理和黏性流體阻力規律,設計了新型煤泥水分級池以及正四邊形和正六邊形2種形狀整流管束,利用Fluent軟件對兩種形狀時池體內流場分別進行了數值計算,并對比分析了兩者流場分布特征,以及流速、雷諾數、沿程損失等流體力學參數。研究表明,正四邊形和正六邊形管束均有控制流態的作用,采用正六邊形管束時,管束之間速度差略大,但平均沿程損失略小,而采用正四邊形管束時,各管束之間速度差較小,但平均沿程損失更大,流場分布更均勻,更有利于顆粒的準確分級。因此,煤泥水分級池將煤泥水連續分為多個粒級是可行的,可進一步進行實踐試驗研究。

關鍵詞:煤泥水;分級;流場;粒級

責任編輯:張曉寧

朱宏政,劉令云,朱金波,等.煤泥水分級池設計與數值計算[J].煤炭學報,2015,40(8):1924-1928.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1584

隨著我國煤質的不斷下降,原料煤中細粒含量越來越大,遇水浸泡易泥化的黏土類礦物含量不斷增多,易造成浮選藥劑消耗量大、浮選精煤灰分高、壓濾量集中等問題[1-2]。研究表明,重介質旋流器分選下限低于0.25 mm,0.50~0.25 mm粒級顆粒進入浮選系統屬于重復分選,同時浮選的最佳粒度范圍為0.250~0.045 mm[3],因此,有必要對煤泥水進行預先分級,并對各粒級分別處理。

1 煤泥水分級池

1.1 煤泥水分級池原理

我國大部分煤泥水中礦物顆粒符合“粒度越細,灰分越高”的規律,而不同粒度顆粒的干擾沉降末速度存在差異,因此,借助水力分級原理可以實現不同粒度顆粒的分離[10]。煤泥水中礦物顆粒粒度較小,控制上升水流速度,使其流態為層流,可按斯托克斯公式[11]計算顆粒的干擾沉降速度vg,即

其中,v0為自由沉降速度;n為濃度干擾指數;c為固體濃度。煤泥水經過整流管束產生沿程損失,可按達西公式[12]計算其沿程損失,即

式中,ξ為沿程阻力系數;l為整流管束長度;d為整流管束當量直徑;u為煤泥水運動速度;g為重力加速度。

1.2 煤泥水分級池結構

煤泥水分級池由多個緊密相鄰且高度不同的圓環柱組成(圖1)。煤泥水分級池上方設有一個環形入料槽,煤泥水沿入料槽內側均勻溢入最外側池體的下降區,在下降區內,煤泥水沿隔板向下流動,并繞過隔板到達池體的分級區,在分級區內設有整流管束,煤泥水經過整流管束調整為層流狀態,顆粒按其干擾沉降末速度進行水力分級(圖1中D1),大于D1的顆粒沉降至池體底部,由底流口排出,攜帶小于D1粒級顆粒的上升煤泥水流沿該池體的內側均勻溢入下一個池體,并完成類似分級過程,逐漸向中心池體流動,由于各池體分級區內側與隔板距離不同,其分級粒度也不相同,因此,煤泥水分級池由外向內,分級粒度逐漸減小,直至所設置的最小粒度(圖1為D6)。煤泥水分級池的底流由渣漿泵輸送到后續工藝,渣漿泵電機設有變頻調速器,通過調節底流流量,可間接調整對應池體的分級粒度,保證分級精度。

圖1　煤泥水分級池Fig.1 Schematic diagram of the slurry classification pond

當同值流量經過面積相等而濕周不等的2種過流斷面時,濕周長的過流斷面對流體阻力大。相同過流面積時,正四邊形管束濕周大于正六邊形管束,即采用正四邊形管束產生的阻力大于正六邊形管束,但流場分布特征未知,可對不同形狀整流管束時,煤泥水分級池內流場進一步研究。

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2 基于CFD的數值計算

2.1 數學模型

(1)連續性方程。

流體為水相,密度為常數,流動不可壓,因此連續性方程為

式中,u′為x方向的速度分量;v′為y方向的速度分量;w為z方向的速度分量。

(2)動量守恒方程。

式中,p為流體微元體上的壓力(靜壓);F為微元體上的其他外部體積力;τ為黏性應力張量;v為速度矢量;ρ為密度;t為時間;g為微元體上的質量體積力[13]。

2.2 邊界條件

設定分級池分級粒度為0.030 mm,入料口設置為速度入口(Velocity Inlet),條件為

式中,v為入料速度;Q為入料流量;S為入料面積;Re為雷諾數;R為水力半徑;ν為運動黏度系數;I為湍流強度。

出口設置為壓力出口,出口為自然溢流,與大氣相連,絕對壓強pa= 101 325 Pa,由于參考壓強pr設置值為101 325 Pa[14],因此壓力出口的表壓強pb應設置為0,即pb=pa-pr=0

過流區面積大,速度小,核心區的流動可認為是湍流,而壁面區黏性力在動量、熱量及質量交換中起主導作用,湍流切應力可忽略,流動幾乎為層流,采用半經驗公式將壁面上的物理量與湍流核心區求解變量相連接,即固體壁面設置為標準壁面函數[15]。

2.3 計算模型

煤泥水分級池各個池體內的分級過程均類似,且為完全對稱結構,因此,可將模型簡化為如圖2所示的幾何體模型,模型結構參數見表1。

圖2　簡化模型三維視圖Fig.2 3D view of the simplified model

表1　簡化模型結構參數Table 1 Structural parameters of the simplified model

在Gambit2.2.30中建立模型,并對模型進行網格劃分,如圖3所示,圖4為四邊形和六邊形整流管束的網格劃分。將網格幾何模型導入Fluent6.3.13,將黏性模型設置為k-ω模型,介質為液態水相,考慮重力作用,壓力-速度耦合求解方式采用SIMPLE,對流項采用一階迎風格式離散,殘差設置為五階收斂。

3 計算結果與分析

3.1 流場分析

截取z=0和y=75 cm截面,以及部分管束中心線,分析其流場分布和速度特征,如圖5,6所示。

圖3　模型網格劃分Fig.3 Mesh generation of the model

由圖5可知,采用正四邊形管束或正六邊形管束時,池體內流場分布較為相似,水相流經隔板時,慣性力占主導作用,質點所受約束降低,產生速度梯度,在隔板右側區域形成了小面積低壓區,容易形成旋渦。經過整流管束后,流場較為均勻,有利于顆粒的分級。

由圖6可知,采用正四邊形管束或正六邊形管束時,池體內下降區流場分布基本一致,但采用正四邊形管束時,其下降區流體運動速度略小,主要是由于正四邊形管束濕周大,產生的阻力大,而流體具有較好的傳遞性,使得下降區流體運動受阻增大。正四邊形管束和正六邊形管束內速度分布規律相同,由中心向四周逐漸減小,主要是由于黏性力占主導作用,管束壁面對流體有剪切力作用,流體運動受其約束。

圖4　管束網格劃分Fig.4 Mesh generation of the pipes

圖5　z=0截面速度云圖Fig.5 Velocity nephogram of z=0 section

圖6　y=75 cm截面速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of y=75 cm section

3.2 流體參數分析

圖7中line1~7為對應管束中心線的速度-高度分布曲線,管束中心線垂直于xz平面,在xz平面內投影坐標分別為line1 (52.21,0),line2 (58.31,0), line3 (64.41, 0 ), line4 (50.99, 0 ), line5 (54.65, 3.27),line6(60.14,0),line7(63.80,3.27)。由圖7(a)可知,正四邊形管束中流體運動速度大小依次為:vline2>vline3>vline1,說明采用正四邊形管束時,池體分級區沿x軸方向,中心管束內速度最大,靠近外側壁面管束其次,靠近隔板管束內速度最小。由圖7(b)可見,正六邊形管束中流體運動速度大小依次為:vline6>vline5>vline7>vline4,說明采用正六邊形管束時,池體中心2個管束中靠近外側壁面管束內速度最大,另一個管束其次,與外側壁面相鄰的管束內速度較小,與隔板相鄰的管束內速度最小。由上述分析可見,兩者速度分布特征相同,即“中心管束大于兩側管束,外側管束大于內側管束”,主要是由于固體壁面對黏性流體的剪切力作用,使中心管束內流體運動速度大于兩側管束,而靠近外側壁面管束內流體運動速度大于靠近隔板的管束,是由于流體經過隔板時的慣性力作用。

圖7　管束中心線速度曲線Fig.7 Velocity curves of pipe centerlines

對整流管束內流體運動參數進行計算,結果見表2。可知,采用正四邊形或正六邊形管束時,管束內雷諾數均小于575,即流態均可控制為層流。正四邊形管束中流體最大運動速度小于正六邊形管束中流體最大運動速度,表明相同過流面積時,正四邊形濕周產生的阻力大于正六邊形。正四邊形管束中最大速度與最小速度之比為1.18,正六邊形管束中最大速度與最小速度之比為2.57,同時正四邊形管束的雷諾數方差(0.272 2)遠小于正六邊形管束(7.890 9),表明在整流區域內設置正四邊形管束時,管束之間速度差較小,流場分布更均勻。正四邊形和正六邊形管束內平均沿程損失分別為3.20×10-9,2.77×10-9m,表明正四邊形管束對流體的阻力更大,產生的沿程損失更大,更有助于流態的控制。

表2　管束內流體動力學參數計算Table 2 Hydrodynamics parameters calculation for the pipes

4 結 論

(1)針對煤泥水不分級處理存在的問題,利用水力分級原理,設計了煤泥水分級池。通過隔板與池體內側距離的設置,以及底流排放速度的調節,實現對水流上升速度的控制,從而達到連續分級的目的。

(2)采用正四邊形或正六邊形整流管束時,池體內流場分布較相似,整流區管束內流速均符合“中心管束大于兩側管束,外側管束大于內側管束”規律。

(3)正四邊形或正六邊形整流管束均可控制流態,但采用正四邊形管束時,池體內管來之間速度差更小,平均沿程損失更大,流場分布更均勻,更有利于顆粒的準確分級。

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Design and numerical simulation of slurry classification pond

ZHU Hong-zheng,LIU Ling-yun,ZHU Jin-bo,MIN Fan-fei

(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

Abstract:According to repeated coal cleaning and low flotation efficiency due to no-classified slurry separation,a novel slurry classification pond was proposed.Based on the hydraulic separation principle and the viscous fluid resistance principle,the slurry classification pond,square shape and regular hexagon shape pipes were designed.The flow field of the slurry classification pond with different shape pipes was numerically simulated,and distribution characteristics the velocity,reynolds number,route energy loss and other hydrodynamic parameters were analyzed.The results show that both square and regular hexagon shape pipes can control the flow state well.When the regular hexagon shape pipes are used,the velocity difference is great,but the mean route energy loss is small.When the square shape pipes are used, the velocity gradient is smaller,the mean route energy loss is larger,and the flow field is smoother.So the square shape pipes are better for the accurate classification of particles.Based on the analysis,the continuous classification of slurry by the slurry classification pond developed is feasible,and it suggests that an actual test should be conducted.

Key words:slurry;classify;flow field;grade

作者簡介:朱宏政(1987—),男,江蘇鹽城人,助教。Tel:0554-6668649,E-mail:zhuhongzheng699@163.com

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51174006);安徽省自然科學基金資助項目(1308085ME73)

收稿日期:2014-11-18

中圖分類號:TD94

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1924-05