射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的能量轉化研究

王海楠，朱金波，費之奎，朱宏政,2，周 偉，王 超，韓有理

(1.安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.圣路易斯波托西自治大學 冶金研究所，墨西哥 圣路易斯波托西 78210)

近年來，隨著煤炭開采程度的加大以及機械化采煤技術的發展，原煤煤質出現變差的趨勢，高灰細泥含量越來越多[1-3]。浮選作為分選細粒煤泥最有效的方法之一，在選煤中的應用越來越廣泛[4-6]，浮選設備也在逐步向大型化、精細化、節能化發展[7-8]，因此研究浮選設備的能量轉化機理對調控浮選輸入能量，提高浮選效果具有一定的指導意義。

國內外學者對浮選設備能量轉化的研究工作集中在浮選槽內的能量耗散特性方面[9-13]，但對機械能量轉化鮮有報道。楊福新[14]研究發現，機械攪拌式浮選機的葉輪結構和參數對能量轉化有顯著影響，相比于離心式和混流式葉輪而言，軸流式葉輪的能量轉化效率更高。李紅旗[15]研究發現，葉輪直徑越大，轉速越低，浮選機的能量轉化效率越高。趙秋月[16]等利用扭矩傳感器研究了管式攪拌反應器的功率特性。費之奎[17]等對基于礦漿驅動的自吸氣浮選裝置的能量轉化效率進行了研究，結果表明：隨著入料壓力的增大，葉輪轉速增大，能量轉化效率提高。

研究針對細粒煤的分選，根據傳統浮選機的工作特點，提出一種射流-攪拌耦合式浮選裝置，使其兼具噴射、攪拌、渦流的特性，并分析了其工作過程中的能量轉化機理，以為設備的完善提供參考。

1 射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結構與原理

1.1 結構設計與工作過程

射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置結構如圖1所示。礦漿的入料噴嘴采用組合式噴嘴，在射流噴嘴外套處有環空噴嘴，在環空噴嘴上設有吸氣管，入料噴嘴設于入料槽兩側，呈對稱布置；入料槽下接有出料槽，驅動葉輪與攪拌葉輪均固定在主軸上，主軸由密封軸承固定在入料槽和出料槽內；噴嘴與驅動葉輪處于同一平面，且在浮選槽底部設置有底流管。

1—主軸；2—入料槽；3—入料噴嘴；4—驅動葉輪；5—出料槽；6—錐形導流罩；7—攪拌葉輪；8—封底板；9—泵；10—流量計；11—壓力表；12—浮選槽

工作時，礦漿經入料噴嘴加壓形成高速射流，在環空噴嘴內形成低壓，與外界空氣形成壓差，空氣經吸氣管吸入，與礦漿裹卷混合，形成含氣射流，實現初步礦化；含氣射流經環空噴嘴噴出，沖擊驅動葉輪旋轉，帶動主軸和攪拌輪共同旋轉，同時驅動葉輪將空氣流切割、粉碎成微小氣泡，增強礦化效果；礦漿及氣泡被驅動葉輪甩向入料槽槽壁，在重力和離心力作用下，礦漿及空氣沿入料槽和出料槽的槽壁以螺旋運動的方式向下流動，并經錐形導流罩進入攪拌葉輪，再被攪拌葉輪甩向浮選槽四周；在攪拌葉輪的剪切和分散作用下，礦漿與藥劑、氣泡進一步混合，提高礦化效果。此外，在浮選槽底部上方設置封底板，以避免底流口將礦漿直接吸入，確保浮選系統的流量平衡。

1.2 吸氣機理

射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置采用環空射流吸氣方式，環空噴嘴結構如圖2所示。

1—引射管；2—環空噴嘴；3—混合區；4—吸氣區；5—三通管；6—吸氣管

具有一定入料壓力的礦漿經噴嘴高速噴出，壓力能被轉化成動能，在噴嘴出口附近區域形成低壓，與吸氣管入口處形成壓差，空氣被吸入吸氣區；礦漿介質與空氣介質在混合區進行混合，并進行能量交換，高速礦漿流與空氣混合噴射，均勻混合兩種介質，提高空氣溶解效率，進而實現預礦化的效果。

1.3 射流驅動機理

根據流體力學理論可知，在射流沖擊葉輪的過程中，射流軸向速度產生的動能為驅動葉輪旋轉的主要能量，而射流的徑向速度及靜壓均對葉片的沖擊力很小，可忽略不計。射流邊界層的沖擊動能可表示為：

(1)

式中：Ecj為射流動能，J；m為介質質量，kg；u為射流速度，m/s。

在單位時間內，

m=ρQ=uS，

則

(2)

式中：ρ為介質密度，kg/m3；Q為射流流量，m3/s；S為射流截面面積，m2；y為噴嘴出口半徑，m。

對于射流起始段而言，射流沖擊動能等于等速核區射流沖擊動能與射流邊界層區域的動能之和。等速核區的沖擊動能為：

(3)

式中：yds為等速核區半徑，m；u0為等速核區射流初始速度，m/s。

因此，射流沖擊動能可表示為：

(4)

式中：x為噴嘴與葉片距離，m；Lds為等速核區長度，m；e為射流半寬度，m；k為粘性常數，К為經驗常數；ζ為自模性系數。

由公式分析可知，射流沖擊葉輪的沖擊動能與噴嘴和葉片的距離有關，在等速核區區域內的沖擊動能最大，距離噴嘴越遠，葉片受沖擊動能越小；噴嘴靠近葉片越近，葉輪葉片受沖擊力越大，葉輪轉速越大。

2 能量轉化研究

2.1 輸入功率

在射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置中，循環泵作為主要的能量來源，其輸入能量直接影響入料壓力和入料流量，進而影響整個裝置的能量轉化效率和工作效果。由流體力學中泵的理論可知，循環泵的輸入功率為：

(5)

式中：N為泵的輸入功率，kW；ρ為介質密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為入料流量，m3/s；H為泵的揚程，m；η為泵的效率，%。

由式(5)可知，對于循環泵而言，揚程和效率為固定值，其輸入功率與入料流量成正比，輸入功率越大，入料流量越大。

2.2 輸出功率

循環泵的輸入能量在入料時轉化為射流的動能和壓力能，并通過噴嘴將能量轉化成礦漿射流的動能和吸入空氣的動能。噴嘴的能量轉化效率是表征射流狀態和噴嘴結構的重要參數，且與噴嘴進出口礦漿流的流量和速度有關。噴嘴出口射流的運動功率計算式為：

(6)

式中：N1為礦漿射流的運動功率，kW；ρ1為礦漿密度，kg/m3；Q1為礦漿流量，m3/s；v1為礦漿流速，m/s。

空氣的運動功率為：

(7)

式中：N2為空氣的運動功率，kW；ρ2為空氣密度，kg/m3；Q2為空氣流量，m3/s；v2為空氣流速，m/s。

礦漿介質與空氣介質在混合區混合后發生能量交換形成含氣射流，含氣射流沖擊驅動葉輪旋轉。在實際工作過程中，浮選槽內的礦漿流態為湍流，浸入浮選槽中攪拌葉輪受到礦漿介質的粘滯阻力，造成攪拌軸的轉速減小，攪拌軸的實際功率為：

Ns=Kρn2d5，

(8)

式中：Ns為攪拌軸的實際功率，kW；K為功率系數；ρ為礦漿密度，kg/m3；n為葉輪轉速，r/min；d為葉輪直徑，m。

2.3 能量損失

射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的能量損失除了裝置壁面的摩擦作用造成的能量損失外，還包括礦漿與空氣混合產生能量交換造成的能量損失以及射流沖擊葉輪產生的能量損失。

礦漿與空氣混合流動屬于兩相流動，兩種介質之間存在相界面，在共流過程中存在一定的速度梯度，進而產生摩擦阻力，造成機械能損失，隨著兩種介質能量的交換，相互間的速度梯度減少，機械能損失逐漸減小，同時在能量交換過程中，有部分能量耗散用在空氣的切割分散過程中。在射流沖擊葉輪過程中，射流的動能并不完全作用于某一個葉片，這必然導致能量的損失，從而使驅動葉輪的葉片所受的沖擊力減小，葉輪轉速減小。此外，由于攪拌葉輪浸入浮選槽的礦漿中，在攪拌過程中受到礦漿的粘滯阻力作用，在射流沖擊驅動葉輪葉片的過程中，將反彈向四周擴散，造成能量耗散，產生能量損失。

3 結論

對射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的能量轉化機理進行了理論分析，得到了如下結論：

(1)射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置利用射流產生的低壓吸氣，并通過射流動能驅動葉輪進行旋轉攪拌，符合流體力學理論，實現了吸氣和攪拌的雙重功能。

(2)射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置的輸入能量與入料流量相關，通過一定的能量轉化和耗散后，輸入能量轉化成攪拌軸的動能和射流的末動能。

(3)射流-攪拌耦合式煤泥浮選裝置中能量損失主要包括裝置壁面的摩擦作用造成的能量損失，介質混合產生能量交換造成的能量損失以及射流沖擊葉輪產生的能量損失。