重介質旋流器不同入口結構的性能分析

劉曉飛

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

在煤炭開采生產的過程中，煤炭的分選對煤炭的清潔性具有重要的影響。重介質旋流器是進行煤炭重介質分選的主要設備，可分選各種類型的原煤，被廣泛應用于自動化生產過程中[1]。為提高重介質旋流器的分選性能，針對重介質旋流器的入口結構采用CFD 軟件進行仿真分析，確定最優的入口結構，實現清潔煤炭能源的分選。

1 重介質旋流器入口結構

重介質旋流器在進行煤炭的分選過程中，依靠旋轉形成的離心力對不同的介質進行分離，分離的性能受到諸多因素的影響。其中，重介質旋流器的結構包括入口的結構、滾筒的直徑及底口的直徑等，都會對旋轉的介質產生影響[2]。重介質旋流器的入口結構具有多種形式，常見的主要有切線式、漸開線式、蝸殼式等。較好的入口結構能夠提升進入內部流場介質的穩定性，提高介質的分離效率[3]。蝸殼式的入口結構相對直切式的入口結構能夠降低入口處設備的磨損，降低介質的紊流，能夠提高重介質旋流器的分離性能。

蝸殼式重介質旋流器結構如圖1 所示，蝸殼包角是蝸殼式入口結構的重要參數，對進入到內部流場的介質初始狀態具有重要的影響，針對蝸殼包角的不同，對重介質旋流器的性能進行分析。設計四種不同的蝸殼包角的角度，分別為0°、90°、180°、270°，采用CFD 軟件流體數值分析的方式對重介質旋流器的性能進行仿真模擬[4]，其中圖1 所示的為180°蝸殼包角樣式。

2 重介質旋流器性能的仿真分析

圖1 蝸殼式重介質旋流器結構

選取直徑1 000 mm 的蝸殼式重介質旋流器，設定四種不同的蝸殼包角模型，設定安裝角度為10°，對模型進行網格劃分處理。分析過程中，選取相同的介質模型，設定進料口的速度為4 m/s，在介質中選取不同大小的鐵礦顆粒，采用的原煤的顆粒密度為1 300～2 000 kg/m3，設定相同的操作參數，觀測蝸殼包角的不同對分離性能產生的影響。

2.1 操作性能的仿真分析

重介質旋流器的操作性對使用中的安裝及操作具有重要的影響，首先對其操作行性能進行分析，包括不同蝸殼包角下的溢流分流比及入料壓頭，結果如下頁圖2 所示。從圖2 中可以看出，在蝸殼包角小于180°時，溢流分流比及壓頭的值隨著蝸殼包角的增加而顯著增加；在蝸殼包角達到260°時，溢流分流比及壓頭不再增加，且有下降的趨勢，但減小的值較低[5]。

2.2 分離性能的仿真分析

重介質旋流器的分離性對煤炭的分選具有重要的影響，分離性能是其主要的考察參數。針對不同蝸殼包角下的分離性能進行分析。對不同密度的介質進行分選，得到其底流分配率的變化如下頁圖3 所示。從圖3 中可以看出，在進行分選的過程中，蝸殼包角在0°～180°增加的過程中，底流的分離曲線呈現逐漸向右移動的趨勢，而在180°～270°增加的過程中，曲線則呈現向左移動的趨勢，其中，在180°蝸殼包角時的底流分配率曲線最為陡峭，說明此時的分流作用最強[6]。

圖3 不同蝸殼包角下重介質旋流器底流分配率變化曲線

在重介質旋流器的工業使用中，常采用Ep值進行分離性能的評價，Ep值是指在分離過程中25%和75%的可能性分配到底流口的顆粒間的密度的差值，對不同蝸殼包角下的Ep值進行仿真運算，得到其變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同大小的顆粒所產生的Ep值相差較大，顆粒物越大所引起的Ep值越小。隨著蝸殼包角的變化，Ep值首先呈現一定的下降趨勢，但在蝸殼包角變化到180°之后，其Ep值趨于平穩，變化不大。在不同的顆粒大小中，Ep值下降的幅度與顆粒物的直徑相關，直徑越小時則Ep值降低的越大，在四種不同的顆粒物大小中，在蝸殼包角為180°時的Ep值最小，有利于分選過程的進行。

圖4 不同顆粒物的重介質旋流器Ep 值變化曲線

蝸殼包角的不同大小對蝸殼式重介質旋流器的性能具有重要的影響，其中，180°的蝸殼包角在不影響重介質旋流器使用操作的基礎上，能夠具有較好的分選性能，提高所分選的原煤的質量，為創造潔凈化的煤炭燃料提供保障。

3 結論

對蝸殼式重介質旋流器的蝸殼包角的大小進行仿真分析，并對重介質旋流器的操作性能及分離性能進行對比，得出以下結論：

1）在四種不同的蝸殼包角中，隨著蝸殼包角的增加，其溢流分流比、壓頭呈現先增加后略有減小的趨勢，底流分配率呈現相同的變化趨勢，在180°時的曲率最大，重介質旋流器Ep值同樣呈現先增加后減小的趨勢。

2）在四種大小的蝸殼包角中，180°的蝸殼包角時重介質旋流器的分離性能最佳，能夠對煤炭進行有效分選，得到高品質的煤炭，從而減輕煤炭使用中污染物對環境的影響，提高煤炭的清潔性。