分選分級組合旋流器模擬研究

徐嘉晨

（晉能控股煤業集團煤炭洗選分公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為我國重要的化石能源，其在我國經濟發展中占據著舉足輕重的地位，隨著開采深度及機械化程度的不斷提升，開采原煤的質量變差，導致選煤廠分選的工作量加大，產品質量的控制難度增加[1,2]，為了實現粗煤泥的高效分選，此前眾多學者對此進行過研究，馬茂華[3]針對大直徑三產品重介質旋流器分選粒級大，末煤分選效果差，粗精煤泥灰分高的問題，結合入洗原煤煤質變差的狀況，對原粗精煤煤泥回收系統進行工藝改造，通過定性、定量分析降低了粗精煤泥灰分，提高了精煤產率。宋宇[4]針對粗精煤產品灰分含量過高的問題，提出分別以干擾床分選機、三產品煤泥重介旋流器、三錐水介質旋流器等為核心的三種煤泥分選系統優化方案，并進行詳細對比分析。結果表明，三錐水介質旋流器更適宜選煤廠粗煤泥分選。對粗煤泥分選系統進行優化改造后效果最佳。本文基于多溢流管旋流器，串聯水力旋流器，實現一段低流排矸、一二段溢流排細泥、二段低流排精煤，大大降低了粗泥煤分選流程，解決了選煤廠分選困難的問題，為選煤廠高效生產奠定基礎。

1 模型建立

傳統的旋流器系統中由于有導流葉片的存在使得密度較低的物料損傷等問題，本文設計一種分選分級旋流器裝置。在旋流重選柱內部設置一段套筒，在套筒的上部連接等徑側溢流，同時在溢流管與側溢流的腔體位置布設一段切向口，切向口語二段旋流器切向口連接。將物料配合礦漿攪拌導入一段分選旋流器，當物料完成初步分選后細粒物料經溢流管排出，較粗的物料進出二段分選旋流器進行二次分級，實現一段低流排矸、一二段溢流排細泥、二段低流排精煤的目標。結構示意圖如1所示。

圖1 新型旋流器結構示意圖

旋流器結構雖然簡單，但其內部結構確十分復雜，為了對其內部結構進行深入分析，需要借助數值模擬軟件，本文利用CFD模擬軟件對新型溢流分流旋流器內部的流暢進行分析，研究新型旋流器的可行性。首先進行模型的建立，模型建立選用CAD繪圖導入的方法進行模型建立，對建立好的模型進行網格劃分，在進行網格劃分時為避免統一劃分造成精度差等問題，在進行網格劃分時適當將模擬流場較為簡單的部位進行粗劃分，對流場計算較為復雜的位置進行細化分，本文利用ANSYS ICEM CFD 16.0進行網格的劃分，劃分完成后網格數共計857674個。完成網格劃分后對模型的物理參數進行設定，由于本次模擬為水氣兩相模擬，所以設定空氣的密度為1.205 kg/m3，空氣的運動黏度為1.82×10-5kg/（m·s），水的密度為1 000 kg/m3，空氣的黏度為1.003×10-3kg/（m·s），入料的體積流量為25 m3/h，首先對旋流器內部的軸向速度進行分析。

2 數值模擬分析

首先選定三種溢流管插入深度，深度分別選擇為225 mm、265 mm和305 mm，僅展示插入深度為305 mm的一段旋流器軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線如下頁圖2所示。

從圖2-1中可以看出，一段旋流器的內部流場分布大致呈現出對稱分布的特點，中心軸為旋流器的中心軸線，在中心位置溢流口和底流口位置會出現倒吸現象，空氣被倒吸形成空氣柱，從而致使底流口的流速呈現突然的增加，在溢流管的中心位置流速出現明顯的下降，而在溢流管的軸線位置出現上升流。觀察圖2-2可以發現流速隨著距離中心軸線的距離增大呈現出先降低后增大再降低的趨勢，當溢流管插入深度為305mm時，正最大值為中心軸線位置，最大值為2.0m/s，在距離中心軸線約71m的位置取到旋流器內部流場負的最大值約為0.7m/s；當插入深度為265mm時，此時的最大正向速度為1.7m/s，當插入深度為225 mm時，此時的最大正向速度為1.6 m/s，可以看出隨著溢流管插入深度的增加，旋流器內部流場的最大速度逐步增大，但最大值出現的位置均為中心軸線位置。

圖2 軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線

對溢流管插入深度225 mm、265 mm和305 mm的二段段旋流器軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線進行分析，僅展示插入深度為305 mm的二段旋流器軸向速度云圖及速度分布曲線如3所示。

從圖3-1中可以看出，在溢流管插入深度為305 mm的情況下，二級旋流器內部的流場分布在軸向速度方面呈現出對稱的特性，對稱軸仍為二段旋流器的中軸線上，在二段旋流器的中段部位，由于溢流口與底流口出現倒吸的空氣柱使得底流口附近的流速突然增加，而沿著旋流器口壁的位置速度有一定的下降，同時由于二段旋流器內部的離心力不足，使得旋流器內部的流體的速度不足，出現底流口夾帶一定的細顆粒。從圖3-2中可以看出，二段旋流器內部流速隨著距離中心軸線的距離增大呈現出先降低后增大再減小的趨勢，當溢流管插入深度為305 mm時，負最大值出現在中心軸線位置，最大值為7.2 m/s，在距離中心軸線約20 m的位置取到旋流器內部流場正的最大值約為7.6 m/s，三種溢流管插入深度下的流場流速變化趨勢大致相同。

圖3 軸向速度的云圖及軸向速度分布曲線

對側溢流連接口徑對一段旋流器內部軸向流速進行研究，側溢流的口徑（用溢流管截面積表示，下文相同）分別為800 mm2、1 200 mm2、2 000 mm2，一段旋流器軸向速度云圖如圖4所示。

圖4 不同連接口徑下軸向速度的云圖

從圖4中可以看出，在不同側溢流口徑下一段旋流器內部流場流速也呈現出對稱分布的特點，對稱軸為一段旋流器中軸線上，在中心區域出現倒吸形成的空氣柱，導致底流口的軸向速度突然上升，在溢流管中心軸向速度出現突降。當側溢流口徑為2 000 mm2時，此時的溢流口及底流口軸向速度的突降突升現象明顯小于側溢流口徑為800 mm2和側溢流口徑為1 200 mm2，同時在溢流管管壁上升流區域的軸向速度較溢流口徑為800 mm2和側溢流口徑為1 200 mm2也有了一定的下降，當側溢流連接口徑為2 000 mm2時，側溢流連接段上升流的顏色明顯較溢流口徑為800 mm2和側溢流口徑為1 200 mm2更深，這是由于隨著側溢流連接口徑的增大，一段溢流的排水量降低，此時空氣的倒吸現象減弱，內部流場的流速降低。

3 結論

1）通過對不同溢流管插入深度下一段旋流器內部流場速度進行分析發現，隨著溢流管插入深度的增加，旋流器內部流場的最大速度逐步增大，最大值出現的位置為中心軸線位置。

2）二段旋流器內部流速隨著距離中心軸線的距離增大呈現出先降低后增大再減小的趨勢。

3）通過對不同側溢流口徑下一段旋流器內部流場流速進行分析發現，隨著側溢流連接口徑的增大，一段溢流的排水量降低，此時空氣的倒吸現象減弱，內部流場的流速降低。