不同安裝角度對(duì)重介質(zhì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)的分析研究

穆經(jīng)緯

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程有限責(zé)任公司永定莊選煤廠， 山西 大同 037003）

引言

在選煤環(huán)節(jié)中，重介質(zhì)選煤技術(shù)因效率極高已被廣泛應(yīng)用推廣，并成為煤炭企業(yè)的首選選煤技術(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用重介質(zhì)旋流器可對(duì)經(jīng)過(guò)處理前的入洗原煤進(jìn)行分選作業(yè)，分選效果非常好，且相比于其他選煤設(shè)備，其具有分選效率高、占地面積小、處理量大等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于煤洗滌、分級(jí)、濃縮、脫泥、澄清等環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)原煤難選、顆粒級(jí)較多的煤介質(zhì)的脫硫、分選有著非常好的分選效果。對(duì)于重介質(zhì)旋流器，其工作原理是基于阿基米德的原理，應(yīng)用該原理在離心力場(chǎng)中進(jìn)行原煤分選，通過(guò)徑向上的阿基米德力和離心力將旋流器中的物料進(jìn)行分選[1]。在實(shí)際選煤環(huán)節(jié)中，影響重介質(zhì)旋流器流場(chǎng)的幾何參數(shù)較多，有旋流器入口的尺寸和形狀、旋流器安裝角度、溢流管直徑和長(zhǎng)度等[2]，本文只針對(duì)性地研究安裝角度參數(shù)對(duì)重介質(zhì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)的影響，進(jìn)而降低煤炭運(yùn)輸和處理灰分的生產(chǎn)成本。

1 重介質(zhì)旋流器的工作流程

重介質(zhì)旋流器的工作過(guò)程是借助泵的作用，將入料的煤泥及重介質(zhì)懸浮液混合配比后，以一定壓力的形式從旋流器的入料口進(jìn)入，并沿著切線方向物料進(jìn)入重介質(zhì)旋流器內(nèi)部。

由于進(jìn)入旋流器內(nèi)部的物料有著一定的壓力和切線速度，在旋流器內(nèi)部的礦漿就會(huì)進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成旋流。形成的旋流導(dǎo)致旋流器的中心出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，并從旋流器的兩端吸入空氣，負(fù)壓區(qū)就形成了中心空氣柱。由于離心沉降的作用，進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)的旋流器作用形成零速包絡(luò)面。由于受到大的離心力場(chǎng)作用，大密度物料沿旋流器外圍向下運(yùn)動(dòng)，并從旋流器下方的底流口流出；而小密度物料由于受到的離心力場(chǎng)作用小，會(huì)穿過(guò)包絡(luò)面進(jìn)入旋流器內(nèi)部的內(nèi)旋流，向上運(yùn)動(dòng)，并從旋流器上方的溢流口流出。

2 不同安裝角度對(duì)重介質(zhì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)的影響

本文選取重介質(zhì)旋流器直徑參數(shù)1 000 mm，同時(shí)，選取安裝角度值為-60°、90°和10°，分析三種安裝角度對(duì)重介質(zhì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)的影響。

分析三種不同安裝角度下，重介質(zhì)旋流器的壓力，得到圖1 所示的分布圖。由圖1 可以看出，隨著旋流器安裝角度的增大，入口壓力隨之降低。重介質(zhì)旋流器的徑向浮力，也就是壓力梯度力，在安裝角度是正向時(shí)的徑向浮力小于安裝角度是負(fù)向時(shí)的，造成煤顆粒的向內(nèi)移動(dòng)，從而降低了選煤分選效率。

圖1 三種不同安裝角度下重介質(zhì)旋流器的壓力分布圖

分析三種不同安裝角度下，重介質(zhì)旋流器的軸向速度，得到下頁(yè)圖2 所示的分布圖。從下頁(yè)圖2 中可知，圖中中心空白區(qū)域?yàn)榭諝夂怂嫉膮^(qū)間，是因?yàn)榭諝夂藢儆谕耆煌卣鞯囊合嘣斐傻摹Ｔ诳拷髌髌鞅谥車囊缌鞴?、底流管的軸向速度均比較大，位于溢流管器壁周圍的是成正向最大值，位于底流管器壁周圍的是成負(fù)向最大值，因此，兩者方向不同，而位于器壁和空氣核之間的范圍區(qū)域軸向速度是零，即垂直零速分離錐面。通過(guò)外旋流的作用，大密度顆粒從旋流器下方的底流口流出；通過(guò)內(nèi)旋流的作用，小密度顆粒進(jìn)入分離錐面內(nèi)，并從旋流器上方的溢流口流出。在安裝角度是-60°情況下，正如下頁(yè)圖2 中A 處所指的位于底流管周圍的范圍存在較強(qiáng)的下降流，由于重力的作用，在空氣核兩側(cè)的這股下降流呈現(xiàn)出不對(duì)稱現(xiàn)象，直接造成介質(zhì)分流比的下降，因此，位于底流的煤顆粒的分選效率就會(huì)比較高；在安裝角度是90°情況下，正如圖中B 處所指部分環(huán)繞在空氣核存在著非常強(qiáng)且細(xì)小的上升流，造成大量的顆粒從溢流管流出。當(dāng)安裝角度是10°時(shí)，上升流相比就比較弱。

圖2 三種不同安裝角度下重介質(zhì)旋流器的軸向速度分布圖

分析三種不同安裝角度下，重介質(zhì)旋流器的介質(zhì)密度，得到圖3 所示的分布圖。從圖3 中可看出，在安裝角度是90°情況下，在溢流管的下方出現(xiàn)磁鐵礦顆?，F(xiàn)象，是因?yàn)榘殡S著強(qiáng)烈的上升流，流體群流入到溢流管里，來(lái)源于溢流管下方的下降流和上升流間產(chǎn)生嚴(yán)重的回流區(qū)，其中的某一部分液體可轉(zhuǎn)移至下降流中，從而影響顆粒的分配曲線，且在安裝角度是90°條件下，位于底流管壁周圍產(chǎn)生的分離偏差也比較嚴(yán)重，且形成的密度差也較高。在安裝角度是10°情況下，分離偏差相比較小，分選效率高。

分析三種不同安裝角度下，重介質(zhì)旋流器的徑向速度，得到圖4 所示的分布圖。從圖4 中可看出，重介質(zhì)旋流器流體的徑向速度不隨安裝角度的變化而變化，即變化不顯著，只是有一小部分范圍的徑向速度比較大，造成位于溢流管底部的流場(chǎng)發(fā)生細(xì)微的變化，從而對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的離心力產(chǎn)生影響。

圖4 三種不同安裝角度下重介質(zhì)旋流器的徑向速度分布圖

3 結(jié)論

1）隨安裝角度增加，旋流器內(nèi)入口壓力隨之降低；2）在安裝角度是90°情況下，位于溢流管周圍的強(qiáng)上升流，造成大量的顆粒從溢流管流出，分選效率較低；在安裝角度是10°情況下，上升流相比較弱。

3）在安裝角度是90°情況下，位于溢流管下方的回流區(qū)，顆粒出現(xiàn)嚴(yán)重的分離現(xiàn)象，且在底流管產(chǎn)生的分離偏差也比較嚴(yán)重；在安裝角度是10°情況下，分離偏差相比較小，分選效率高。

4）不同安裝角度對(duì)旋流器流體徑向速度的影響變化不顯著。