重選過程中重介質旋流器工藝過程模擬分析

方建新

（晉能控股煤業集團大地選煤公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤炭作為我國主要的化石能源，在相當長的時期內占據我國能源的主要形式，我國有大量的煤礦進行煤炭資源的開采，在開采過程之后，對煤炭的分選同樣對煤炭的質量具有重要的影響[1]，從而影響煤炭的使用效果。在煤炭分選的過程中，重介質旋流器作為重選的主要設備，具有結構簡單、分選精度高的特點，在煤礦的分選中具有廣泛的應用。在重介質旋流器進行重選的過程中[2]，依靠泥煤流動產生的離心力對不同密度的原煤進行分離，從而達到分選的目的，分選過程中泥煤內部流場的變化復雜，難以對重介質旋流器的工藝過程進行有效的分析。針對重介質旋流器的工藝過程[3]，采用仿真模擬的形式進行分析，通過單向耦合的方式對重介質旋流器內部的壓力、密度等進行分析[4]，從而對重介質旋流器的工藝過程進行分析，提高重介質旋流器分選的效果，提高煤炭的分選質量。

1 重介質旋流器數值分析模型的建立

重介質旋流器的結構復雜，內部流場的變化復雜，采用CFD 仿真分析的形式基金逆行數值模擬，從而可以對內部分選的工藝過程進行直觀的分析。采用分選過程中使用的FZ1000 型重介質旋流器進行分析[5]，其圓筒的直徑為1000 mm，圓柱體深度為800 mm，入料口的直徑為340 mm，入料口深度為500 mm，出料口的直徑為170 mm，錐角為20°。由于重介質旋流器的結構復雜，采用三維建模軟件SolidWorks 進行三維模型的建立[6]，在建模過程中，對旋流器的結構進行一定的簡化處理。在建模過程中，對溢流管及進料口的壁厚等同于主體尺寸，從而便于對模型進行網格劃分處理[7]，對旋流器的細小結構進行忽略處理，僅保留主體結構，從而便于對模型進行建模分析，經過簡化，建立重介質旋流器的結構模型如圖1 所示。

圖1 重介質旋流器結構模型

采用CFD 分析軟件Fluent 對旋流器進行流場的模擬分析，對模型進行網格劃分處理，由于重介質旋流器結構的復雜性，采用自適應網格的形式進行網格劃分處理，得到重介質旋流器的網格模型進行模擬分析[8]。在進行內部流場模擬時，設定旋流器采用速度入口的初始條件，溢流口及底流口為壓力出口，入口速度為5 m/s，出口壓力為標準大氣壓，泥煤懸浮液的密度為1450 kg/m3。

采用CFD 進行旋流器流場的分析，需將旋流器內部流場連續的物理量變化場差分轉化為離散點上的值，依照一定的約束方程對物理場進行求解，從而得到不同物理場在旋流器內部的分布規律[9]。重介質旋流器的內部流場相對復雜，懸浮液作三維的旋轉流動，采用RSM雷諾應力模型進行數值模擬，在旋流器內部旋轉的過程中，徑向分布上存在一定的壓力差，中心旋轉區域的壓力要低，從而造成內部的空氣柱，影響懸浮液的流動，采用VOF 模型對氣體的接觸體積進行分析，從而消除對內部流場的影響。

重介質旋流器內部的運動顆粒的運動可以分為平動及轉動，平動受到煤粒自身的重力作用及懸浮液在徑向上的壓力梯度及流體的曳力作用[10]，同時，懸浮液的黏度對內部流場的密度及分選性能也具有重要的影響，采用Napier-munn 方程對懸浮液的黏度進行修正，從而保證流場模擬結果的準確性。依據所建立的重介質旋流器分析模型，對旋流器分選過程中內部流場的壓力及壓力梯度的分布進行分析[11]，并對懸浮液的密度場進行分析，從而針對旋流器分選的工藝過程進行模擬，確定分選過程中壓力及密度的變化規律。

2 重介質旋流器內部分選工藝過程模擬分析

2.1 旋流器分選懸浮液壓力分布模擬

采用Fluent 軟件對懸浮液的壓力分布進行模擬分析，得到懸浮液的壓力及壓力梯度變化分別如圖2、圖3 所示。從圖2 中可以看出，進行分選過程中，旋流器內部的懸浮液壓力呈對稱分布的形態，在中心軸線的位置處具有藍色的空氣柱，空氣柱的壓力值為負值；溢流口和底流口處的壓力值最低，在旋流器徑向方向上，從旋流器的中心位置向著外側的壓力逐漸增加[12]，在筒體的壁面位置處的壓力達到最大。從圖3中可以看出，旋流器內部的懸浮液形成較大的壓力梯度，由筒體壁面的位置向著中心位置形成較大的壓力梯度力，有利于對懸浮液分選過程的進行。

圖2 旋流器懸浮液壓力分布

圖3 旋流器懸浮液壓力梯度分布

2.2 旋流器分選懸浮液密度分布模擬

進行煤炭重介質分選的懸浮液主要由磁鐵礦粉及水組成，這種粗分散相形成的懸浮液體的密度對分選效果具有重要的影響。對旋流器內部懸浮液的密度場進行模擬分析，得到旋流器懸浮液的密度分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，進行分選過程中旋流器的中部位置具有完整的空氣柱，在旋流器徑向上，懸浮液的密度沿著中心向筒體的外側逐漸增加，在靠近圓錐段的壁面位置及底流口位置處，懸浮液的密度較大，這是由于圓錐段磁鐵礦粉堆積造成的，空氣柱及溢流口位置處的密度較低。在重介質懸浮液旋轉過程中，在離心力的作用下，懸浮液形成了不同的密度層分布，在旋流器的高度方向上，越靠近底流口位置，懸浮液的密度越高，呈現上低下高的特點，較高的懸浮液濃度靠近底流口則有利于進行煤炭的分選，提高重介質分選的效果。

圖4 旋流器懸浮液密度分布

3 結語

重介質旋流器是進行煤炭分選的重要設備，對煤炭的分選質量具有直接的影響。采用CFD 仿真分析的形式對重介質旋流器分選過程進行模擬分析，建立了重介質旋流器的分選模型，并進行分選工藝過程的模擬計算。對懸浮液的壓力及壓力梯度分布進行分析得到，旋流器內部的懸浮液壓力及壓力的梯度分布以旋流器的中心呈對稱分布的狀態，且壓力梯度由筒體壁面的位置向著中心位置逐漸增加，有利于懸浮液梯度力對分選過程的促進；對懸浮液的密度分布進行分析得到，在徑向方向上，懸浮液的密度沿著中心向筒體的外側逐漸增加，在軸向方向上，懸浮液的密度呈上低下高的分布，有利于重介質分選的進行。通過對重介質旋流器的工藝過程模擬，可以增加對旋流器分選過程的了解，選取合適的工藝參數，提高分選效果。