新型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的流場(chǎng)模擬研究

徐永生

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

新型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的流場(chǎng)模擬研究

徐永生

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，得出在其他條件相同的情況下，新型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器相比傳統(tǒng)的無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器具有切向速度、軸向速度和壓強(qiáng)均高，徑向速度低等優(yōu)點(diǎn)。

我國(guó)粉煤灰每年的排放量約有 選煤 流場(chǎng)數(shù)值模擬 計(jì)算流體力學(xué)

目前，以大型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器為代表的重介質(zhì)分選技術(shù)及設(shè)備在我國(guó)選煤界越來越受到重視。?1200/850、?1300/920、?1400/1000和?1500/1100等大直徑重介質(zhì)旋流器相繼投入生產(chǎn)，分選上限可達(dá)120 mm，單臺(tái)處理能力最大可達(dá)550～700 t/h，拓展了重介質(zhì)旋流器的分選范圍。但在實(shí)際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器還存在分選效率不夠理想、功耗大、磨損快等技術(shù)問題。因此，加強(qiáng)重介質(zhì)旋流器選煤過程的理論研究，揭示其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分選效果的影響具有重要的指導(dǎo)意義，本文使用ANSYS FLOTRAN計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件對(duì)重介質(zhì)旋流器的流場(chǎng)進(jìn)行了研究。

1 重介質(zhì)旋流器CFD數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的旋流器設(shè)計(jì)及研發(fā)工作，主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)來確定結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，開發(fā)周期長(zhǎng)、投入大。應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬，可從流場(chǎng)分析中及早發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中存在的不足，顯著縮短設(shè)計(jì)周期、降低研發(fā)成本。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已做了一定的探索工作，初步展示了CFD技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)方面的優(yōu)越性。

2 無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器內(nèi)懸浮液流場(chǎng)模擬研究

傳統(tǒng)無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器（以下簡(jiǎn)稱傳統(tǒng)旋流器）是由圓筒型或圓筒—圓錐型串聯(lián)而成，見圖1，一段旋流器的余壓、濃縮效果和二段旋流器的分選密度都不是很理想。為改變這一情況，本文提出了將一段圓筒型結(jié)構(gòu)改為圓錐型結(jié)構(gòu)的新型無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器（以下簡(jiǎn)稱新型旋流器）的研究思路，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，見圖2。

對(duì)重介質(zhì)旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬主要是為了研究旋流器內(nèi)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布狀況，從而為重介質(zhì)旋流器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。重介質(zhì)旋流器中懸浮液旋流的速度通常分解為切向速度、徑向速度和軸向速度三個(gè)分速度。其中，切向速度和徑向速度是決定物料按密度分層的主要?jiǎng)恿?，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義，前者決定離心力的大小，被認(rèn)為是旋流器內(nèi)3個(gè)分速度中最重要的一個(gè)，后者決定懸浮液徑向移動(dòng)動(dòng)壓力。懸浮液的軸向速度則決定分選產(chǎn)品在內(nèi)螺旋上升流和外螺旋下降流中的位移時(shí)間。為使研究更具針對(duì)性，論文重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化較大的旋流器一段距入介口500 mm截面處的切向速度、徑向速度、軸向速度和壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比研究，選用的兩種旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。旋流器一段切向速度、徑向速度、軸向速度和壓強(qiáng)的對(duì)比研究模擬結(jié)果如圖3～圖6所示。從圖3～圖6分析得出：

表1 傳統(tǒng)旋流器、新型旋流器一段結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）切向速度隨著半徑的增大不斷增大，在回轉(zhuǎn)半徑和溢流管內(nèi)徑相同時(shí)達(dá)到最大，但在空氣柱邊緣時(shí)又會(huì)增加。在入料速度相同的情況下（懸浮液循環(huán)量相同），傳統(tǒng)旋流器內(nèi)的切向速度普遍低于新型旋流器內(nèi)的切向速度，這表明在達(dá)到相同分選效果的情況下，后者比前者能耗要低，外螺旋流的濃縮效果也更好，旋流器的局部磨損也更小。

（2）傳統(tǒng)旋流器與新型旋流器的徑向速度在空氣柱范圍內(nèi)相差不大，但在遠(yuǎn)離空氣柱分選面到旋流器壁面的范圍內(nèi)，前者比后者的徑向速度要高。顆粒在旋流器中分選時(shí)要在徑向上分層，且分層的時(shí)間要比顆粒在旋流器中停留的全部時(shí)間短很多。當(dāng)軸向速度和切向速度一定時(shí)，徑向速度越小，顆粒物料的分層時(shí)間越多，相近物料誤入相對(duì)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)越少，分選的精度也越高。因而，新型旋流器的分層時(shí)間要比傳統(tǒng)旋流器長(zhǎng)，分選效果在相同條件下也會(huì)更好。

（3）在內(nèi)螺旋上升流區(qū)域，特別是在空氣柱范圍內(nèi)，新型旋流器的軸向速度高于傳統(tǒng)旋流器內(nèi)的軸向速度，這使新型旋流器空氣柱范圍內(nèi)流體從溢流口的排出速度大大加快，部分流體在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間縮短，處理量相對(duì)增大。

（4）在邊界條件、運(yùn)行條件和位置相同的情況下，新型旋流器的壓強(qiáng)比傳統(tǒng)旋流器的壓強(qiáng)更高，這更有利于物料的充分分選。

（5）出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于在相同邊界和運(yùn)行條件下，新型旋流器小的錐體角度產(chǎn)生了獨(dú)特的內(nèi)部分選場(chǎng)，在保證進(jìn)入二段余壓的條件下，起到了增加濃縮效果的作用。

3 新型旋流器的分選實(shí)踐

利用以上模擬研究成果，依據(jù)內(nèi)蒙古慶華集團(tuán)百靈選煤廠的原煤特性和產(chǎn)品要求，天地科技有限公司唐山分公司設(shè)計(jì)了3SNWX1400－880/850重介質(zhì)旋流器，進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的3SNWX 1200/850型重介質(zhì)旋流器進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：

（1）新型旋流器的處理能力為303 t/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)旋流器，更適于現(xiàn)有選煤廠的升級(jí)改造和大型選煤廠的工藝設(shè)計(jì)。

（2）在處理分選密度±0.1 mm含量為28.51%的難選煤時(shí)，新型旋流器的數(shù)量效率為97.73%，傳統(tǒng)旋流器的數(shù)量效率為95.47%，這說明新型旋流器在分選難選煤時(shí)的分選效果更好。

（3）新型旋流器的均方差、可能偏差都比傳統(tǒng)旋流器要低，說明其分選精度更高，適應(yīng)性更強(qiáng)。

（4）新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器要求的入介壓力低于傳統(tǒng)的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，故其設(shè)備磨損小，使用壽命長(zhǎng)，能耗也較低。從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器比傳統(tǒng)三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器能耗低24 kW，以每度電0.51元，每天生產(chǎn)16 h，一年按工作330 d計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)6.46萬元。

4 結(jié)論

新型旋流器與傳統(tǒng)旋流器相比，具有切向速度、軸向速度大，壓強(qiáng)高，徑向速度低等優(yōu)點(diǎn)，可為現(xiàn)有各規(guī)模選煤廠的技術(shù)升級(jí)改造和新廠建設(shè)提供一種高效率、低成本、高效益的裝備。

Simulation on flow field of the unpressurized feeding three－product dense medium cyclone

Xu Yongsheng
（Tangshan Branch Company，Tiandi Science and Technology Co.Ltd.，Tangshan，Hebei 063012，China）

Simulation on flow field of the unpressurized feeding three－product dense medium cyclone was studied by computational fluid mechanics，and the results show：when the other cases being equal，the new unpressurized feeding three－product dense medium cyclone has high tangential velocity，high axial velocity，high pressure and low Doppler speed compared with the conditional one.

unpressurized feeding three－product dense medium cyclone，coal preparation，numerical simulation，computational fluid mechanics

TD942

B

徐永生（1972－），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)在天地科技股份有限公司唐山分公司從事選煤廠設(shè)計(jì)與管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）