一種靜態(tài)分級(jí)裝置的流場(chǎng)模擬與優(yōu)化

楊宏麗，樊民強(qiáng)

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

浮選是煉焦煤選煤廠必不可少的分選環(huán)節(jié)，浮選柱由于選擇性好、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多地用于細(xì)粒煤的浮選［1］。但浮選柱也存在對(duì)粗?；厥招阅懿?，浮選尾礦中精煤損失大的缺點(diǎn)［2-3］。為保證浮選指標(biāo)，經(jīng)常需要對(duì)尾礦進(jìn)行多段掃選，或一臺(tái)浮選柱需多臺(tái)槽體配套［4-6］。針對(duì)粗粒精煤損失于浮選尾礦中的不足，一些浮選柱將部分浮選尾礦作為中礦進(jìn)行循環(huán)再浮選，但也帶來(lái)了中礦循環(huán)量很大、大量細(xì)泥返回浮選惡化整個(gè)浮選過(guò)程等問(wèn)題［7-9］。因此，對(duì)浮選尾礦進(jìn)行分級(jí)，盡快排出大部分高灰細(xì)泥，僅對(duì)粗粒尾礦返回再浮選，對(duì)于提高浮選總效率和精煤回收率具有重要的意義。為了對(duì)浮選尾礦進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)粗、細(xì)尾礦的分別排放，設(shè)計(jì)了可以集成于浮選柱底部的靜態(tài)自溢流式分級(jí)裝置。關(guān)于這種分級(jí)裝置的基本構(gòu)型和分級(jí)性能，作者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，驗(yàn)證了其分級(jí)的可行性，并建立了相應(yīng)的分級(jí)數(shù)學(xué)模型［10］，這種分級(jí)裝置也是新型雙排尾重浮聯(lián)合分選機(jī)的重要組成部分［11-12］。為了進(jìn)一步優(yōu)化分級(jí)裝置性能，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，對(duì)分級(jí)裝置進(jìn)行了流場(chǎng)模擬。

1 分級(jí)裝置

該分級(jí)裝置由內(nèi)桶、外桶以及和外桶相連的圓錐形底部組成，內(nèi)桶與外桶之間構(gòu)成環(huán)形通道。物料從上面（浮選柱下部)進(jìn)入分級(jí)裝置后，一部分由圓錐底部的底流口排出（底流)，另一部分通過(guò)環(huán)形通道從上部溢流排出。環(huán)形通道內(nèi)為上升水流，理論上，控制上升水流速度可以控制某粒級(jí)以上的顆粒不進(jìn)入溢流。事實(shí)上，在分級(jí)裝置中，流速并非均勻分布，這就導(dǎo)致部分沉降速度大于平均上升水流速度的部分粗顆粒可能進(jìn)入溢流，造成“跑粗”。為此，作者對(duì)設(shè)計(jì)的分級(jí)裝置進(jìn)行流場(chǎng)模擬，為分級(jí)裝置的理論設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。在分級(jí)過(guò)程中，水流速度對(duì)顆粒分級(jí)有著至關(guān)重要的影響，故本文先對(duì)單相流進(jìn)行了模擬。模擬用FLUENT6.0商用軟件完成。

分級(jí)裝置的尺寸根據(jù)試驗(yàn)裝置確定，試驗(yàn)用浮選柱直徑為400mm，分級(jí)裝置設(shè)計(jì)為外桶直徑460 mm，內(nèi)桶直徑200mm，如圖1所示。

為加速顆粒沉降，在內(nèi)桶下部設(shè)置了錐形擋板，考察30°，60°，90°，120°共4種不同錐角的擋板對(duì)流場(chǎng)的影響，同時(shí)考察溢流管出口高度和浮選柱下游出口形式對(duì)流場(chǎng)的影響。其中四個(gè)不同錐角的擋板頂點(diǎn)都與內(nèi)桶下沿同平面，錐面母線等長(zhǎng)，均為154 mm。內(nèi)桶下端出口即浮選柱底部形式包括直桶式、短縮口式和長(zhǎng)縮口式，出口直徑分別為160 mm，120mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程與求解

圖1 浮選柱及分級(jí)裝置示意圖

分級(jí)裝置中存在速度的波動(dòng)和變化，流體介質(zhì)之間相互交換動(dòng)量，屬于湍流流態(tài)。FLUENT軟件提供了Spalart-Allmaras模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型等8種湍流模型，其中工程上計(jì)算機(jī)模擬中最常用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型對(duì)于壁面流動(dòng)，在較小壓力梯度下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合［13］，故本研究中用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。湍動(dòng)能k和耗散率ε方程分別為：

式中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能，Cμ＝0.09，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，湍動(dòng)能k與耗散率ε的普朗特?cái)?shù)分別為σk＝1.0，σε＝1.3。湍流粘性系數(shù)為

計(jì)算中用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域，力矩、湍流能量和湍流耗散率用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行插值，壓力項(xiàng)用標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行插值，壓力-速度耦合方式采用簡(jiǎn)單算法。

2.2 網(wǎng)格劃分

用Gambit軟件對(duì)分級(jí)裝置進(jìn)行物理建模和網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 分級(jí)裝置模型及網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

模型共有4個(gè)邊界：軸向入口1，切向入口2，溢流口和底流口，其中裝置上表面為軸向入口1，模擬浮選柱與分級(jí)裝置的接口，浮選中礦由此進(jìn)入分級(jí)裝置（即浮選柱下端口)；切向入口2模擬中礦循環(huán)返回。

入口1和2均設(shè)為速度入口，根據(jù)試驗(yàn)中浮選的處理量35m3／m2·h計(jì)算得到入口1速度為0.01m／s；入口2根據(jù)試驗(yàn)分流比數(shù)值確定流量為12m3／h，計(jì)算得到速度2.65m／s；溢流設(shè)為壓力出口，根據(jù)試驗(yàn)中浮選柱的靜壓水頭折算壓力為0.015MPa；底流設(shè)為速度入口，根據(jù)流量-3m3／h計(jì)算得到速度值-0.66m／s。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圓錐形擋板對(duì)流場(chǎng)的影響

4種分級(jí)裝置的流場(chǎng)速度矢量圖如圖3所示，為方便比較，4幅圖均僅顯示同一速度范圍內(nèi)的矢量（＜0.1m／s)。圖中空白區(qū)域表示速度（單位m／s，下同)高于圖例速度上限或低于圖例速度下限。

錐形擋板除了有加速顆粒沉降的作用，同時(shí)也對(duì)沉降在它上面的顆粒層起到松散的作用，令?yuàn)A雜在其中的細(xì)顆粒有溢出的機(jī)會(huì)。由徑向速度云圖（圖4)可以看出，擋板錐角過(guò)小時(shí)，徑向速度也過(guò)小，起不到有效的松散床層的作用；相反，對(duì)于最大的120°錐形擋板，徑向速度又過(guò)大，導(dǎo)致?lián)醢迮c下降流間隙中速度局部集中，這樣就會(huì)阻礙顆粒（甚至是大顆粒)下沉，使分級(jí)過(guò)程惡化。故錐形擋板適宜的角度應(yīng)該為60°或90°。

錐形擋板對(duì)于軸向速度的影響（圖5)除了在擋板上面不同外，還間接對(duì)外桶近壁處上升水流速度造成重要影響，錐角越大，近壁處上升水流速度也越大。對(duì)于120°擋板，近壁上升水流速度達(dá)到了0.05 m／s以上，在煤的分級(jí)中，這會(huì)造成溢流跑粗。

圖3 流場(chǎng)速度矢量圖

圖4 錐形擋板角度對(duì)徑向速度云圖的影響

圖5 錐形擋板角度對(duì)軸向速度云圖的影響

3.2 溢流出口高度對(duì)流場(chǎng)的影響

以90°錐形擋板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，考察了溢流管出口高度對(duì)流場(chǎng)的影響。三個(gè)位置相鄰高差為150 mm。從軸向速度云圖（圖6)可以看出，溢流管出口過(guò)低時(shí)，外桶近壁處速度局部較高，粗粒物料很容易被攜帶進(jìn)入溢流管。理想的高度是越高越好，這樣不會(huì)形成連續(xù)的高上升水流區(qū)，但這樣又會(huì)使整個(gè)設(shè)備的高度增加，從而增加后續(xù)基建等費(fèi)用，故溢流管出口高度需統(tǒng)籌考慮?？傊灰扇」芤缌鞒隹诜绞?，溢流跑粗和設(shè)備高度的矛盾就必然存在。

3.3 內(nèi)桶下端出口形式對(duì)流場(chǎng)的影響

在溢流管出口高度居中的基礎(chǔ)上，采用90°錐形擋板，考察三種內(nèi)桶下端出口形式對(duì)流場(chǎng)的影響：直桶式、短縮口式和長(zhǎng)縮口式，出口直徑分別為160，120mm。圖7是不同內(nèi)桶出口方式下的徑向和軸向速度云圖。

圖6 溢流管出口高度對(duì)軸向速度云圖的影響

圖7 內(nèi)桶出口方式對(duì)速度云圖的影響

由圖7可見(jiàn)，內(nèi)桶若采用縮口式出口，一方面擋 板與底錐之間的間隙內(nèi)徑向速度過(guò)高，對(duì)顆粒沉降造成阻礙，另一方面也會(huì)造成底錐與內(nèi)桶近壁處局部上升水流速度過(guò)高，從而極易發(fā)生跑粗，故內(nèi)桶適宜采用直桶式出口。

4 結(jié)論

分級(jí)裝置的圓錐形擋板角度不宜過(guò)大或過(guò)小，應(yīng)在60°～90°內(nèi)選取；溢流出口應(yīng)盡量布置在高處，以防跑粗；內(nèi)桶下端出口宜采用直桶式，不宜采用縮口式。研究結(jié)果對(duì)浮選柱底部分級(jí)裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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