煤泥水分級池設(shè)計與數(shù)值計算

朱宏政,劉令云,朱金波,閔凡飛

(安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽淮南 232001)

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煤泥水分級池設(shè)計與數(shù)值計算

朱宏政,劉令云,朱金波,閔凡飛

(安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽淮南 232001)

摘 要:針對煤泥水不分級處理存在的重復(fù)分選、浮選效率低等問題,提出一種新型煤泥水分級池。利用水力分級原理和黏性流體阻力規(guī)律,設(shè)計了新型煤泥水分級池以及正四邊形和正六邊形2種形狀整流管束,利用Fluent軟件對兩種形狀時池體內(nèi)流場分別進行了數(shù)值計算,并對比分析了兩者流場分布特征,以及流速、雷諾數(shù)、沿程損失等流體力學(xué)參數(shù)。研究表明,正四邊形和正六邊形管束均有控制流態(tài)的作用,采用正六邊形管束時,管束之間速度差略大,但平均沿程損失略小,而采用正四邊形管束時,各管束之間速度差較小,但平均沿程損失更大,流場分布更均勻,更有利于顆粒的準(zhǔn)確分級。因此,煤泥水分級池將煤泥水連續(xù)分為多個粒級是可行的,可進一步進行實踐試驗研究。

關(guān)鍵詞:煤泥水;分級;流場;粒級

責(zé)任編輯:張曉寧

朱宏政,劉令云,朱金波,等.煤泥水分級池設(shè)計與數(shù)值計算[J].煤炭學(xué)報,2015,40(8):1924-1928.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1584

隨著我國煤質(zhì)的不斷下降,原料煤中細(xì)粒含量越來越大,遇水浸泡易泥化的黏土類礦物含量不斷增多,易造成浮選藥劑消耗量大、浮選精煤灰分高、壓濾量集中等問題[1-2]。研究表明,重介質(zhì)旋流器分選下限低于0.25 mm,0.50~0.25 mm粒級顆粒進入浮選系統(tǒng)屬于重復(fù)分選,同時浮選的最佳粒度范圍為0.250~0.045 mm[3],因此,有必要對煤泥水進行預(yù)先分級,并對各粒級分別處理。

1 煤泥水分級池

1.1 煤泥水分級池原理

我國大部分煤泥水中礦物顆粒符合“粒度越細(xì),灰分越高”的規(guī)律,而不同粒度顆粒的干擾沉降末速度存在差異,因此,借助水力分級原理可以實現(xiàn)不同粒度顆粒的分離[10]。煤泥水中礦物顆粒粒度較小,控制上升水流速度,使其流態(tài)為層流,可按斯托克斯公式[11]計算顆粒的干擾沉降速度vg,即

其中,v0為自由沉降速度;n為濃度干擾指數(shù);c為固體濃度。煤泥水經(jīng)過整流管束產(chǎn)生沿程損失,可按達(dá)西公式[12]計算其沿程損失,即

式中,ξ為沿程阻力系數(shù);l為整流管束長度;d為整流管束當(dāng)量直徑;u為煤泥水運動速度;g為重力加速度。

1.2 煤泥水分級池結(jié)構(gòu)

煤泥水分級池由多個緊密相鄰且高度不同的圓環(huán)柱組成(圖1)。煤泥水分級池上方設(shè)有一個環(huán)形入料槽,煤泥水沿入料槽內(nèi)側(cè)均勻溢入最外側(cè)池體的下降區(qū),在下降區(qū)內(nèi),煤泥水沿隔板向下流動,并繞過隔板到達(dá)池體的分級區(qū),在分級區(qū)內(nèi)設(shè)有整流管束,煤泥水經(jīng)過整流管束調(diào)整為層流狀態(tài),顆粒按其干擾沉降末速度進行水力分級(圖1中D1),大于D1的顆粒沉降至池體底部,由底流口排出,攜帶小于D1粒級顆粒的上升煤泥水流沿該池體的內(nèi)側(cè)均勻溢入下一個池體,并完成類似分級過程,逐漸向中心池體流動,由于各池體分級區(qū)內(nèi)側(cè)與隔板距離不同,其分級粒度也不相同,因此,煤泥水分級池由外向內(nèi),分級粒度逐漸減小,直至所設(shè)置的最小粒度(圖1為D6)。煤泥水分級池的底流由渣漿泵輸送到后續(xù)工藝,渣漿泵電機設(shè)有變頻調(diào)速器,通過調(diào)節(jié)底流流量,可間接調(diào)整對應(yīng)池體的分級粒度,保證分級精度。

圖1　煤泥水分級池Fig.1 Schematic diagram of the slurry classification pond

當(dāng)同值流量經(jīng)過面積相等而濕周不等的2種過流斷面時,濕周長的過流斷面對流體阻力大。相同過流面積時,正四邊形管束濕周大于正六邊形管束,即采用正四邊形管束產(chǎn)生的阻力大于正六邊形管束,但流場分布特征未知,可對不同形狀整流管束時,煤泥水分級池內(nèi)流場進一步研究。

參芪扶正注射液聯(lián)合化療治療結(jié)直腸癌的Meta分析…………………………………………………… 吳健瑜等（2）：248

2 基于CFD的數(shù)值計算

2.1 數(shù)學(xué)模型

(1)連續(xù)性方程。

流體為水相,密度為常數(shù),流動不可壓,因此連續(xù)性方程為

式中,u′為x方向的速度分量;v′為y方向的速度分量;w為z方向的速度分量。

(2)動量守恒方程。

式中,p為流體微元體上的壓力(靜壓);F為微元體上的其他外部體積力;τ為黏性應(yīng)力張量;v為速度矢量;ρ為密度;t為時間;g為微元體上的質(zhì)量體積力[13]。

2.2 邊界條件

設(shè)定分級池分級粒度為0.030 mm,入料口設(shè)置為速度入口(Velocity Inlet),條件為

式中,v為入料速度;Q為入料流量;S為入料面積;Re為雷諾數(shù);R為水力半徑;ν為運動黏度系數(shù);I為湍流強度。

出口設(shè)置為壓力出口,出口為自然溢流,與大氣相連,絕對壓強pa= 101 325 Pa,由于參考壓強pr設(shè)置值為101 325 Pa[14],因此壓力出口的表壓強pb應(yīng)設(shè)置為0,即pb=pa-pr=0

過流區(qū)面積大,速度小,核心區(qū)的流動可認(rèn)為是湍流,而壁面區(qū)黏性力在動量、熱量及質(zhì)量交換中起主導(dǎo)作用,湍流切應(yīng)力可忽略,流動幾乎為層流,采用半經(jīng)驗公式將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)求解變量相連接,即固體壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[15]。

2.3 計算模型

煤泥水分級池各個池體內(nèi)的分級過程均類似,且為完全對稱結(jié)構(gòu),因此,可將模型簡化為如圖2所示的幾何體模型,模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖2　簡化模型三維視圖Fig.2 3D view of the simplified model

表1　簡化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of the simplified model

在Gambit2.2.30中建立模型,并對模型進行網(wǎng)格劃分,如圖3所示,圖4為四邊形和六邊形整流管束的網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格幾何模型導(dǎo)入Fluent6.3.13,將黏性模型設(shè)置為k-ω模型,介質(zhì)為液態(tài)水相,考慮重力作用,壓力-速度耦合求解方式采用SIMPLE,對流項采用一階迎風(fēng)格式離散,殘差設(shè)置為五階收斂。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 流場分析

截取z=0和y=75 cm截面,以及部分管束中心線,分析其流場分布和速度特征,如圖5,6所示。

圖3　模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of the model

由圖5可知,采用正四邊形管束或正六邊形管束時,池體內(nèi)流場分布較為相似,水相流經(jīng)隔板時,慣性力占主導(dǎo)作用,質(zhì)點所受約束降低,產(chǎn)生速度梯度,在隔板右側(cè)區(qū)域形成了小面積低壓區(qū),容易形成旋渦。經(jīng)過整流管束后,流場較為均勻,有利于顆粒的分級。

由圖6可知,采用正四邊形管束或正六邊形管束時,池體內(nèi)下降區(qū)流場分布基本一致,但采用正四邊形管束時,其下降區(qū)流體運動速度略小,主要是由于正四邊形管束濕周大,產(chǎn)生的阻力大,而流體具有較好的傳遞性,使得下降區(qū)流體運動受阻增大。正四邊形管束和正六邊形管束內(nèi)速度分布規(guī)律相同,由中心向四周逐漸減小,主要是由于黏性力占主導(dǎo)作用,管束壁面對流體有剪切力作用,流體運動受其約束。

圖4　管束網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of the pipes

圖5　z=0截面速度云圖Fig.5 Velocity nephogram of z=0 section

圖6　y=75 cm截面速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of y=75 cm section

3.2 流體參數(shù)分析

圖7中l(wèi)ine1~7為對應(yīng)管束中心線的速度-高度分布曲線,管束中心線垂直于xz平面,在xz平面內(nèi)投影坐標(biāo)分別為line1 (52.21,0),line2 (58.31,0), line3 (64.41, 0 ), line4 (50.99, 0 ), line5 (54.65, 3.27),line6(60.14,0),line7(63.80,3.27)。由圖7(a)可知,正四邊形管束中流體運動速度大小依次為:vline2>vline3>vline1,說明采用正四邊形管束時,池體分級區(qū)沿x軸方向,中心管束內(nèi)速度最大,靠近外側(cè)壁面管束其次,靠近隔板管束內(nèi)速度最小。由圖7(b)可見,正六邊形管束中流體運動速度大小依次為:vline6>vline5>vline7>vline4,說明采用正六邊形管束時,池體中心2個管束中靠近外側(cè)壁面管束內(nèi)速度最大,另一個管束其次,與外側(cè)壁面相鄰的管束內(nèi)速度較小,與隔板相鄰的管束內(nèi)速度最小。由上述分析可見,兩者速度分布特征相同,即“中心管束大于兩側(cè)管束,外側(cè)管束大于內(nèi)側(cè)管束”,主要是由于固體壁面對黏性流體的剪切力作用,使中心管束內(nèi)流體運動速度大于兩側(cè)管束,而靠近外側(cè)壁面管束內(nèi)流體運動速度大于靠近隔板的管束,是由于流體經(jīng)過隔板時的慣性力作用。

圖7　管束中心線速度曲線Fig.7 Velocity curves of pipe centerlines

對整流管束內(nèi)流體運動參數(shù)進行計算,結(jié)果見表2?？芍?采用正四邊形或正六邊形管束時,管束內(nèi)雷諾數(shù)均小于575,即流態(tài)均可控制為層流。正四邊形管束中流體最大運動速度小于正六邊形管束中流體最大運動速度,表明相同過流面積時,正四邊形濕周產(chǎn)生的阻力大于正六邊形。正四邊形管束中最大速度與最小速度之比為1.18,正六邊形管束中最大速度與最小速度之比為2.57,同時正四邊形管束的雷諾數(shù)方差(0.272 2)遠(yuǎn)小于正六邊形管束(7.890 9),表明在整流區(qū)域內(nèi)設(shè)置正四邊形管束時,管束之間速度差較小,流場分布更均勻。正四邊形和正六邊形管束內(nèi)平均沿程損失分別為3.20×10-9,2.77×10-9m,表明正四邊形管束對流體的阻力更大,產(chǎn)生的沿程損失更大,更有助于流態(tài)的控制。

表2　管束內(nèi)流體動力學(xué)參數(shù)計算Table 2 Hydrodynamics parameters calculation for the pipes

4 結(jié) 論

(1)針對煤泥水不分級處理存在的問題,利用水力分級原理,設(shè)計了煤泥水分級池。通過隔板與池體內(nèi)側(cè)距離的設(shè)置,以及底流排放速度的調(diào)節(jié),實現(xiàn)對水流上升速度的控制,從而達(dá)到連續(xù)分級的目的。

(2)采用正四邊形或正六邊形整流管束時,池體內(nèi)流場分布較相似,整流區(qū)管束內(nèi)流速均符合“中心管束大于兩側(cè)管束,外側(cè)管束大于內(nèi)側(cè)管束”規(guī)律。

(3)正四邊形或正六邊形整流管束均可控制流態(tài),但采用正四邊形管束時,池體內(nèi)管來之間速度差更小,平均沿程損失更大,流場分布更均勻,更有利于顆粒的準(zhǔn)確分級。

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Design and numerical simulation of slurry classification pond

ZHU Hong-zheng,LIU Ling-yun,ZHU Jin-bo,MIN Fan-fei

(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

Abstract:According to repeated coal cleaning and low flotation efficiency due to no-classified slurry separation,a novel slurry classification pond was proposed.Based on the hydraulic separation principle and the viscous fluid resistance principle,the slurry classification pond,square shape and regular hexagon shape pipes were designed.The flow field of the slurry classification pond with different shape pipes was numerically simulated,and distribution characteristics the velocity,reynolds number,route energy loss and other hydrodynamic parameters were analyzed.The results show that both square and regular hexagon shape pipes can control the flow state well.When the regular hexagon shape pipes are used,the velocity difference is great,but the mean route energy loss is small.When the square shape pipes are used, the velocity gradient is smaller,the mean route energy loss is larger,and the flow field is smoother.So the square shape pipes are better for the accurate classification of particles.Based on the analysis,the continuous classification of slurry by the slurry classification pond developed is feasible,and it suggests that an actual test should be conducted.

Key words:slurry;classify;flow field;grade

作者簡介:朱宏政(1987—),男,江蘇鹽城人,助教。Tel:0554-6668649,E-mail:zhuhongzheng699@163.com

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51174006);安徽省自然科學(xué)基金資助項目(1308085ME73)

收稿日期:2014-11-18

中圖分類號:TD94

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1924-05