基于數(shù)值模擬的旋流器圓錐角對分選效果的影響研究與應用

呂秀麗，張力強

（1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012）

重介質(zhì)選煤工藝作為一種高效率的分選工藝，目前已在選煤生產(chǎn)中得到廣泛應用。重介質(zhì)旋流器作為重介質(zhì)選煤工藝系統(tǒng)的核心設備之一，具有分選精度高，處理能力大，結構簡單，適用性強等優(yōu)點［1］。但是，重介質(zhì)旋流器的分選是在一個極其復雜的密度場和速度場中進行的，難于從純數(shù)學的角度加以描述，理論分析困難，所以當前沒有任何形式的公式可以對其進行定量的描述，對其分選效果產(chǎn)生影響的因素和影響程度大多是利用實際試驗數(shù)據(jù)導出的經(jīng)驗公式進行分析討論的。隨著計算機技術的快速發(fā)展，計算流體力學技術可以清晰直觀地反映重介旋流器內(nèi)部流場流動狀況［2］，為產(chǎn)品的開發(fā)設計提供了可靠的技術手段。針對當前選煤市場現(xiàn)狀，市場對選煤產(chǎn)品指標要求越來越高，三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器在實際分選過程中二段旋流器中煤中夾帶矸石以及矸石中夾帶中煤的問題日益突出。如何有效解決中煤中夾帶的矸石以及矸石中夾帶的中煤是所有現(xiàn)場十分關心的問題。

重介質(zhì)旋流器分選效果影響因素可以歸納為兩大類，即結構影響因素和工藝影響因素［3］。在當前技術中，通過調(diào)整二段底流口、二段溢流口口徑及插入深度等結構因素均可以實現(xiàn)二段分選密度不同程度的改變［4］。文章在重介質(zhì)旋流器分選機理研究的基礎上，利用計算流體力學技術分析研究了圓錐角對分選效果的影響，旨在為重介質(zhì)旋流器二段分選密度的調(diào)整開辟新的技術途徑，以進一步提高重介質(zhì)旋流器對原煤的適應性與可靠性。

1 重介質(zhì)旋流器分選機理

重介質(zhì)旋流器是使物料在離心力場中按密度進行分選的設備。在分選過程中，原煤是以零速包絡面為分離界面進行分選，即在旋流器內(nèi)存在一個低密度與高密度物料的分離界面，其形狀基本上是錐形，包絡面附近的介質(zhì)密度決定了物料的分選密度［5］。當原煤進入旋流器后，在離心力的作用下，位于“分離界面”內(nèi)部的高密度物料由中心向外移動，如它的密度高于“分離界面”附近的介質(zhì)密度，則物料將越過“分離界面”進入下降流，并由底流口排出;反之，則進入上升液流中，并由溢流口排出。在“分離界面”外部的低密度物料，則向中心移動，如它的密度低于“分離界面”附近的介質(zhì)密度，則該物料將越過“分離界面”而進入上升流中，并由溢流口排出;反之，則進入下降流中，由底流口排出。因此，“分離界面”處的懸浮液密度是原煤在旋流器中的實際分選密度。在整個“分離界面”上，懸浮液各點的密度各不相同，密度自上而下逐漸增加，因此，原煤在旋流器中分選是一個連續(xù)進行多次分選的過程，決定原煤最終分選密度的是分離界面最下端的懸浮液密度，而此處的密度和位置除與工藝參數(shù)有關外，還與旋流器本身的結構參數(shù)有著密切關系。

2 不同圓錐角對軸向速度分布的影響［6－9］

為了使旋流器內(nèi)部流場狀況隨旋流器結構參數(shù)的變化規(guī)律可視化，研究采用計算流體力學技術，仿真模擬分析了二段旋流器不同圓錐角結構參數(shù)(表1)條件下的旋流器內(nèi)部流場，旋流器溢流產(chǎn)率如表2所示。圖1是旋流器在不同圓錐角條件下的軸向速度分布云圖。

表1 模擬所用結構參數(shù)表Table1 Structural parameters used in simulation

表2 數(shù)值模擬結果Table 2 The numerical stimulation results

圖1 不同圓錐角重介質(zhì)旋流器軸向速度分布云圖Fig.1 Distribution of axial velocity inside dense medium cyclone with different cone angle

從圖1可以明顯看出:

(1)在旋流器分選區(qū)域內(nèi)存在著明顯的內(nèi)旋流和外旋流，在內(nèi)旋流區(qū)域中，有多個和旋流器外形基本相似的等軸向速度面，越向軸心靠攏，軸向速度值越高，隨著圓錐角角度的增大，中心區(qū)域軸向速度顯著提高，加速了溢流產(chǎn)物的排出速度，降低了物料的停留時間，可有效提高重介質(zhì)旋流器的處理能力。

(2)錐底點 (即零軸速包絡面在錐段終止的位置)隨圓錐角的增大而下移，且呈徑向增大變化趨勢，即內(nèi)旋流區(qū)域增大，這就很好地解釋了溢流產(chǎn)率隨圓錐角的增大而增大的現(xiàn)象，換句話說，錐底點對應的懸浮液的密度隨著圓錐角的增大呈現(xiàn)增大的變化趨勢。

(3)由于錐底點下移，使得旋流器有效分離區(qū)域增大，使物料能夠在分離區(qū)域離心力場的作用下充分進行分選，有效地降低物料的錯配物含量，提高旋流器的分選精度。

由此可見，旋流器圓錐角度的增大會使旋流器錐底點下移，零軸速包絡面沿軸向向下收縮，旋流器的有效分選區(qū)域增加，最終影響了溢流、底流產(chǎn)率和原煤在此區(qū)域的分選。

3 不同圓錐角對壓強分布的影響

圖2、圖3分別為旋流器壓強分布云圖和圓柱、圓錐交接面壓強分布曲線圖。從圖2、圖3可以看出:

圖2 不同圓錐角重介質(zhì)旋流器壓強分布云圖Fig.2 Distribution of pressure inside dense medium cyclone with different cone angle

圖3 柱－錐交接面壓強分布曲線圖Fig.3 Pressure distribution curve of interface between the cylinder and cone

(1)壓強的基本分布特征為:旋流器入口處壓強最高，溢流出口和底流出口處壓強最低，旋流器內(nèi)部壓力場由器壁向軸心呈不斷降低的變化趨勢。

(2)隨著圓錐角的增大，旋流器錐段的壓強變化幅度從0.51×104Pa增大到0.56×104Pa;旋流器中心軸線附近形成一從溢流口貫穿至底流口的負壓區(qū)域，進而形成空氣柱［10］。

(3)隨著圓錐角的增大，旋流器內(nèi)部壓強呈上升趨勢，但當圓錐角由22.5°增大到25°時，壓強上升幅度有所減弱。

(4)隨著圓錐角度的增大，溢流管區(qū)域呈現(xiàn)的柱錐形的負壓區(qū)域逐漸縮小，溢流管正壓區(qū)域逐漸擴大，且壓力呈上升趨勢，加速了溢流排出速度，提高了溢流產(chǎn)率，進而很好地解釋了溢流產(chǎn)率隨圓錐角的增大而增大的變化規(guī)律。

(5)在外旋流區(qū)域內(nèi)，隨著圓錐角的增大，同一截面壓力呈上升趨勢，且越貼近旋流器器壁，等高壓區(qū)域越寬，離心力越大，因而使得更多的相互摻雜的細顆粒物料能夠得到有效分選，降低了錯配物含量，提高了物料的分選精度。

由此可見，旋流器圓錐角的變化對內(nèi)部壓力場的變化影響重大，隨著圓錐角度的增加，旋流器內(nèi)的壓強逐漸升高，主分選區(qū)域內(nèi)等高壓區(qū)域變寬，使得進入該區(qū)域的原煤得到充分有效地分選;中心溢流區(qū)域壓力升高，且負壓區(qū)域減小，加速了溢流產(chǎn)物的排出速度，提高了溢流產(chǎn)率。

4 應用實踐

冀中能源東龐礦洗煤廠位于邢臺市內(nèi)丘縣境內(nèi)，該廠是原煤處理能力為4.50 Mt/a的礦區(qū)型煉焦煤選煤廠，生產(chǎn)采用50～1 mm粒級三產(chǎn)品重介旋流器分選、1～0.25 mm粒級干擾床分選、＜0.25 mm粒級煤泥浮選的聯(lián)合工藝流程。東龐選煤廠共有三套生產(chǎn)系統(tǒng)，其中C系統(tǒng)年處理能力為1.20 Mt。由于入選的兩種原煤煤質(zhì)相差較大，造成中煤產(chǎn)品灰分差異明顯，含矸量相差30%以上，無法滿足市場需求。為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，東龐選煤廠對旋流器結構進行了技術改造 (圖4所示)。

圖4 東龐洗煤廠改造后現(xiàn)場應用Fig.4 The application of modified cyclone in Dongpang coal preparation plant

改造方案為:在增設二段旋流器外置式可調(diào)結構的同時，結合現(xiàn)場煤質(zhì)資料，將旋流器一段圓柱形筒體改造為圓錐形，并減小二段旋流器的圓錐角度，實現(xiàn)了提高一段分選密度，降低二段旋流器分選密度的目的。經(jīng)改造，旋流器入選兩種原煤的數(shù)量效率達97.75%，精煤產(chǎn)品合格率達100%，中煤帶煤量控制在了6%以內(nèi)，中煤中夾帶矸石降至8%，分選精度Ep1=0.015 g/cm3，Ep2=0.019 g/cm3，改造效果顯著。

5 結論

研究與實踐表明:

(1)增大旋流器圓錐角，旋流器內(nèi)流場軸向速度增大，零速包絡面擴大，分選密度隨之增大;同時有效分選區(qū)域增大，物料分選精度高。

(2)隨著圓錐角的增大，旋流器流場內(nèi)壓強升高，壓強變化幅度隨圓錐角的增加呈逐步上升的趨勢。隨著圓錐角的增大，越靠近軸心附近，負壓區(qū)域減小，溢流量增大，分選密度呈增長趨勢，從軸心到器壁，同一半徑處壓強逐漸增加，等高壓區(qū)域變寬，可以使物料得到充分分選。

(3)生產(chǎn)實踐表明，對旋流器圓錐角進行合理設計，可顯著改善精煤損失、中煤夾矸以及矸石帶煤情況，從而可滿足不同煤質(zhì)的分選需求。

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