新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的模擬研究

王 石

(山西煤炭進出口集團有限公司 煤業(yè)公司洗選部，山西 太原 030006)

?

·試驗研究·

新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的模擬研究

王 石

(山西煤炭進出口集團有限公司 煤業(yè)公司洗選部，山西 太原 030006)

利用Fluent軟件，采用RSM湍流模型和Mixture多相流模型，對一種新型的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的流場進行模擬研究。通過對旋流器內(nèi)部壓力場、密度場和速度場分布情況的研究，從理論上分析該新型旋流器實現(xiàn)礦物分選的可能性。模擬結(jié)果表明，該新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的流場分布符合傳統(tǒng)旋流器的分布規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)礦物的有效分選。

重介質(zhì)旋流器；數(shù)值模擬；RSM湍流模型；Mixture多相流模型；礦物分選

自從1945年世界上第一臺重介質(zhì)旋流器在荷蘭誕生以來，便以其分選精度高、入料粒度范圍寬、對原煤適應(yīng)性強、易于自動化控制等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1].經(jīng)過70年的發(fā)展，目前重介質(zhì)旋流器種類很多，特別是隨著大直徑重介質(zhì)旋流器、有壓和無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)的出現(xiàn)，重介質(zhì)旋流器已成為當(dāng)今選煤的首選設(shè)備。目前，在中國新建的選煤廠或者老廠改造中，大都采用重介質(zhì)旋流器作為主選設(shè)備。

1 新型旋流器的提出及其工作原理

當(dāng)前，國內(nèi)外三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器廣泛應(yīng)用于煤炭行業(yè)的分選，其中，最典型的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器由圓筒形旋流器和圓筒圓錐形旋流器串聯(lián)組成，其一段為圓筒形旋流器，二段為圓筒圓錐形旋流器。

上述在煤炭生產(chǎn)中采用的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器只有一個重介質(zhì)懸浮液入口，只能給入一種密度的重介質(zhì)懸浮液，由于二段旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)固定，這就對中礦產(chǎn)品和尾礦產(chǎn)品分選密度的調(diào)節(jié)造成困難。為了有效解決這些問題，提出一種可以通過調(diào)節(jié)二段旋流器的懸浮液密度實現(xiàn)中礦和尾礦有效分選的三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器。該新型重介質(zhì)旋流器將傳統(tǒng)的一個重介質(zhì)懸浮液入口改為兩個不同密度的重介質(zhì)懸浮液入口，并且一段和二段旋流器的布置方式由圓筒型與圓筒圓錐形串聯(lián)改成了圓筒圓錐形與圓筒形串聯(lián)。

該新型三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器，在進行原煤分選時，原煤和介質(zhì)的混合物通過一段筒錐旋流器入口進入，在旋流器內(nèi)實現(xiàn)分選，一段分選出精煤以及中煤、矸石的混合物，精煤通過溢流管排出，中煤及矸石的混合物通過底流管進入二段圓筒旋流器，二段對一段剩余的中煤、矸石的混合物進行二次分選，分選出中煤和矸石兩種產(chǎn)品。同時，由于二段增加了一個重介質(zhì)懸浮液入口，可以給入可變密度的重介質(zhì)懸浮液，因此，可改變中煤和矸石分選密度，提高分選效率。

2 數(shù)值模擬方法提出

傳統(tǒng)方法對于新型重介質(zhì)旋流器的開發(fā)研究，結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)的確定和優(yōu)化，常常需要通過理論研究、模型實驗、實驗室小實驗并最終應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，過程漫長且經(jīng)費投入較大[2].

對新型旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)(表1)利用ICEM軟件建立模型，劃分網(wǎng)格(圖1)， 最后利用Fluent軟件對新型旋流器進行數(shù)值模擬。通過模擬結(jié)果，分析旋流器內(nèi)部流場的分布，由于數(shù)值模擬得出的結(jié)果是直觀的、動態(tài)的，更能清晰地展示流體的運動狀態(tài)，有助于對旋流器的工作過程有更加清晰深入地了解和把握，并能從理論上分析該新型重介質(zhì)旋流器實現(xiàn)分選的可能性。M. S. Breanan、N. Lourens、J. Bosman和劉峰等通過研究，為應(yīng)用CFD技術(shù)研究重介質(zhì)旋流器流場提供了可靠的依據(jù)[3-6].

表1 新型旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 新型旋流器網(wǎng)格模型圖

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬邊界條件的確定

在進行模擬之前，需要選擇合適的模擬邊界條件。旋流器的壁面處流體的速度設(shè)為 0, 把一段入料口和二段介質(zhì)入口設(shè)為邊界條件， 定為速度入口， 精煤、中煤和矸石出口設(shè)為壓力出口[6].

1) 進口條件。

在FLUENT中各種壓力都是相對壓力值，因而壓力進口的相對壓力在本模擬中其值應(yīng)為0.

式中：

Ve—進料口的試驗平均速度，m/s；

Qe—進料流量，m3/s；

De—進料口直徑，mm；

ke—進料口湍動能；

εe—進料口湍動能耗散率。

2) 出口條件。

根據(jù)FLUENT軟件的使用說明書估算出口條件。

式中：

Re—雷諾數(shù)；

V—出口的平均試驗速度，m/s；

D—出口的內(nèi)直徑，mm；

v—運動黏性系數(shù)，m2/s；

I—湍流強度；

l—湍流長度標(biāo)尺，mm；

L—水力直徑，mm.

3) 壁面的處理。

將旋流器壁面設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的固壁。

在查閱了大量文獻資料后[6-7]，對于離散方法的選擇，壓力相采用PRESTO法；壓力-速度的耦合采用SIMPLE方式；壓力、動量、能量和體積等方程均采用Second Order Upwind離散格式；湍流模型和多相流模型分別選擇RSM模型和Mixture模型[7]，采用上述方法進行數(shù)值模擬。迭代的松弛因子采用Fluent軟件的默認(rèn)值。經(jīng)過多次迭代，各項殘差曲線達到收斂，利用Fluent自帶的圖形后處理功能對計算結(jié)果進行分析。為了能更直觀地對模擬結(jié)果進行分析，截取旋流器中心位置剖面的壓力、密度和速度云圖(見圖2)進行分析，同時截取一段錐體中間位置y=-1 550 mm和二段筒體中間位置y=-3 500 mm的壓力、徑向和切向速度變化曲線(見圖3)進行分析。

3.2 壓力分布

新型旋流器內(nèi)部的靜壓力分布沿不同的橫截面，從壁面到中心靜壓力逐漸減小，在中心位置處出現(xiàn)負(fù)壓。從圖2可以看出，在旋流器中心位置存在著一個負(fù)壓區(qū)(靜壓力小于0)，負(fù)壓區(qū)貫穿于整個旋流器，從溢流口一直延伸到中煤出口。負(fù)壓區(qū)的存在使得空氣從旋流器兩端被吸入，從而形成空氣柱。從圖3可以看出，靜壓力在截面上不同位置處的最小值均位于中心處，負(fù)壓區(qū)的寬度略小于溢流口和中煤出口的直徑。正是由于存在著中間負(fù)壓區(qū)，使得進入旋流器流場內(nèi)的待選物料具有向上、向下的兩種軸向速度，實現(xiàn)最終的分離。

3.3 密度分布

旋流器內(nèi)部存在著空氣柱，這是旋流器所具有的一個特有現(xiàn)象。在圖2的密度云圖上可以看出，新型旋流器在數(shù)值模擬的情況下，中心軸線有一個明顯的密度分區(qū)，中間為低密度區(qū)，兩側(cè)逐漸過渡為高密度區(qū)。但在一段和二段相接處空氣柱中含有少量的水，嚴(yán)格地說是水和空氣組成的氣水兩相混合低密度區(qū)，這與文獻[8]的描述是相吻合的。

圖2 新型旋流器的靜壓力、密度和速度剖面云圖

圖3 新型旋流器的靜壓力、切向速度、軸向速度分布曲線圖

3.4 速度分布

旋流器內(nèi)部流體的流動可以看作是一種三維的螺旋流動，其中任一點流體的速度都可以分解為軸向、徑向和切向3個分速度。切向速度在分選過程中提供了礦物分選所需要的離心力，因此，在旋流器內(nèi)部流場的三維流動中占據(jù)重要地位，在數(shù)值上也比其它速度要大的多。徑向速度提供了懸浮液在徑向上移的動壓力，速度相對較小，所以，很難被準(zhǔn)確測定，由于不同的實驗者采用實驗條件的假設(shè)不同，對于徑向速度的分布還存在分歧，因此本文中不予研究。軸向速度則決定了分選礦物在旋流器內(nèi)的移動時間。軸向速度分布最重要的一個方面是可以確定零速包絡(luò)面，通過零速包絡(luò)面可以確定流體的流動走向。

在圖2的速度剖面云圖上，可以看出速度大小的分布情況，速度大小在旋流器內(nèi)部呈現(xiàn)出對稱性，隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小，流體速度逐漸減小，在中心處速度接近0.

3.4.1 切向速度

從圖3的切向速度分布曲線上可以看出，切向速度的分布表現(xiàn)出嚴(yán)格的對稱性，隨旋轉(zhuǎn)半徑的減小，切向速度先增大，在與溢流口和中煤出口直徑大小相近的位置處，切向速度達到最大值。過了最大值以后，切向速度又逐漸較小，在中心位置處切向速度減小為0.在壁面處，由于受到壁面摩擦力的影響，切向速度也為0.

3.4.2 軸向速度

從圖3的軸向速度分布曲線上可以看出，由于一段旋流器和二段旋流器的回流方向相反，所以，一段和二段旋流器軸向速度大小的分布表現(xiàn)出了相反的規(guī)律性。但如果不考慮方向的影響，一段和二段速度的分布具有相同的變化規(guī)律，軸向速度在壁面處為0，隨旋轉(zhuǎn)半徑的減小，軸向速度的絕對值都是先增大，增大到一定數(shù)值后，又減小直至為0，過了速度為0的點后，又反向增大直至達到最大值。速度為0的點即為內(nèi)旋流和外旋流的分界點，如果把各個截面上速度為0的點連接起來，就是零速包絡(luò)面(LZVV). LZVV 是旋流器內(nèi)部外旋流和內(nèi)旋流的分界面，其位置分布對旋流器的分選效果具有重要影響。

4 結(jié) 論

通過對新型旋流器內(nèi)部流體靜壓力、密度和速度分布的分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 旋流器內(nèi)部靜壓力的分布，隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小而減小，在中心位置周圍形成負(fù)壓。負(fù)壓的存在使旋流器外部的空氣被吸入旋流器，從而產(chǎn)生了空氣柱。空氣柱在旋流器內(nèi)部從溢流口一直延伸到中煤出口。對于切向速度，其分布隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小先增大，在達到最大值后，又迅速減小，在中心位置處，速度減小為0. 軸向速度的分布，隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小，速度的絕對值表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，軸向速度的絕對值先增大后減小為0，然后反向增大為最大值，這也說明了旋流器內(nèi)部流體流動存在著內(nèi)旋流和外旋流。

2) 新型旋流器在壓力分布、密度分布和速度分布方面均與傳統(tǒng)旋流器的分布規(guī)律相符合，這在理論上證明了該新型旋流器能夠?qū)崿F(xiàn)礦物的有效分選。

[1] 王祖瑞，石德明，王振國，等.重介質(zhì)選煤的理論與實踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1988：47-48.

[2] 李 勇.介紹計算流體力學(xué)通用軟件-FLUENT[J].水動力學(xué)研究與進展，2001(1)：254-258.

[3] N.Lourens.The Rejector Proceedings of XIV International Coal Preparation Congress[C].Sandton Convention Centre,Johannesburg,South Africa:SACPS&SAIMM,2002：297-302.

[4] J.BOSMAN.Recent development in classification cyclones. Proceedings of XIV International Coal Preparation Congress[C].Sandton Convetion Centre,Johannesburg,South Africa:SACPS&SAIMM,2002:291-295.

[5] M.S.Brennan.Multiphase CFD Simulations of Dense Medium and Classifying Hydrocyclones[C].Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries,CSIRO.Melbourne,Australia,2003:59-63.

[6] 劉 峰.DWP重介質(zhì)旋流器流程的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報，2007,32(2):186-189.

[7] 劉 峰，錢愛軍，郭秀軍.重介質(zhì)旋流器流場湍流數(shù)值計算模型的選擇[J].煤炭學(xué)報，2006，31(3)：346-350.

[8] 崔寶玉.旋流器內(nèi)空氣柱形成及其影響因素的數(shù)值模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,34(9)：1343-1346.

Simulation Study of A New Three-Product Dense Medium Cyclone

WANG Shi

The flow field of a new three-product heavy-medium cyclone is simulated by using the Fluent software and RSM turbulence model and Mixture multiphase flow model. By researching the pressure field, the density field and the velocity field inside the cyclone, the possibility of mineral separation is analyzed in theory. The simulation results show that the flow field distribution of the new three-product cyclone is consistent with the traditional cyclone distribution law, and it can effectively separate minerals.

Heavy medium cyclone; Numerical simulation; RSM turbulence model; Mixture multiphase flow model; Mineral separation

2016-06-12

王 石(1987—)，男，山西太原人，2011年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事選煤技術(shù)管理工作

(E-mail)93624738@qq.com

TD455+.7

A

1672-0652(2016)07-0025-04