選煤廠壓濾機入料工藝仿真模擬研究

馮曙慶

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司洗煤廠，山西 方山 033100）

0 引 言

壓濾機主要有上部入料、中部入料、中上部入料下部入料等這幾種入料方式，入料方式的不同，會造成壓濾機慮室中的壓力、流體流速迥異[1]。壓濾機慮室其他條件一樣，限定入料壓力在某個確定值，若給壓濾機不同的入料，則壓濾機慮室流體流速分布情況千差萬別，進而影響了濾餅的形成時間。要想濾餅快速形成，提高壓濾機工作效率，只有控制住慮室中的流體流速均勻分布。入料方式的不同，也造就了慮室中的壓力分布情況差異迥然，若在生產(chǎn)過程中，慮室壓力過于集中化，就會對濾板和濾布的使用壽命造成嚴重影響，進而給選煤廠提高了維修支出。

為了減小選煤廠經(jīng)濟成本，論文利用Fluent計算機模擬軟件對壓濾過程進行仿真，通過仿真模擬研究，分析入料工藝中的壓力和流體流速分布，并結合生產(chǎn)實際情況，確定出最優(yōu)入料工藝方式。可為壓濾機的選型、設計等提供理論支持。另外適宜的入料工藝能夠提高壓濾機生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，最重要的是還會降低濾餅水分，有效降低濾布的損傷，有利于機械化生產(chǎn)。

1 壓濾機結構及工作原理簡介

1.1 壓濾機結構

支撐系統(tǒng)、吹風系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、液壓收集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構等各個系統(tǒng)組成了壓濾機的結構。固定頭板、活動尾板、孔板、盲板、主裝液體液壓缸、輔助液體液壓缸、隔開膜片泵、濾液收集裝置等組成壓濾機執(zhí)行機構[2]。

用來支撐整個系統(tǒng)的是固定頭板、機架并和孔板閉合組成的慮室。濾板又由孔板和盲板組成，在液壓系統(tǒng)作用下，他們壓緊，煤泥水這時就通過料孔進入，經(jīng)過濾布過濾作用產(chǎn)生固液分離，這樣濾餅就形成了。

液壓系統(tǒng)主要提供動力，壓濾機的打開關閉也是液壓系統(tǒng)實現(xiàn)的。煤泥水在高壓過濾過程中，液壓系統(tǒng)會讓壓濾機一直處于閉合狀態(tài)。完成后壓濾機的卸餅狀態(tài)靠主副液壓系統(tǒng)共同作用完成。

用來收集和分流濾板中的液體是濾液收集系統(tǒng)完成。每一個濾板都安裝有濾液管，煤泥水經(jīng)過固液分離后，濾液就會通過濾液管集中到濾液溶裝桶內，濾液溶裝桶內裝有傳感器，傳感器能夠監(jiān)測感知是否高壓過濾是否順利實現(xiàn)。

壓濾機在高壓過濾煤泥水時，慮室需要高壓空氣，因為只有在高壓空氣的作用下，濾餅中的殘留水分才能被吹離，進一步滿足較低含水量的濾餅，這個過程就需要吹風系統(tǒng)來控制完成。

壓濾機結構的部分重要技術參數(shù)詳見表1。

表1 主要技術參數(shù)統(tǒng)計表

1.2 工作原理

壓濾機分為礦漿填充、加壓過濾、排水吹風、自動卸餅等四個工作過程，正常情況，壓濾機循環(huán)時間約為10～12min[3]。壓濾機工作原理的幾個階段如下：

礦漿填充階段：在煤泥水送入壓濾機之前，液壓泵啟動，使主液壓缸推動活動板，這時相鄰濾板相互緊貼，進而為礦漿充填創(chuàng)造空間。隨即隔膜泵自動啟動，運用管道迅速把礦漿液輸送到各自慮室中。

加壓過濾階段：在上個階段結束后隔膜泵繼續(xù)運轉，使得每個充滿礦漿液的慮室形成壓力差，煤泥水中的絕大數(shù)水分會被過濾掉，過濾出來的液體經(jīng)過排水槽和排水板排到規(guī)定區(qū)域。

排水吹風階段：在排水的過程中，濾餅就慢慢形成，隨著濾餅的成型，水分慢慢減少，這個時候濾液桶中的水位低于閥限時，就會自動顯示信號，隔膜泵隨即停止運轉。慮室會把高壓空氣壓進濾布和排水溝槽中間，強行排走濾餅周圍的水分，避免濾餅倒吸，引起反彈。在高壓作用下，空氣強行進入濾餅顆?？障吨?，將空隙中的水分強行排出，我們稱之為空氣換水。

自動卸餅階段：液壓泵啟動，在其運轉下，主液壓缸活塞推動活板進行首次卸餅，隨后各組輔助液壓缸一次完成卸餅。

2 建立Fluent仿真模擬模型

2.1 仿真模擬數(shù)學原理

壓濾機處理煤泥水過程，就像多孔介質流體滲流作用[4]，附加的動量損失就是由內部損失和粘性損失之和。

式中：Si為動量；D為阻力系數(shù)；C為慣性系數(shù)；Μ為粘性系數(shù)；ρ為密度；v為固液混合速度。

仿真模擬中阻力系數(shù)和貫性系數(shù)借鑒Ergun[5]方程

式中：ε為孔隙率；Dp2顆粒直徑均值。

2.2 建立模型

三維仿真模擬時，慮機過濾面積取200m2，慮室高度取40mm，濾餅的長寬為1800mm×1800mm。因此次模擬三維流體流動，我們采用的是六面體網(wǎng)格，也就是說用六面體進行了塊體網(wǎng)格的劃分。

結合選煤廠壓濾機的實際工作狀態(tài)，為研究三種入料方式工藝，建立的仿真模擬模型詳見圖1所示，其中濾室厚度模型中取的50mm，慮室入口直徑取80mm，慮室高和寬均取的是1800mm，濾布厚度按實際尺寸定為2mm。

圖1 入料方式仿真模型圖

3 仿真模擬分析

3.1 上部入料工藝仿真結果分析

在建立的三維模型中，施加初始條件，待模型運行穩(wěn)定后，創(chuàng)造實際生產(chǎn)狀態(tài)，設置相應參數(shù)對壓濾機濾室產(chǎn)生過濾作用進行仿真模擬。上部入料工藝在壓濾機濾室中壓力、流體流速仿真模擬如2所示。

圖2 上部入料方式慮室壓力和流體流速

從仿真模擬圖2看出，慮室中剛加入煤泥，并且煤泥還未形成濾餅這個過程，壓力從上面到下面是一種由大變小的變化趨勢。而從入料口方向分析，壓力是先變小再增大的變化過程，應力集中在入料口的盲板處，此種情況說明濾板局部會受到很大的沖擊載荷作用。若長時間處于這種狀態(tài)下，必然造成濾布破損，加之孔板與盲板之間力的不均衡性，材料硬件會發(fā)生變形破壞。從圖中可以讀出，底部區(qū)域明顯比兩側壓力值小，原因是煤泥在運到底部位置時，會受到濾板阻礙的作用，進而造成煤泥率先向這個區(qū)域運動。從流體流速云圖可知，煤泥在上下流動過程中，在入料口速度達到最大值，并隨著入料口方向不斷衰減，從慮室上下煤泥速度也在不斷減小。從整體上看，只有在入料口附近速度變化較大，其他區(qū)域正較為均勻，而且是從上往下流動。

3.2 中部入料工藝仿真結果分析

在建立的三維模型中，施加初始條件，待模型運行穩(wěn)定后，創(chuàng)造實際生產(chǎn)狀態(tài)，設置相應參數(shù)對壓濾機濾室產(chǎn)生過濾作用進行仿真模擬。中部入料工藝在壓濾機濾室中壓力、流體流速仿真模擬如3所示。

圖3 中部入料方式慮室壓力和流體流速

中部入料工藝仿真模擬壓力云圖可知，壓濾機剛加入煤泥時，煤泥沿著慮室入口方向，壓力從大變小變化，壓力又從小增大，盲板集中了大量應力，分析其原因，是煤泥剛入速度造就的。因為煤泥速度大，必然引起濾布阻礙，顯然煤泥也對濾布產(chǎn)生局部沖擊。從慮室豎直方向分析，壓力在中間最大，而在兩側是衰減的。從流體速度云圖分析，煤泥不僅從水平方向穿過濾布，而且會上下同時運動進而產(chǎn)生濾液，在入口處其流速達到最大。從入口方向來看，煤泥流速是慢慢變小的，在入料口處，煤泥速度也是在向兩側遞減的。

3.3 下部入料工藝仿真結果分析

利用計算機仿真下部入料工藝過程，煤泥在液壓慮機的慮室作用過程中壓力和流體流速的仿真結果如圖4所示。

圖4 下部入料方式慮室壓力和流體流速

從上圖4壓力云圖可以看出，沿著慮室入口方向，煤泥在被運作過程中，其壓力是由大變小再變大，而且局部區(qū)域集中了大量壓力，因為煤泥在送入慮室中時，經(jīng)過濾布的過濾，相應增加了阻力，因而下部入料口必然會受到較大沖擊作用。另外，從濾室豎直方向觀察，發(fā)現(xiàn)壓力由下往上先增大，再減小，在震動作用下，煤泥向兩側運動過程中會發(fā)生固液分離，進而濾液進入濾室。流體流速云圖觀察得出，下部入料管中達到了最大流速，因煤泥同時向上向下運動，入料口盲板處流速要比其他區(qū)域小很多，主要是因為流體在盲板區(qū)域形成了渦流現(xiàn)象。入料口盲板因其率先接觸煤泥，底部與入料口之間整體出現(xiàn)較大流速，再從入料口向上方向觀察，發(fā)現(xiàn)煤泥速度漸漸變小。

4 三部入料工藝對比分析

為了比較三部入料工藝優(yōu)劣，確定最佳入料方式。把三部入料工藝中煤泥剛進行過濾流程的仿真模擬結果，導入matlab軟件中，三種壓力曲線結果如圖5所示。

圖5 三部入料壓力曲線圖

由圖5可知，三部入料工藝均會產(chǎn)生壓力集中，都會沖擊濾板。但是上部入料工藝對濾板產(chǎn)生壓力最大，中部入料工藝次之，底部入料工藝壓力最小。從圖中也能看出無論采用上部入料工藝還是下部入料工藝，均會造成較大壓力于濾室頂部和濾室底部。當運用下部入料工藝時，在濾室中部反而產(chǎn)生了負壓，這不利于濾餅的生成，運用中部入料工藝上下運作過程中受力較為均勻，就壓力來看，采用中部入料工藝較為適宜。

為了比較三部入料工藝優(yōu)劣，確定最佳入料方式。把三部入料工藝中煤泥剛進行過濾流程的仿真模擬結果，導入matlab軟件中，三種速度曲線結果如圖6所示。

圖6 三部入料速度曲線圖

從三部入料速度曲線圖看，在煤泥剛輸送進濾室中時，三種入料工藝的入料管中煤泥速度都是處于峰值。但從入口煤泥速度來看，下部入料工藝最大，中部次之，下部入料工藝最小，主要是因為下部入料工藝的煤泥較快充填。在三部入料工藝中，入料口區(qū)域均存在小于其他區(qū)域的流速，因為這三步入料工藝煤泥在進入時均會產(chǎn)生渦流。上部入料工藝煤泥是向下流動的，中部入料工藝的煤泥同時向上向下均會流動，下部入料工藝煤泥不僅向下也會向上流動，但是入料口向下流動速度大于上部流速，因而煤泥率先在底部吃滿。單就煤泥流速來看，中部入料工藝較好。

綜上，結合入料工藝煤泥壓力和速度，三部入料工藝中采用中部入料工藝效果最佳，也是最有利的。

5 結 論

通過對壓濾機結構說明，工作原理介紹，利用計算機仿真軟件對三部入料工藝的煤泥在慮室中壓力和流速進行了模擬，可以得出以下幾個方面的結論：

1）壓濾機是由支撐系統(tǒng)、吹風系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、液壓收集系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構等系統(tǒng)組成；壓濾機要完成對煤泥水處理，需要經(jīng)過礦漿填充、加壓過濾、排水吹風、自動卸餅等四個工作過程。

2）根據(jù)流體介質等原理，建立仿真模型，設置約束條件，對三種入料工藝煤泥在慮室中的壓力和流速進行了仿真模擬。

3）通過對三種入料工藝壓力、流速模擬分析、比較，得出中部入料工藝是最為合適，也是壓濾機處理煤泥水的最優(yōu)入料工藝。