多錐水介旋流器的流場(chǎng)特性及其分選效果

趙 輝， 崔廣文

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引 言

水介旋流器是一種利用離心力對(duì)物料實(shí)現(xiàn)按密度分選的設(shè)備，在選煤廠中往往被用來(lái)處理和回收0.2～3.0 mm粗煤泥[1-3]。與重介質(zhì)旋流器不同，其在工作時(shí)不需要額外添加重介質(zhì)，而是依靠自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在內(nèi)部形成高密度懸浮液，一般稱之為自生介質(zhì)。因此，水介旋流器也被稱之為自生介質(zhì)旋流器。幾乎所有水介旋流器均具有以下相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。首先，擁有較大的錐體角度或較大的第一段錐體角度；其次，下端邊距較小，即溢流管插入筒體后距離底流口較近；最后，水介旋流器還擁有較粗的溢流管。大錐角的存在加之插入更深的溢流管造成溢流管下端與底流口的距離顯著縮短，這種結(jié)構(gòu)變化減少了徑向方向上不同粒子的沉降時(shí)間。因此，在顆粒從水介旋流器排出之前，大多數(shù)較大但較輕的粒子仍處在相對(duì)較小的徑向位置，因而沿內(nèi)螺旋上升流運(yùn)動(dòng)。較粗的溢流管可以擴(kuò)大溢流與底流的分割比，使上述顆粒有更大的機(jī)會(huì)出現(xiàn)在溢流[4-6]?？偟膩?lái)說(shuō)，上述結(jié)構(gòu)特征促使水介旋流器降低了分選密度，提高了分級(jí)粒度，實(shí)際分選性能有了進(jìn)一步提升。在粗煤泥分選中，傳統(tǒng)水介旋流器擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需自生介質(zhì)，生產(chǎn)維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，在與其它粗煤泥分選設(shè)備相比時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)[7-8]，然而，分選精度差，與效率低是該旋流器明顯的缺點(diǎn)[9]。

崔廣文[10-11]首次提出將多錐水介旋流器應(yīng)用到粗煤泥分選中，在原有傳統(tǒng)水介旋流器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，提高其分選精度及效率。該旋流器擁有3段錐體，每段錐體的角度均不相同且角度從錐體頂部到底部遞減。錐體是旋流器主要分選部分，改變錐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分選效果被很多學(xué)者競(jìng)相研究。將旋流器錐體部分分為3段，起初旨在松散煤泥，擴(kuò)展分選空間，延長(zhǎng)分選時(shí)間。為了更好地揭示多錐水介旋流器的分選原理，提高對(duì)粗煤泥的分選效果，筆者應(yīng)用CFD數(shù)值模擬對(duì)比分析多錐水介旋流器與傳統(tǒng)水介旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的差異，闡明旋流器內(nèi)3段錐體的分選原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其相較于傳統(tǒng)水介旋流器分選效果的優(yōu)越性。

1 內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

1.1 參數(shù)設(shè)置

基于商業(yè)CFD軟件ANSYS Fluent 15.0模擬兩種旋流器內(nèi)部流場(chǎng)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示 。筒體直徑D、筒體高度H、入料管長(zhǎng)和寬尺寸l×b、溢流管直徑d1、底流管直徑d2、溢流管插入深度h。

表1 旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)尺寸，運(yùn)用Design Modeler對(duì)兩種旋流器進(jìn)行三維建模。將三維模型導(dǎo)入ICEM中劃分網(wǎng)格，兩種旋流器模型均按照塊拓?fù)淞骟w結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠在減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量的同時(shí)提供較高的模擬精度[12]。根據(jù)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，多錐水介旋流器與傳統(tǒng)水介旋流器的網(wǎng)格數(shù)量分別被確定為21萬(wàn)和19萬(wàn)。

圖1 旋流器網(wǎng)格Fig. 1 Cyclone grid

入料口被設(shè)置為速度入口，入口流速為5.5 m/s，溢流口和底流口均被設(shè)置為壓力出口，且空氣相的回流系數(shù)設(shè)為1，相對(duì)壓力設(shè)為0(與大氣相連)。旋流器內(nèi)部壁面定義為靜止無(wú)滑移壁面，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[13-14]。由于雷諾應(yīng)力模型具有各向異性的優(yōu)勢(shì)，能直接計(jì)算雷諾應(yīng)力相及湍流耗散系數(shù)，盡管可能需要更高性能的計(jì)算機(jī)及更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，但鑒于其能對(duì)旋流器內(nèi)三維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)湍流進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，故模擬選擇雷諾應(yīng)力模型作為湍流模型[15-17]。體積分?jǐn)?shù)模型用來(lái)模擬旋流器內(nèi)部水-氣兩相流場(chǎng)，能夠得出清晰的水-氣界面，更好地模擬空氣柱[18]。隨后將體積分?jǐn)?shù)模型改為混合物模型，得到水-氣-煤三相流場(chǎng)的密度分布。

1.2 數(shù)據(jù)模擬

模擬全程采用SIMPLEC算法作為速度-壓力耦合關(guān)系的算法。本次模擬在獲得兩種旋流器穩(wěn)定兩相流場(chǎng)后，均加入體積濃度為10 % 的1.0 mm、1 600 kg/m3的煤顆粒來(lái)獲得兩種旋流器穩(wěn)定的三相流場(chǎng)。選取與入料管平行的中軸平面作為研究平面，在研究平面上各取3條長(zhǎng)度相等的特征線，如圖2所示。其中，sz表示三錐，dz表示單錐。

圖2 旋流器特征線Fig. 2 Cyclone characteristic line

2 分選實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

粗煤泥選自新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司孫村選煤廠。為了解煤質(zhì)特性，明確適宜分選方法，根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)其進(jìn)行篩分，浮沉實(shí)驗(yàn)。該煤樣粒度和密度組成分別見表2和3。

表2 煤樣粒度組成

從表2可以看出，此粗煤泥的粒度主要集中在0.3～1.0 mm，每個(gè)粒度級(jí)的灰分接近于總灰分。大于1.0 mm的煤泥灰分為31.60%，相對(duì)較高，但該粒度級(jí)較少。0.5～1.0 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到41.61%。從表3可知，此粗煤泥低密度級(jí)含量較高，-1.3 g/cm3密度級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.69%，表明該粗煤泥含有大量低灰精煤。高密度級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣較高，+1.8 g/cm3密度級(jí)為16.69%，其它密度級(jí)相對(duì)較少，說(shuō)明該煤泥較適合重力分選。

表3 煤樣密度組成

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

旋流器分選實(shí)驗(yàn)在一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 旋流器分選系統(tǒng)Fig. 3 Cyclone sorting system

實(shí)驗(yàn)開始，打開回流控壓閥、渣漿泵及混料桶中的攪拌器，隨后將煤樣加入混料桶中，該混料桶事先加入定量清水(本次實(shí)驗(yàn)入料礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為15 %)；待攪拌均勻后，打開閥1，煤漿被切向注入旋流器中。通過(guò)調(diào)節(jié)回流控壓閥和閥1對(duì)旋流器入料壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)(本次實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)置為0.06 MPa)，待壓力穩(wěn)定后，從取樣點(diǎn)接取溢流、底流樣品進(jìn)行灰分測(cè)定。分選實(shí)驗(yàn)所使用的旋流器尺寸與CFD數(shù)值模擬相同。分選實(shí)驗(yàn)將-0.20 mm粒級(jí)物料看作自生介質(zhì)，故+0.20 mm粗煤泥被視為分選物料。在取樣結(jié)束后，分別對(duì)溢流、底流0.20 mm以上的粒級(jí)進(jìn)行灰分測(cè)定，根據(jù)灰分平衡法，計(jì)算出兩種產(chǎn)品的產(chǎn)率。同時(shí)，對(duì)上述物料進(jìn)行浮沉實(shí)驗(yàn)，獲得其密度組成，進(jìn)而求解出兩種旋流器分選該煤樣的分配曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 多錐水介旋流器流場(chǎng)

3.1.1 壓力分布

兩種旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布如圖4所示。從圖4可以看出，兩種旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布情況基本一致，壓力分布在徑向方向呈現(xiàn)軸對(duì)稱形態(tài)，徑向最大點(diǎn)即旋流器壁面處壓力達(dá)到最大，徑向最小點(diǎn)即旋流器軸心附近壓力最小，一般降低至0以下，形成負(fù)壓區(qū)，也正是由此形成了空氣柱。相比較而言，錐體內(nèi)部除中心負(fù)壓區(qū)外，其他區(qū)域多錐水介旋流器在各特征線上的壓力值均低于傳統(tǒng)水介旋流器。由于空氣柱運(yùn)動(dòng)中心與大氣相連，其靜壓值基本為負(fù)值，故而說(shuō)明在相同處理能力下，多錐水介旋流器的能耗低于傳統(tǒng)水介旋流器。

圖4 兩種旋流器壓力分布Fig. 4 Pressure distribution of two cyclones

3.1.2 速度分布

流體在旋流器內(nèi)部做三維運(yùn)動(dòng)，其速度由3個(gè)速度分量組成，分別為切向速度、軸向速度和徑向速度。切向速度具有決定旋流器流場(chǎng)中顆粒離心力和旋流器分離效率的重要作用，是旋流器三維速度中最核心的部分。兩種旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的切向速度分布如圖5所示。從圖5可以看出，兩種旋流器切向速度分布情況與壓力分布情況類似，均呈現(xiàn)軸對(duì)稱形態(tài)，但沿徑向方向從壁面到軸心處逐漸增大，在到達(dá)確定徑向位置后，該速度值反而快速下降。這體現(xiàn)出兩種旋流器內(nèi)部流場(chǎng)均符合組合渦運(yùn)動(dòng)。所有切向速度最大值組成類柱錐面，稱為最大切向速度軌跡面，該軌跡面被認(rèn)作組合渦的分界面，軌跡面外部被稱為準(zhǔn)自由渦，流體微元基本只繞軸公轉(zhuǎn)，無(wú)太多能量消耗，此區(qū)域?yàn)樾髌髦饕蛛x區(qū)域，軌跡面內(nèi)部為強(qiáng)制渦，流體微元除繞軸公轉(zhuǎn)外，也會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)，故而存在較高的能量損耗，這也是切向速度在此區(qū)域急劇下降的原因。相較于傳統(tǒng)水介旋流器，多錐水介旋流器基本上具有更大的最大切向速度，較大的離心強(qiáng)度提高了旋流器的分選效率與精度。

圖5 兩種旋流器切向速度分布Fig. 5 Tangential velocity distribution of two cyclones

軸向速度在錐體內(nèi)徑方向上的改變是旋流器內(nèi)溢流和底流兩種產(chǎn)物發(fā)生分離的最直接原因。內(nèi)螺旋流的軸向速度向上，其攜帶部分顆粒向上運(yùn)動(dòng)從溢流管排出，形成溢流產(chǎn)品。外螺旋流軸向速度向下，攜帶剩余部分顆粒從底流口排出，形成底流產(chǎn)品。兩種旋流器內(nèi)部流場(chǎng)軸向速度分布如圖6所示。從圖6可以看出，兩種旋流器軸向速度分布具有相似特征，徑向上基本呈軸對(duì)稱分布。近壁區(qū)域，流體軸向速度向下，隨著徑向上的深入，其軸向速度逐漸減小，到達(dá)確定徑向位置后變?yōu)?，隨后，流體轉(zhuǎn)向，軸向速度向上，并且逐漸增加。所有軸向速度為0點(diǎn)組成類柱錐面，被稱為零速包絡(luò)面，是內(nèi)外螺旋流的分界面。從圖6可以看出，多錐水介旋流器內(nèi)外螺旋流的軸向速度均大于傳統(tǒng)水介旋流器，在促進(jìn)物料排出和提高旋流器處理能力方面均起到了積極作用。

圖6 兩種旋流器軸向速度分布Fig. 6 Axial velocity distribution of two cyclones

徑向速度在3個(gè)速度分量中最小，很難通過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算獲得，通過(guò)數(shù)值模擬則可較易獲得該速度。兩種旋流器特征線上的徑向速度比較如圖7所示。

圖7 兩種旋流器徑向速度分布Fig. 7 Radial velocity distribution of two cyclones

從圖7可以看出，兩種旋流器的徑向速度分布具有相似的特征，基本在徑向上呈現(xiàn)出中心對(duì)稱的“擺動(dòng)”分布。徑向上距中軸線相同距離的兩側(cè)具有方向相反但大小相等的徑向速度。兩種旋流器在筒體及錐體上部具有極為相似的徑向速度值及分布特征，但錐體底部，該速度值及分布方式存有較明顯的差異。多錐水介旋流器的徑向速度在錐體底部較小，這也與其下部錐體角度較小有關(guān)，可以促進(jìn)煤顆粒按離心力獲得分選。

3.1.3 湍流強(qiáng)度

當(dāng)流場(chǎng)中流速較大時(shí)，流體內(nèi)部相互干擾、碰撞，運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，形成小漩渦，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)即為湍流。由于旋流器內(nèi)能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流運(yùn)動(dòng)，因此湍流強(qiáng)度的大小會(huì)對(duì)最終的分選效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。獲得兩種旋流器特征線上的湍流強(qiáng)度分布并進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 兩種旋流器湍流強(qiáng)度分布Fig. 8 Turbulence intensity distribution of two cyclones

從圖8可以看出，對(duì)于旋流器的筒體部分，兩種旋流器的湍流強(qiáng)度分布具有相似的特征，均在徑向上呈軸對(duì)稱形態(tài)。湍流強(qiáng)度沿徑向方向從壁面到軸心處逐漸降低。而對(duì)于旋流器的錐體部分，兩種旋流器的湍流強(qiáng)度分布則呈現(xiàn)差異性，雖然在徑向方向的變化規(guī)律相對(duì)一致，均類似于拋物線表現(xiàn)為先降后升，但湍流強(qiáng)度的大小差異較大。傳統(tǒng)水介旋流器的最大湍流強(qiáng)度位于錐體壁面處，而多錐水介旋流器則位于錐體軸心處，且軸心處的湍流強(qiáng)度明顯高于前者。兩種設(shè)備相比較，多錐水介旋流器在錐體軸心處的流體運(yùn)動(dòng)更劇烈，有助于物料更好的松散分層以實(shí)現(xiàn)高效分選。

3.1.4 密度分布

密度是水介旋流器實(shí)現(xiàn)輕重產(chǎn)物分離的根本影響因素，因此，密度分布就顯得尤為重要。與重介旋流器不同，水介旋流器的密度場(chǎng)是由部分入料在離心力的驅(qū)使下形成的，密度場(chǎng)的形成增加了等沉比，促進(jìn)了對(duì)煤顆粒按密度分離。多錐水介和傳統(tǒng)水介旋流器的密度分布如圖9所示。

圖9 兩種旋流器密度分布Fig. 9 Density distribution of two cyclones

由圖9可見，兩種旋流器1 000～1 100 kg/m3和1 100～1 200 kg/m3密度層具有相似的分布位置及特點(diǎn)。多錐水介旋流器1 200～1 300 kg/m3密度層的分布范圍小于傳統(tǒng)水介旋流器，然而，1 300～1 400 kg/m3及+1 400 kg/m3密度層的分布范圍要大于傳統(tǒng)水介旋流器。煤顆粒的密度基本大于1 200 kg/m3，可以判斷兩種旋流器的有效分選區(qū)域集中在筒體下部和錐體部分，后者相對(duì)是主要分選區(qū)域。

兩種不同的旋流器其錐體部分密度層變化情況略有異同，相同點(diǎn)在于密度自上而下，由內(nèi)向外逐漸增大，越靠近錐壁和底流口密度越大，越靠近溢流管則密度越??；不同點(diǎn)是對(duì)于多錐水介旋流器其密度層在軸向方向自上而下密度逐漸增大。隨著分選過(guò)程的進(jìn)行，被重產(chǎn)物包裹在內(nèi)的物料逐漸被釋放出來(lái)，加之錐體高度較大帶來(lái)的較長(zhǎng)分選時(shí)間，使物料的分選在多錐水介旋流器中更加充分準(zhǔn)確。

3.2 分選效果

兩種旋流器的分選結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，傳統(tǒng)水介旋流器的溢流灰分高達(dá)20.13%，分選效果較差，得到的溢流不能夠滿足精煤灰分要求。相比而言，多錐水介旋流器在保證產(chǎn)率的同時(shí)，其溢流灰分下降了近8%，降灰顯著，由此可見，多錐水介旋流器的分選效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)水介旋流器。繪制兩種旋流器的重產(chǎn)物分配曲線，如圖10所示。

表4 兩種旋流器分選結(jié)果

圖10 兩種旋流器重產(chǎn)物分配曲線Fig. 10 Product distribution curves of two cyclones

結(jié)合旋流器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分選特性，采用可能偏差和不完善度評(píng)比兩種旋流器的分選精度。利用分配曲線圖查值后計(jì)算得到，多錐水介旋流器的可能偏差為0.08 g/cm3，不完善度為0.17；傳統(tǒng)水介旋流器的可能偏差為0.21 g/cm3，不完善度為0.31。對(duì)比可知，多錐水介旋流器的兩項(xiàng)評(píng)定指標(biāo)均較小，由此，可見其分選精度更高。

4 結(jié) 論

(1)多錐水介旋流器與傳統(tǒng)水介旋流器相比，其錐體分選特點(diǎn)相同，在壓力分布、速度分布、湍流運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以及密度場(chǎng)等三維旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)特征方面均有較高的相似性，表明多錐水介旋流器具有與傳統(tǒng)水介旋流器相同的分選原理。

(2)兩種不同旋流器的模擬表明，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，多錐水介旋流器在密度分布、錐體結(jié)構(gòu)和湍流強(qiáng)度具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠使物料得到充分松散和分選，證明多錐水介旋流器能夠提高分選精度。

(3)通過(guò)實(shí)際煤樣分選實(shí)驗(yàn)得到多錐水介旋流器的可能偏差為0.08 g/cm3，不完善度為0.17，兩項(xiàng)重選指標(biāo)均低于傳統(tǒng)水介旋流器，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。