重介質(zhì)淺槽分選機流場及臨界分選粒度研究

黃 波，王子源，周毛毛，王 杰，秦利輝

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

重介質(zhì)淺槽分選機因其分選粒度范圍寬、排矸能力強、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于動力煤選煤廠[1]。淺槽的結(jié)構(gòu)簡單，在水平流和上升流的作用下造成內(nèi)部的流場較為復(fù)雜并顯著影響分選效果。國內(nèi)外研究學(xué)者運用工業(yè)試驗、理論研究、數(shù)值模擬等多種方法研究淺槽的流場。黃亞飛等[2]利用PIV系統(tǒng)對流場進(jìn)行實時檢測，分析物料在分選過程中的規(guī)律。劉遠(yuǎn)力等[3]從運動狀態(tài)分層假設(shè)出發(fā)，引入水力學(xué)公式提出了計算重介質(zhì)懸浮液流量的方法。隨著計算流體力學(xué)(CFD)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究選礦設(shè)備的有效手段[4，5]。王立鵬等[6]利用FLUENT軟件對淺槽的流場進(jìn)行分析并提出設(shè)置柵型導(dǎo)料板優(yōu)化分選。

國內(nèi)外學(xué)者大多采用重介質(zhì)淺槽分選機的二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬[7，8]，不能準(zhǔn)確和完整地表征流場分布和流體運動規(guī)律。本文通過三維建模，采用FLUENT軟件對淺槽內(nèi)部流場的分布情況和流動規(guī)律進(jìn)行研究，運用顆粒沉降理論計算了淺槽不同位置礦物顆粒的臨界分選粒度，為淺槽的設(shè)計和操作提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬研究方法

重介質(zhì)淺槽分選機的結(jié)構(gòu)較大，按實際尺寸模擬耗費大量時間，許多學(xué)者采用單個完整的槽體進(jìn)行研究[9，10]。本文對重介質(zhì)淺槽分選機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，忽略部分與分選無關(guān)的部件，以單個完整的槽體劃分計算域、確定湍流模型和計算參數(shù)。

1.1 重介質(zhì)淺槽分選機結(jié)構(gòu)

本文選用彼得斯設(shè)備公司生產(chǎn)的W26F54右側(cè)入料的重介質(zhì)淺槽分選機為模型，使用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模。設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。簡化后淺槽數(shù)值模擬計算域的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)量為277297個。

圖2 簡化后淺槽的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.2 計算流體模型的選擇

重介質(zhì)淺槽分選機內(nèi)部流場為水和磁鐵礦粉構(gòu)成的懸浮液流場。本文采用FLUENT軟件對重介質(zhì)淺槽分選機的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，多相流模型選用混合物模型(Mixture)，磁鐵礦粉視為準(zhǔn)流體[11，12]。

1.3 數(shù)值模擬條件的確定

水平流和上升流的邊界條件設(shè)為velocity-inlet，出口設(shè)為pressure-outlet。壓力與速度耦合求解方式選擇SIMPLE，動量方程、湍動能方程及體積率方程均采用一階迎風(fēng)。松弛因子及其他參數(shù)保持默認(rèn)。重介質(zhì)選煤的懸浮液通常采用磁鐵礦粉作為加重質(zhì)，其密度不小于4500kg/m3，對于重介質(zhì)塊煤分選機要求磁鐵礦中粒度小于0.028mm級含量不低于50%[13，14]。因此，本文采用密度為4600kg/m3，粒度為0.025mm粒級的磁鐵礦粉作為加重質(zhì)，懸浮液密度為1700kg/m3。

2 重介質(zhì)淺槽分選機流場分析

2.1 流量比對懸浮液速度場的影響

重介質(zhì)淺槽分選機內(nèi)部分為溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)，如圖3所示。物料主要在分選區(qū)內(nèi)完成分離。重介質(zhì)淺槽分選機內(nèi)的懸浮液由側(cè)面(水平流)和底部(上升流)兩個位置給入，水平流和上升流的流量比(簡用Rv表示)對淺槽內(nèi)部懸浮液流場的形成起決定作用。本文研究了Rv對淺槽內(nèi)部(剖面A-A，如圖4所示)懸浮液速度場的影響，模擬如圖5所示，模擬條件見表2。

圖3 淺槽區(qū)域劃分

圖4 剖面A-A位置

圖5 剖面A-A速度矢量分布

表2 模擬條件的設(shè)置

由圖5可知，當(dāng)Rv=9∶1時，水平流較大，不利于入料原煤的松散，高密度礦粒在淺槽中來不及分選，被水平流帶入溢流口并排出污染精煤；當(dāng)Rv≤1時，流場中沒有形成穩(wěn)定的水平介質(zhì)流，上浮精煤無法被輸送至溢流口。同時，水平流入口處有一部分流體向槽體底部運動，會攜帶低密度的精煤顆?；烊胛驳V中造成精煤損失。水平流過小使精煤不能及時向溢流口輸運，隨著原煤的不斷加入導(dǎo)致入料堆積；當(dāng)Rv=8∶2時，懸浮液的速度場分布有利于上升流保持穩(wěn)定，并且形成了由入料端向溢流口的水平流可以對上浮精煤起到運輸作用。

2.2 淺槽內(nèi)懸浮液沿Y軸方向速度分布

本文選取Rv=8∶2時剖面A-A位于槽體中部和壁面附近的3個代表性位置(如圖6所示)，研究淺槽內(nèi)部重介質(zhì)懸浮液沿Y軸方向速度分布，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖6 坐標(biāo)軸及流場速度位置

圖7 渦流和折回流

圖8 沿Y軸方向速度分布

淺槽內(nèi)部區(qū)域B和區(qū)域C存在渦流和折回流，如圖7所示。區(qū)域B是上升流、水平流與折回流速度差異過大而產(chǎn)生相互作用形成的渦流，導(dǎo)致沿Y軸正向的速度分量在較短的距離之間不斷增大。區(qū)域C為水平流沖擊槽體壁面產(chǎn)生的折回流。李慧等[15]認(rèn)為合理設(shè)計分選槽的長寬比可以提高分選效率解決渦流問題，例如增大槽體的寬度。

由圖8可知，靠近溢流口(x=-900mm)，淺槽高度0.79m以下，流場受到折回流和上升流的作用，速度大小呈緩慢增加的趨勢。渦流作用導(dǎo)致在淺槽高度為0.47～0.63m之間速度迅速增大。淺槽高度為0.79～1.38m之間，流場受到水平流的影響，沿Y軸負(fù)方向上速度分量不斷增加，使得速度大小不斷減小，在淺槽高度為1.19m處速度方向發(fā)生改變，速度大小不斷增大；槽體中部(x=0mm)，底部給入的上升水流通過分布板后速度大小為1.44m/s，隨著淺槽高度的增加，速度不斷減小，在高度為0.54m處減小至0.14m/s。隨后，受到水平流的作用，增加了在Y軸負(fù)方向上速度的分量，速度開始增大，在高度為1.07m處增大至0.32m/s。最后，隨著高度的速度不斷衰減至0。W26F54淺槽分選區(qū)位于高度為0.54～1.07m之間，此區(qū)域水平流和上升流的相互作用影響物料分選；入料口附近(x=900mm)，水平流對其速度分布影響極大。在淺槽高度為0.74～1.18m之間，水平流受重力作用產(chǎn)生傾斜向下的流場，使得Y方向的速度急速增大達(dá)到最大值0.58m/s。隨著淺槽高度的增加，水平流逐漸趨于水平，Y方向的速度分量持續(xù)減小至0。

2.3 流量比對懸浮液密度場的影響

Rv對淺槽內(nèi)部(剖面A-A)懸浮液密度場的影響如圖9所示。懸浮液是由水和磁鐵礦粉組成的粗分散體系，易發(fā)生沉降。當(dāng)Rv=9∶1時，水平流過大，在底流區(qū)域③發(fā)生擾動攜帶磁鐵礦粉至區(qū)域②。并且上升流過小，無法使磁鐵礦粉向上運動，在區(qū)域②產(chǎn)生堆積，導(dǎo)致分選區(qū)懸浮液密度分布不均勻。區(qū)域①受到水平流和上升流的作用都較弱，進(jìn)入分選區(qū)的磁鐵礦粉減少；當(dāng)Rv=1時，水平流入口處一部分向槽體底部運動的流體攜帶區(qū)域③的磁體礦粉至區(qū)域②，在上升流的作用下向槽體中部運動。雖然分選區(qū)懸浮液密度分布較為均勻，但平均密度為1660kg/m3，小于分選密度(1700kg/m3)造成精煤損失；當(dāng)Rv<1時，水平流過小，磁鐵礦粉沉降至區(qū)域③。由于上升流過大，產(chǎn)生較強的湍流作用導(dǎo)致區(qū)域①和③堆積的磁鐵礦粉向區(qū)域②富集并進(jìn)入分選區(qū)。由于沒有穩(wěn)定的水平流作用，分選區(qū)絕大部分懸浮液密度范圍在998.2～1622kg/m3小于分選密度導(dǎo)致精煤損失；當(dāng)Rv=8∶2時，水平流和上升流對區(qū)域①和③的作用都不明顯，雖然磁鐵礦粉產(chǎn)生堆積，但是分選區(qū)懸浮液密度均勻分布，并且平均密度為1733kg/m3與分選密度接近，小于1700kg/m3的物料可以進(jìn)入溢流區(qū)成為精煤。

圖9 剖面A-A密度云圖分布

2.4 不同密度顆粒的臨界分選粒度

區(qū)域D位置如圖10所示，區(qū)域D受上升流和水平流作用最為顯著，該區(qū)域不同密度顆粒的臨界分選粒度具有代表性。根據(jù)沉降理論[16]由式(1)和式(2)求得臨界分選粒度：

式中，φ為阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；v0為自由沉降末速，m/s；δ為礦粒的密度，kg/m3；ρ為介質(zhì)的密度，kg/m3；μ為介質(zhì)的動力粘度，Pa·s；d為臨界分選粒度，mm。

圖10 區(qū)域D位置

區(qū)域D臨界分選粒度的三維曲面如圖11所示，可以看到，礦粒的臨界分選粒度隨入料密度的增加而減小。同時，隨著淺槽高度的增加，4個密度的臨界分選粒度均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。這是由于上升流向上運動，速度不斷減小，之后在水平流的作用下沿Y軸負(fù)向的速度增大。W26F54淺槽分選區(qū)的位置在淺槽高度為0.54～1.07m之間，此區(qū)域內(nèi)大于分選密度(1700kg/m3)的礦物顆粒的粒度應(yīng)高于臨界分選粒度，否則將進(jìn)入溢流區(qū)污染精煤。由圖11 (a)可知，在x=-130mm處，密度δ=1750kg/m3的礦物顆粒臨界分選粒度為154.25mm，即入料粒度小于154.25mm的高密度礦粒進(jìn)入溢流區(qū)污染精煤。同理可得，當(dāng)?shù)V粒密度分別為1800kg/m3、1850kg/m3和1900kg/m3時，入料粒度大于75.21mm、52.53mm和40.91mm才能避免高密度礦粒進(jìn)入溢流區(qū)污染精煤。

圖11 區(qū)域D的臨界分選粒度

3 結(jié) 論

1)水平流和上升流顯著影響重介質(zhì)淺槽分選機的速度場。當(dāng)Rv=9∶1時，高密度礦粒來不及分選，被水平流帶入溢流口污染精煤；當(dāng)Rv≤1時，無法形成穩(wěn)定的水平流。當(dāng)Rv=8∶2時，有利于上升流保持穩(wěn)定并且水平流對上浮精煤起到運輸作用。

2)水平流和上升流顯著影響重介質(zhì)淺槽分選機的密度場。當(dāng)Rv=9∶1時，磁鐵礦粉堆積在淺槽底部，分選區(qū)懸浮液密度分布不均勻；當(dāng)Rv=1時，分選區(qū)懸浮液平均密度為1660kg/m3，小于分選密度造成精煤損失；當(dāng)Rv<1時，分選區(qū)絕大部分懸浮液密度范圍在998.2～1622kg/m3不能實現(xiàn)準(zhǔn)確分選；當(dāng)Rv=8∶2時，分選區(qū)懸浮液平均密度為1733kg/m3并且均勻分布，入料原煤可以按分選密度進(jìn)行分選。

3)大于分選密度的高密度物料的粒度小于臨界分選粒度時，將進(jìn)入溢流區(qū)污染精煤。在重介質(zhì)淺槽分選機內(nèi)部不同高度的位置具有不同尺寸的臨界分選粒度，并且入料密度越大臨界分選粒度越小。隨著淺槽高度的增加，不同密度顆粒的臨界分選粒度先減小后增大。