旋流器底流排礦狀態(tài)數(shù)值模擬研究

徐嘉晨

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤炭洗選分公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，煤礦配套機械也在日益更新，水力旋流器又被稱為旋液分離器，其作為一種高效的分離設(shè)備，已經(jīng)被用在常見的兩相流體分離工作中。旋液分離器由于其獨特的內(nèi)部構(gòu)造使得壓入旋流器內(nèi)部的漿體以一種螺線的方式流動，在旋流器內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力場環(huán)境下，礦漿會被分離為不同品質(zhì)的沉砂和溢流[1-2]。常見的水力旋流器分離的對象可分為五大類型，分別為固—固分離、固—液分離、固—氣分離、氣—液分離、液—液分離，而在洗煤廠工作中，常用于固—液分離及固—固分離?？紤]到水力旋流器內(nèi)部流場關(guān)系較為復(fù)雜[3-5]，其工作參數(shù)對水力旋流器的分級性能影響的研究較少。

本文以固—液水力旋流器為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分級效果進(jìn)行分析，為水力旋流器的優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。

1 排礦角度影響研究

水力旋流器是一種高效兩相分離設(shè)備，在實際工作工程中，水力旋流器內(nèi)部是由固、液、期三相流體組合而成，同時在水力旋流器內(nèi)部會形成一段空氣柱，由于空氣柱的存在使得旋流器內(nèi)部的流場變得十分復(fù)雜，同時空氣柱的存在使得旋流器的工作性能大打折扣，所以想要精確地分析多相流場的分布情況，選定合適的多相流模型是十分重要的。本文選定Eulerian 法作為多相流模型，Eulerian 法是將流場的主相和次相視為可滲透連續(xù)相，對于本文分析最為精確。模型采用外接軟件導(dǎo)入，導(dǎo)入的模型三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 錐角旋流器模型結(jié)構(gòu)

模型的外部結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 旋流器外部結(jié)構(gòu)參數(shù)參照表

完成模型外部結(jié)構(gòu)設(shè)計后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文選定六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分工具選用ICEM CFD，完成網(wǎng)格劃分后對模型的應(yīng)力條件及求解器進(jìn)行設(shè)定，首先進(jìn)行應(yīng)力條件設(shè)置，在旋流器的給料口以相同速度注入水和顆粒，注入顆粒及水的速度均為8 m/s，為了避免礦粒度對模擬過程的影響，本文的顆粒度均為唯一定值，完成模擬條件的設(shè)定后對模型的求解器進(jìn)行設(shè)定，考慮到本文的計算精度及計算時間，本文壓力速度耦合選定為Phase Coupled SIMPLE，體積離散的模型選用Modified HRIC，重力加速度設(shè)定為9.8 m/s，方向垂直于Z 軸。模型設(shè)定完成后對模型進(jìn)行模擬計算。

首先對不同排礦角度下的旋流器固相分布影響進(jìn)行研究，給出平面內(nèi)固相分布云圖如下頁圖2 所示。

圖2 不同排礦角下固相分布云圖

如圖2 所示可以看出，在傘狀排礦模式下，固體顆粒在底流的錐形壁面位置形成大面積的高濃度聚集區(qū)域，當(dāng)排礦模式改變?yōu)槔K狀時，此時的固體顆粒會在錐形部位形成一定高度的高濃度區(qū)域，當(dāng)排礦角為42°時，此時細(xì)顆粒隨著水流動到沉砂中，使得旋流器的分級效率有了一定的降低，當(dāng)旋流器的排礦角為29°和25°時，此時的沉砂濃度高，大部分細(xì)顆?？梢噪S著流動的水進(jìn)入到溢流中，此時的粗顆粒能夠從沉砂口中較好地排出，能夠較好地實現(xiàn)分級效率，水力旋流器內(nèi)部形成的分級流場較好。

2 對旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響研究

針對旋流器的操作參數(shù)對排礦的影響進(jìn)行研究，首先對給礦濃度的影響進(jìn)行分析，固體顆粒進(jìn)入旋流器后受到各種力的作用使得顆粒按照一定的物理特性進(jìn)行分離、沉降，因此限定固相的濃度在一定程度上也限制了旋流器的分離，對沉砂固體含量隨著給礦固體濃度的變化曲線如圖3 所示。

根據(jù)圖3 可以看出，在傘狀排礦的情況下，隨著給礦固體濃度的增加，沉砂固體含量也呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，而當(dāng)為繩狀排礦時，此時旋流器的底流沉砂密度保持在一恒定值附近，不會隨著給礦濃度的增大而增大，根據(jù)對繩狀情況下的沉砂量隨給礦固體濃度變化情況進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，沉砂固體含量波動最大值不超過7%，可以看出水力旋流器繩狀排礦下，底流的固體含量為一定值。水力旋流器內(nèi)部靠著機械離心力的作用使得物料分離，隨著給礦濃度的增大，使得礦漿的黏度增加，使得礦漿在水力旋流器內(nèi)部的離心作用效果降低，使得旋流器內(nèi)部礦漿的分布密度增大，在錐形界面處聚集的固體顆粒增多，從而使得旋流器內(nèi)部空氣柱形成受到影響，固體顆粒無法順利排出。

圖3 沉砂固體含量隨著給礦固體濃度的變化曲線

角錐比是影響水力旋流器排礦情況的重要參數(shù)，當(dāng)角錐比小于或者大于某一數(shù)值時，此時無論如何改變其他參數(shù)，水力旋流器排礦狀態(tài)不會出現(xiàn)傘狀與繩狀的轉(zhuǎn)換，研究排礦角度隨著角錐比的變化散點圖如圖4 所示。

圖4 排礦角度隨著角錐比的變化散點圖

從圖4 可以看出，角錐比的數(shù)值直接影響排礦角度，在旋流器傘狀排礦狀態(tài)下，隨著角錐比的增大，排礦角度逐步增大，與此同時排礦狀態(tài)也在傘狀與繩狀之間相互轉(zhuǎn)化，而在旋流器繩狀排礦狀況下隨著角錐比的增大排礦角度較為穩(wěn)定，雖有一定的波動，但波動范圍小于8%，當(dāng)角錐比為0.3 時，此時的排礦角度為31°，當(dāng)角錐比為0.6 時，此時的排礦角度為78%。

3 結(jié)論

1）本文給出了水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，通過對網(wǎng)格劃分、初始條件、求解方法等進(jìn)行設(shè)定，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供一定的基礎(chǔ)。

2）旋流器排礦狀態(tài)由傘狀轉(zhuǎn)化為繩狀的過程中，在沉砂口位置粗顆粒聚集，當(dāng)聚集到一定程度時，使得內(nèi)部空氣柱無法形成，從而使得繩狀排礦，且當(dāng)排礦角為25°～30°時分離效果最佳。

3）通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，給礦濃度對旋流器的分級影響十分明顯，給礦濃度越大，沉砂的黏度和密度越大，導(dǎo)致旋流器排礦角度越小，持續(xù)增加排礦濃度使得水力旋流器排礦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔K狀。