煤泥調(diào)漿湍流強(qiáng)化作用機(jī)理與新型渦流強(qiáng)化調(diào)漿過(guò)程

張海軍，王海楠，陳瑞豐，閆小康，鄭愷昕，李丹龍，蔣善勇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 國(guó)家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆 阿克蘇 842300)

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源之一，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。但我國(guó)煤炭資源稟賦差，且隨著持續(xù)高消耗，優(yōu)質(zhì)煤炭資源日益枯竭，高含雜低品質(zhì)煤將成為今后煤炭資源回收利用的主要對(duì)象，迫切需要開(kāi)發(fā)煤炭提質(zhì)加工與深度利用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)煤炭全面分選。目前，重介質(zhì)選煤技術(shù)的迅速發(fā)展使得粗粒煤分選效率顯著提高，但細(xì)粒煤的有效分選仍是制約低品質(zhì)煤炭資源提質(zhì)利用的卡脖子問(wèn)題。浮選是分選細(xì)粒煤的主要方法，基于顆粒表面疏水性差異，在復(fù)雜的氣-液-固三相體系中實(shí)現(xiàn)精煤與矸石的分離。在浮選過(guò)程中，通常會(huì)加入一定量的捕收劑以增強(qiáng)顆粒間表面疏水性差異，從而提高浮選效率。作為浮選預(yù)處理作業(yè)，調(diào)漿可實(shí)現(xiàn)顆粒與藥劑的分散均質(zhì)化，促使藥劑在顆粒表面吸附，提高目的礦物和非目的礦物的表面疏水性差異，從而實(shí)現(xiàn)顆粒表面改性，為浮選提供良好的界面和礦化條件，提高回收效率。

浮選調(diào)漿過(guò)程一般發(fā)生在復(fù)雜的多物質(zhì)混合溶液化學(xué)體系中，通過(guò)外界能量輸入，引起溶液的湍流運(yùn)動(dòng)，使得顆粒與藥劑充分分散與混合，為藥劑在顆粒表面吸附提供合適的能量條件。因此，浮選調(diào)漿過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)多相、多組分、多尺度的流動(dòng)-傳遞-吸附過(guò)程，大量研究表明流體(能量)在調(diào)漿過(guò)程中的作用不可忽視。ENGEL、黃根等研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度調(diào)漿可產(chǎn)生高流體剪切率，進(jìn)一步分散顆粒與藥劑，增強(qiáng)礦物可浮性，提高回收率。梁龍、YU等研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)漿過(guò)程中高能量輸入產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力可有效去除高嶺石等脈石礦物在煤粒表面的罩蓋，增大捕收劑在煤泥表面的直接吸附面積，提高浮選效率。對(duì)于煤泥浮選，通常采用煤油、柴油等非極性烴類油作為捕收劑，其在煤泥顆粒表面的吸附主要是物理吸附，吸附力較弱，易解吸，為此馬力強(qiáng)等研究了捕收劑在煤泥表面的有效吸附概率，發(fā)現(xiàn)其受到顆粒理論碰撞概率、顆粒繞流概率以及吸附后解吸概率的共同影響，調(diào)漿過(guò)程的能量輸入與藥劑有效吸附概率存在適配關(guān)系，過(guò)低或過(guò)高的能量輸入均不利于提高浮選效率?；趯?duì)調(diào)漿過(guò)程流體作用機(jī)制認(rèn)識(shí)的逐步加深，新型調(diào)漿設(shè)備被提出。桂夏輝等設(shè)計(jì)一種折葉開(kāi)啟式渦輪的兩段強(qiáng)制攪拌裝置，通過(guò)在攪拌槽內(nèi)設(shè)置上、下雙葉輪，加大調(diào)漿系統(tǒng)內(nèi)的能量輸入，提高煤泥與藥劑的混合效率，改善浮選效果。周偉、馮岸岸等開(kāi)發(fā)一種射流調(diào)漿裝置，設(shè)置一種多噴嘴和涵道式擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化藥劑的乳化分散以及與顆粒的碰撞吸附。王海楠等利用高速?zèng)_擊流形成強(qiáng)紊流混合區(qū)，產(chǎn)生局部強(qiáng)剪切，增大顆粒、藥劑間的速度梯度差異，強(qiáng)化藥劑在顆粒表面的碰撞吸附。LI等設(shè)計(jì)一種錯(cuò)向旋流強(qiáng)化煤泥調(diào)漿裝置，在調(diào)漿筒壁設(shè)置多層錯(cuò)向的旋流管，保證調(diào)漿筒內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，有效去除了“循環(huán)死區(qū)”，提高顆粒與藥劑的混合效率。

理論研究指出湍流具有多尺度性，可將湍流看成是由各種不同尺度的湍流渦疊合而成的流動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)流體剪切、分散和均勻混合的主要推動(dòng)力。按渦尺度大小，湍能譜可分為含能區(qū)、慣性子區(qū)和耗散區(qū)，含能區(qū)渦為大尺度渦，受湍流場(chǎng)體系的幾何形狀和邊界條件的影響，不同尺度的渦之間發(fā)生能量傳遞，大尺度渦破裂形成若干小尺度渦，小尺度渦受流體黏性耗散的影響消失，轉(zhuǎn)化成流體內(nèi)能。YANG等研究發(fā)現(xiàn)，在調(diào)漿過(guò)程中，湍流渦尺度隨著能量輸入的增大而減小，當(dāng)能量輸入增大到一定值時(shí)，渦尺度基本保持穩(wěn)定，湍流動(dòng)能在調(diào)漿體系中的耗散主導(dǎo)了調(diào)漿過(guò)程。湍流渦的不斷產(chǎn)生、演變、消亡對(duì)調(diào)漿過(guò)程體系的流體流動(dòng)、動(dòng)量傳遞、礦物顆粒-藥劑-溶液界面作用等方面起著重要影響，并涉及諸多復(fù)雜的微觀問(wèn)題。這些問(wèn)題的深入認(rèn)識(shí)是進(jìn)一步揭示流體強(qiáng)化調(diào)漿過(guò)程微觀作用機(jī)制、構(gòu)建湍流渦強(qiáng)化顆粒調(diào)漿過(guò)程的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

筆者立足于煤泥調(diào)漿過(guò)程，以“湍流效應(yīng)”為切入點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析了煤泥調(diào)漿過(guò)程中的流場(chǎng)分布特征，并通過(guò)試驗(yàn)研究了湍流特性對(duì)煤泥調(diào)漿過(guò)程的影響規(guī)律，基于上述研究與湍流渦誘導(dǎo)準(zhǔn)則，有序集成不同流態(tài)，誘導(dǎo)生成不同尺度湍流渦，從而構(gòu)建了基于湍流能量密度適配的新型渦流強(qiáng)化煤泥調(diào)漿過(guò)程，其研究成果有望為煤泥高效浮選調(diào)漿過(guò)程強(qiáng)化提供參考。

1 數(shù)值模擬與試驗(yàn)

1.1 試樣與試驗(yàn)系統(tǒng)

試樣選用某礦區(qū)低階煤，試驗(yàn)前對(duì)煤樣進(jìn)行篩分，取-0.5 mm粒級(jí)部分作為最終試樣，其粒度組成見(jiàn)表1。由表1可知，試樣中-0.045 mm粒級(jí)煤泥產(chǎn)率較高，達(dá)到53.76%，為主導(dǎo)粒級(jí)，隨著顆粒粒度的減小，樣品灰分增大，總灰分為21.56%。

表1 試樣粒度組成

試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室自制攪拌槽中進(jìn)行，結(jié)構(gòu)如圖1所示。攪拌槽為直徑195 mm、液面高度240 mm的圓柱形筒，攪拌槽內(nèi)壁均勻設(shè)置4塊擋板，擋板為長(zhǎng)200 mm、寬25 mm、厚2 mm的矩形板，擋板與攪拌槽壁間隔5 mm，通過(guò)較細(xì)的連接柱固定，與攪拌槽底間距30 mm；葉輪為六葉片的直葉輪，葉輪直徑為65 mm，中心高度距攪拌槽底80 mm，攪拌軸直徑為16 mm，葉輪中心圓盤(pán)直徑35 mm、厚度4 mm，葉片為長(zhǎng)20 mm、高10 mm、厚2 mm的矩形片，攪拌軸通過(guò)攪拌電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室自制攪拌槽結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值模擬

..物理建模

根據(jù)圖1試驗(yàn)系統(tǒng)建立幾何模型，利用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將三維計(jì)算流域化分為包括葉輪的旋轉(zhuǎn)域和包括擋板的靜止域，選擇四面體/六面體混合網(wǎng)格。進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，綜合計(jì)算準(zhǔn)確性及成本，最終選取網(wǎng)格總數(shù)約52萬(wàn)的劃分策略。

..邊界條件

采用多重參考系法處理葉輪旋轉(zhuǎn)，定義葉輪與旋轉(zhuǎn)域坐標(biāo)原點(diǎn)相同，為無(wú)滑移邊界條件，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0，旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)置為400，800，1 200，1 600 r/min；靜止域流體絕對(duì)速度設(shè)置為0，固體壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。

..計(jì)算模型

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件計(jì)算求解，湍流模型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)-ε模型，流體介質(zhì)選擇液體水相，考慮重力作用，選擇SIMPLE方式作為速度與壓力耦合方式，選擇二階迎風(fēng)格式對(duì)對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行離散求解，收斂精度設(shè)置為10，選擇非穩(wěn)態(tài)求解計(jì)算，設(shè)置最小步長(zhǎng)為0.000 1 s，最大步長(zhǎng)為0.004 s，一般認(rèn)為葉輪旋轉(zhuǎn)20圈后，流場(chǎng)可達(dá)統(tǒng)計(jì)學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)定葉輪旋轉(zhuǎn)30圈后流場(chǎng)穩(wěn)定，取后統(tǒng)計(jì)時(shí)間10 s內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)均分析。

1.3 試驗(yàn)方法

=

(1)

(2)

包覆角反映一定流動(dòng)條件下，顆粒在氣泡表面的黏附效率，可用來(lái)評(píng)估顆粒表面疏水性。將質(zhì)量濃度80 g/L的試樣添加至攪拌槽，同時(shí)加入捕收劑(柴油)，用量為1 500 g/t，攪拌2 min后，在不同采樣點(diǎn)采樣60 mL，烘干后收集樣品。利用自搭包覆角測(cè)試平臺(tái)測(cè)量包覆角，在透明測(cè)試槽中加入0.5%的樣品顆粒溶液，利用精度為0.002 μL的注射器產(chǎn)生直徑為2.2 mm (±0.1 mm) 的氣泡，使用磁力攪拌器以200 r/min轉(zhuǎn)速攪拌溶液，通過(guò)i-SPEED 230高速相機(jī)(IX Cameras，UK)拍攝顆粒黏附過(guò)程，攪拌60 s后，記錄分析溶液清晰后的顆粒包覆角，在測(cè)試槽相同位置測(cè)量3次，取平均值。

浮選試驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室自制充氣式浮選柱(高400 mm，直徑50 mm)進(jìn)行，試驗(yàn)前將樣品與捕收劑按上述用量加入攪拌槽，攪拌2 min后，收集礦漿加入浮選柱，并添加起泡劑(仲辛醇)，用量為800 g/t，以0.1 m/h的進(jìn)氣量充氣，浮選5 min，收集精煤和尾煤，抽濾烘干后測(cè)試灰分，計(jì)算精煤產(chǎn)率。

(3)

式中，和分別為浮選精煤和入料質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 流場(chǎng)特性

..流速分布

選取攪拌槽中心縱截面(=0截面)和葉輪區(qū)橫截面(=0截面)，分析其流速分布，如圖2所示。

圖2 攪拌槽流速分布

由圖2可知，攪拌槽內(nèi)流體在葉輪的攪拌作用下向壁面運(yùn)動(dòng)，由壁面分裂成2股方向相反的流體，產(chǎn)生上、下2個(gè)循環(huán)區(qū)，其中上循環(huán)區(qū)順時(shí)針循環(huán)、下循環(huán)區(qū)逆時(shí)針循環(huán)，這有利于顆粒分散運(yùn)動(dòng)；葉輪區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，葉輪葉片后的流體運(yùn)動(dòng)速度大于葉輪周邊速度，產(chǎn)生一定尺度渦流，有利于增強(qiáng)顆粒與藥劑的相互作用。在低葉輪轉(zhuǎn)速條件下，葉輪區(qū)域流體速度較快，但攪拌槽其他區(qū)域流體流動(dòng)緩慢，易導(dǎo)致顆粒淤積聚集，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大，流體在攪拌槽內(nèi)整體運(yùn)動(dòng)速度加快，且攪拌槽頂部流體呈現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)速度，更有利于顆粒、藥劑分散混合。

..湍動(dòng)能耗散率分布

攪拌槽中心縱截面和葉輪區(qū)橫截面湍動(dòng)能耗散率分布如圖3所示。由圖3可知，在葉輪區(qū)域，流體湍動(dòng)能耗散率較高，而其他區(qū)域的流體湍動(dòng)能耗散率較低；在葉輪葉片后部，存在明顯的強(qiáng)湍流耗散，耗散強(qiáng)度逐漸衰減，表明葉輪區(qū)域易產(chǎn)生流體強(qiáng)剪切，有利于顆粒與藥劑相互作用；另一方面，葉輪轉(zhuǎn)速增大，增強(qiáng)了攪拌槽內(nèi)的流體湍動(dòng)能耗散率，尤其是葉輪區(qū)域，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速增大至1 600 r/min時(shí)，攪拌槽頂部也呈較高的流體湍動(dòng)能耗散率，但仍遠(yuǎn)低于葉輪區(qū)域，這表明了提高葉輪轉(zhuǎn)速并不能有效促使攪拌槽內(nèi)流體湍動(dòng)能耗散率分布均勻。

圖3 攪拌槽湍動(dòng)能耗散率分布

..湍流渦特性

(4)

其中，和分別為速度梯度張量的反對(duì)稱分量和對(duì)稱分量，分別對(duì)應(yīng)流場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)與變形，一般認(rèn)為>0的區(qū)域?yàn)樾郎u，即旋轉(zhuǎn)部分的渦量大于變形部分。以的等值面描述渦結(jié)構(gòu)，即利用三維等勢(shì)面反應(yīng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，不同葉輪轉(zhuǎn)速條件下以流體運(yùn)動(dòng)速度大小著色的=40 000等值面如圖4所示。

圖4 葉輪的尾渦特性

由圖4可知，在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片后產(chǎn)生一系列尾渦，且位于葉片的上下兩端，并向后拓展逐漸耗散，其發(fā)展方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大，尾渦結(jié)構(gòu)范圍擴(kuò)大，整體上尾渦的發(fā)展?fàn)顩r與湍動(dòng)能耗散率分布一致，表明這些渦旋的產(chǎn)生、演變和耗散過(guò)程始終伴隨著湍流動(dòng)能的耗散，有利于增強(qiáng)顆粒與藥劑的相互作用，提高顆粒表面疏水性。Kolmogorov湍流理論指出微觀湍流渦受湍動(dòng)能耗散率和流體運(yùn)動(dòng)粘黏度的影響，并定義最小渦尺度()為

(5)

其中，為流體運(yùn)動(dòng)黏度，m/s；為湍動(dòng)能耗散率，m/s。以葉輪中心為原點(diǎn)，選擇徑向坐標(biāo)=45 mm的直線，分析不同葉輪轉(zhuǎn)速時(shí)最小渦尺度分布，如圖5所示。由圖5可知，在葉輪轉(zhuǎn)速相同時(shí)，葉輪附近的最小渦尺度達(dá)到最低，而其他區(qū)域最小渦尺度相對(duì)較大；隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提高，流體最小渦尺度減小，流體能量耗散增大，調(diào)漿效果越顯著。

圖5 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)最小渦尺度的影響

2.2 顆粒分散特性

葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒分散的影響如圖6所示。由圖6可知，葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒分散狀況有顯著影響，葉輪轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，顆粒分散濃度方差為26.02，分散效果較差，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大，顆粒分散濃度方差減小，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，顆粒分散濃度方差為1.44，基本達(dá)到均勻分散狀態(tài)，這主要是受攪拌槽內(nèi)流體流速分布的影響，流速分布越均勻，顆粒分散效果越好。葉輪轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，攪拌槽底部顆粒濃度較高，存在淤積聚集現(xiàn)象，隨著高度的增大，顆粒濃度降低。

圖6 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒分散的影響

2.3 包覆角分析

不同葉輪轉(zhuǎn)速時(shí)葉輪中心區(qū)域顆粒包覆角如圖7所示。由圖7可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大，葉輪中心區(qū)域的顆粒包覆角增大，表明顆粒疏水性與黏附性增強(qiáng)，可浮性提高。

圖7 不同葉輪轉(zhuǎn)速時(shí)顆粒包覆角

圖8為葉輪轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)不同位置顆粒包覆角。自攪拌槽底部至頂部，顆粒包覆角呈先增后減趨勢(shì)，越靠近葉輪區(qū)，包覆角越大，這與湍動(dòng)能耗散率及湍流渦尺度分布規(guī)律一致，湍動(dòng)能耗散率越大，最小渦尺度越小，流體剪切作用越強(qiáng)，對(duì)顆粒與藥劑的相互作用越顯著。

圖8 不同位置顆粒包覆角分布

2.4 浮選效果

葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)浮選效果的影響如圖9所示。由圖9可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速由400 r/min增至1 600 r/min，精煤產(chǎn)率由18.52%增至31.72%，灰分由13.72%減至10.12%，浮選效果顯著改善，與包覆角規(guī)律一致，進(jìn)一步表明攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)特性對(duì)煤泥調(diào)漿效果的影響。

圖9 葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)浮選效果的影響

3 新型渦流強(qiáng)化調(diào)漿過(guò)程

3.1 過(guò)程構(gòu)建

上述研究表明，煤泥浮選調(diào)漿過(guò)程需要合適的流體環(huán)境和湍流微渦。在流體作用過(guò)程中，不同動(dòng)量(能量)區(qū)流體交匯摻混會(huì)引發(fā)一定尺度的湍流渦，渦雷諾數(shù)隨著渦尺度的減小而減小，渦-流體之間的摩擦以及渦演變過(guò)程中渦-渦交互作用會(huì)形成高速度梯度變化率及高湍流耗散，從而誘導(dǎo)微渦的生成?；谶@種湍流渦設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，筆者先后設(shè)計(jì)了管流、錯(cuò)向旋流、撞擊流的流場(chǎng)環(huán)境誘導(dǎo)湍流微渦生成，并揭示了不同流態(tài)下的湍流特征，其中管流環(huán)境通過(guò)在管流管內(nèi)添置不同類型的內(nèi)置構(gòu)件，強(qiáng)化流體剪切撕裂作用，促使捕收劑油滴剪切分散；錯(cuò)向旋流環(huán)境通過(guò)反向排布、切向給入的入料管形成錯(cuò)向旋流，流體交匯處形成強(qiáng)烈的錯(cuò)向混合，流體流動(dòng)均勻，不存在“流動(dòng)死區(qū)”，有利于強(qiáng)化顆粒、藥劑分散混合；撞擊流環(huán)境中內(nèi)置不同結(jié)構(gòu)的撞擊板，通過(guò)高速流撞擊作用產(chǎn)生流體局部強(qiáng)剪切，局部區(qū)域湍流渦尺度迅速減小，有利于強(qiáng)化顆粒與藥劑相互作用。

由此構(gòu)建了集成不同流場(chǎng)環(huán)境的煤泥調(diào)漿過(guò)程，在一個(gè)裝置內(nèi)使不同流態(tài)協(xié)同組合，誘導(dǎo)生成不同尺度湍流渦，在顆粒/藥劑分散混合以及顆粒表面改性2個(gè)層面對(duì)調(diào)漿過(guò)程的能量密度進(jìn)行分配，基于此過(guò)程，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的混合調(diào)質(zhì)器，如圖10所示。該裝置主體為封閉的圓筒形結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)分為旋流筒和內(nèi)筒，內(nèi)筒在旋流筒內(nèi)側(cè)，圓筒頂部周邊設(shè)置礦漿分配槽，礦漿分配槽底部連接多個(gè)管流段，管流段入口處設(shè)置有三角翼形渦構(gòu)件，管流段中設(shè)置3層旋流管，均與圓筒沿切向連接，且上、中、下層呈反向布置，從而在旋流筒內(nèi)形成錯(cuò)向旋轉(zhuǎn)剪切流，促使顆粒藥劑分散混合；形成錯(cuò)向旋流的礦漿通過(guò)底部進(jìn)入內(nèi)圓筒，內(nèi)圓筒內(nèi)設(shè)置多塊不同結(jié)構(gòu)的撞擊板和噴嘴，在撞擊板區(qū)域形成局部流體強(qiáng)剪切，誘導(dǎo)小尺度渦，強(qiáng)化藥劑在顆粒表面吸附改性。

圖10 新型渦流強(qiáng)化煤泥調(diào)漿過(guò)程與裝置

3.2 流場(chǎng)特性

參考1.2節(jié)方法對(duì)混合調(diào)質(zhì)器進(jìn)行流場(chǎng)模擬計(jì)算，選取入料流量為100，200，300，400，500 m/h。分別取=589，1 389 ，2 189，2 716 mm高度水平截面進(jìn)行分析，其中前3個(gè)為3組旋流管截面，=2 716 mm為出口截面。裝置中心縱截面及不同位置橫截面流速分布如圖11所示。礦漿在入料分配槽內(nèi)流動(dòng)平緩，在高入料流量時(shí)，分配槽內(nèi)流體加劇運(yùn)動(dòng)，靠近入料口處呈較高的流速。之后礦漿通過(guò)多根旋流管切向進(jìn)入旋流筒，在旋流管內(nèi)流速較大，在旋流筒內(nèi)貼壁面處礦漿依然保持較大的流速，并形成明顯的切向運(yùn)動(dòng)，表明礦漿在旋流筒內(nèi)形成較好的旋流狀態(tài)，有利于強(qiáng)化顆粒與藥劑分散混合，底層和中間層橫截面流體流動(dòng)相較于上層更加劇烈，這主要是錯(cuò)向旋流強(qiáng)化了流體間的相互作用，加快了礦漿運(yùn)動(dòng)，流體在旋流筒底部流速較快，這主要是流體通過(guò)旋流筒底部進(jìn)入中心的內(nèi)筒，過(guò)流截面收縮導(dǎo)致。在內(nèi)筒，流體具有較大的流速，尤其是在撞擊板處，顆粒與藥劑受水相慣性作用影響不同，相互間產(chǎn)生速度差異，強(qiáng)化了藥劑與顆粒的碰撞吸附，更有利于顆粒表面改性。此外，流體流速隨著入料流量的增大而增大，當(dāng)入料流量達(dá)到400 m/h時(shí)，流體流動(dòng)已達(dá)到較劇烈的程度，尤其是在內(nèi)筒多塊沖擊板處。

圖11 混合調(diào)質(zhì)器流速分布

裝置湍動(dòng)能耗散率分布如圖12所示。在低入料流量條件下，裝置內(nèi)湍動(dòng)能耗散率較低，隨著入料流量的增大，裝置內(nèi)湍動(dòng)能耗散率增大；在入料流量相同時(shí)，旋流筒內(nèi)的湍動(dòng)能耗散率較低，而內(nèi)筒撞擊流區(qū)呈較高的湍動(dòng)能耗散率，尤其是在出口多塊撞擊板處，表明撞擊流區(qū)域相比錯(cuò)向旋流區(qū)域，湍流能量密度更大，會(huì)誘導(dǎo)更小尺度的微渦產(chǎn)生，在錯(cuò)向旋流區(qū)顆粒與藥劑分散混合后，進(jìn)一步強(qiáng)化藥劑在顆粒表面的吸附，提高調(diào)漿效率。

圖12 混合調(diào)質(zhì)器湍動(dòng)能耗散率分布

入料流量對(duì)最小渦尺度的影響如圖13所示。由圖13可知，裝置體平均最小渦尺度隨著入料流量的增大而減小，當(dāng)入料流量為500 m/h時(shí)，體平均最小渦尺度達(dá)61.7 μm。入料流量為500 m/h時(shí)，line 1，line 2分別為撞擊流區(qū)和錯(cuò)向旋流區(qū)的一條軸向線，可知撞擊流區(qū)最小渦尺度小于錯(cuò)向旋流區(qū)，且在流體接近各塊撞擊板或者通過(guò)噴嘴收縮時(shí)，最小渦尺度達(dá)到最小，與湍動(dòng)能耗散率分布類似，進(jìn)一步證實(shí)了該裝置內(nèi)湍流能量密度分配合理。

圖13 入料流量對(duì)最小渦尺度的影響

3.3 工業(yè)應(yīng)用

根據(jù)上述研究成果開(kāi)發(fā)的基于湍流能量密度適配的煤泥混合調(diào)質(zhì)裝置，在河南能化集團(tuán)眾泰煤焦化有限責(zé)任公司進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作條件和礦漿流量、煤泥性質(zhì)等參數(shù)，結(jié)合設(shè)備放大和選型原則，開(kāi)發(fā)了型號(hào)為MRM-800×3 600 mm型混合調(diào)質(zhì)器作為煤泥浮選調(diào)漿設(shè)備，如圖14所示。工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，該設(shè)備礦漿通過(guò)量為300～500 m/h，對(duì)煤泥顆粒具有良好的分散混合性能及改性效果，有利于為后續(xù)浮選環(huán)節(jié)創(chuàng)造良好的界面條件，提高浮選精煤回收效率；生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示在原有工藝參數(shù)條件下，浮選精煤回收率提高超過(guò)4%。

圖14 MRM-800×3 600 mm型煤泥混合調(diào)質(zhì)器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖片

4 結(jié) 論

(1)攪拌槽內(nèi)存在流向相反的上、下循環(huán)區(qū)，有利于顆粒分散；葉輪區(qū)的流體流速和湍動(dòng)能耗散率較大，距離葉輪越遠(yuǎn)，流體流動(dòng)越緩慢，湍動(dòng)能耗散率越低；葉輪葉片后存在尾渦，尾渦的發(fā)展?fàn)顩r與湍動(dòng)能耗散率分布一致，葉輪區(qū)的最小渦尺度最低，有利于增強(qiáng)顆粒與藥劑的相互作用；隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大，流體流速、湍動(dòng)能耗散率增大，最小渦尺度減小。

(2)顆粒分散濃度方差隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，低轉(zhuǎn)速時(shí)顆粒分散不均勻，攪拌槽底部顆粒濃度較高，隨著高度的增大，顆粒濃度降低；包覆角隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增大而增大，相同條件下，越靠近葉輪區(qū)，包覆角越大，顆粒改性效果越強(qiáng)；浮選試驗(yàn)表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，葉輪轉(zhuǎn)速增大，調(diào)漿效果增強(qiáng)，精煤產(chǎn)率增大。

(3)煤泥浮選調(diào)漿過(guò)程需要合適的流體環(huán)境和湍流微渦，基于此構(gòu)建了集成管流、錯(cuò)向旋流、撞擊流等不同流場(chǎng)環(huán)境的煤泥調(diào)漿過(guò)程，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的混合調(diào)質(zhì)器；數(shù)值模擬表明該裝置內(nèi)湍流能量密度分配合理，旋流區(qū)流體流速較大，呈切向運(yùn)動(dòng)；撞擊流區(qū)流體運(yùn)動(dòng)劇烈，湍動(dòng)能耗散率高，最小渦尺度小，有利于顆粒與藥劑相互作用；該裝置已進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，生產(chǎn)實(shí)踐表明該裝置礦漿通過(guò)量為300～500 m/h，在原有工藝參數(shù)條件下，浮選精煤回收率提高超過(guò)4%，應(yīng)用效果較好。