新型離心連續(xù)分選機(jī)數(shù)值模擬

韋魯濱，楊 悅，周頎峰，孟祥民，劉永俊，李鐵鑫，朱學(xué)帥

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

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，礦山規(guī)模不斷擴(kuò)大，貧、細(xì)、雜等難選礦日漸增多[1-2]。隨著機(jī)械化采煤程度的提高，原煤中的細(xì)粒級(jí)含量大幅增加，占原料煤20%左右，這部分粗煤泥在傳統(tǒng)選煤工藝中，分選效率較低[3-6]。為了增加煤炭入洗率，提高煤炭資源利用效率，減少碳排放，研發(fā)適合粗煤泥分選的設(shè)備與工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用離心力場(chǎng)擴(kuò)大不同密度顆粒之間的沉降末速差，減小微細(xì)顆粒沉降時(shí)間，降低傳統(tǒng)重力分選的粒度下限，是細(xì)粒物料分選的發(fā)展趨勢(shì)。目前，應(yīng)用廣泛的離心選礦機(jī)排料方式為間斷式排料，多用于重產(chǎn)物含量低于0.1%的貴重金屬礦分選，如金、銀、鉑礦等。陳橋等優(yōu)化了金礦離心重選工藝，通過調(diào)整磨礦細(xì)度將金的回收率提升到82.38%[7]；XIONG等采用離心選礦機(jī)對(duì)超細(xì)鎢礦進(jìn)行了回收，在優(yōu)化后的操作條件下，鎢礦回收率達(dá)77.83%[8]。在離心分選對(duì)金屬礦分選得到較好結(jié)果的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用間斷型排料的離心強(qiáng)化分選機(jī)對(duì)細(xì)粒煤進(jìn)行了分選試驗(yàn)研究。ONEY利用Knelson分選機(jī)對(duì)細(xì)粒煤進(jìn)行工業(yè)分選試驗(yàn)，產(chǎn)品灰分從24%降低為12%[9]；孫萌等采用Falcon離心機(jī)結(jié)合Krebs旋流器對(duì)-0.5 mm粒級(jí)的高硫煤進(jìn)行了脫硫脫灰試驗(yàn)，脫硫完善度為47.41%，優(yōu)于常規(guī)浮選的23.02%[10]。

然而，間斷型排料方式對(duì)于粗煤泥這類重產(chǎn)物含量較高的礦物，則無法得到較好的分選效果[11]。重產(chǎn)物含量高，導(dǎo)致必須縮短分選時(shí)間才能排出高密度產(chǎn)品。因此，間斷分選方式下分選過程不穩(wěn)定，顯著降低了工作效率，也使操作流程變得繁瑣復(fù)雜，開發(fā)粗煤泥的離心連續(xù)分選技術(shù)迫在眉睫。

掌握離心分選過程中流場(chǎng)分布特征及顆粒運(yùn)動(dòng)行為有助于闡明離心分選強(qiáng)化分離機(jī)理從而為連續(xù)分選設(shè)備的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。然而，由于高離心強(qiáng)度下流場(chǎng)的復(fù)雜性以及直觀觀測(cè)手段匱乏，多借助于數(shù)值模擬方法[12-16]。目前，對(duì)于離心分選機(jī)的數(shù)值模擬研究主要為間斷型離心分選機(jī)流場(chǎng)的分布及內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[17-20]。陶有俊等采用歐拉-歐拉多相流模型和雷諾應(yīng)力湍流模型(reynolds stress equation model,RSM)，對(duì)Falcon離心分選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)在離心機(jī)內(nèi)部分選區(qū)和分層區(qū)交界處存在動(dòng)態(tài)水力堰，具有強(qiáng)化分選的作用[21]。劉志剛利用Renormalization Group k-e湍流模型對(duì)離心選礦機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，采用離散相模型(discret phase model,DPM)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了探究，得到了最佳操作參數(shù)組合，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性[22]，但均不涉及離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)的相互作用。

基于此，本文開發(fā)了一種新型離心連續(xù)排料選礦機(jī)，利用CFD方法模擬流場(chǎng)特性，揭示連續(xù)分選過程中流場(chǎng)特性，并采用CFD-DEM雙向耦合方法對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)和分離效果進(jìn)行了探究，揭示離心分選機(jī)連續(xù)排料運(yùn)行機(jī)制，以期實(shí)現(xiàn)離心分選機(jī)對(duì)于粗煤泥的連續(xù)分選。

1 物理模型和數(shù)值模擬方法

新型離心連續(xù)分選機(jī)的分選錐內(nèi)表面設(shè)置了螺旋向上的分選槽，螺旋結(jié)構(gòu)可以將物料輸運(yùn)至頂部排出，實(shí)現(xiàn)離心分選機(jī)連續(xù)排料，其內(nèi)部分選錐體剖面圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)分選機(jī)剖面結(jié)構(gòu)Fig.1 Sectional structure of continuous sorting machine

新型離心連續(xù)分選機(jī)分選的具體過程為：煤泥經(jīng)調(diào)漿后，由泵給入離心機(jī)底部，礦漿在離心力的作用下被拋向錐壁，并沿槽螺旋向上運(yùn)動(dòng)，形成流膜。螺旋槽內(nèi)設(shè)有反沖水孔，帶有壓力的反沖水從孔內(nèi)以一定角度射入槽內(nèi)，使槽內(nèi)的物料松散。與傳統(tǒng)離心分選機(jī)不同的是，新型離心連續(xù)分選機(jī)由于離心力和反沖水的雙重作用，高密度顆粒沿螺旋槽向上運(yùn)動(dòng)至末端出口排出；低密度顆粒在傾斜壁面和離心力的共同作用下軸向運(yùn)動(dòng)至輕產(chǎn)物出口隨后沿切線旋出。新型離心連續(xù)分選機(jī)使輕、重兩種物料從不同排料口同時(shí)不間斷的排出，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)分選。

根據(jù)新型離心連續(xù)分選機(jī)的實(shí)體，通過Solidworks軟件建立了離心連續(xù)分選機(jī)轉(zhuǎn)筒三維模型，以此模型作為對(duì)象，模擬實(shí)際分選過程中錐體內(nèi)部流場(chǎng)的分布特性與顆粒的分離過程，闡釋連續(xù)排料離心分選機(jī)的工作機(jī)制。

分選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)模擬采用Fluent軟件，顆粒運(yùn)動(dòng)模擬采用EDEM與Fluent雙向耦合。

使用ICEM軟件對(duì)錐體進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，得到如圖2所示的分選錐網(wǎng)格。

本文采用CFD-DEM雙向耦合的方法，對(duì)分選機(jī)內(nèi)液相與顆粒相進(jìn)行模擬分析。表1為模擬過程中的條件設(shè)置。

對(duì)顆粒相進(jìn)行模擬時(shí)，假設(shè)：(1)顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中無破碎、黏結(jié)、變形等現(xiàn)象；(2)顆粒為等徑球體，主要受慣性力、曳力和重力作用。

圖2 分選錐體網(wǎng)格劃分Fig.2 Sorting cone meshing

表1 模擬條件設(shè)置Tab.1 Simulation condition setting

2 結(jié)果與討論

2.1 新型離心連續(xù)分選機(jī)流場(chǎng)模擬

2.1.1離心機(jī)內(nèi)部液相分布

離心機(jī)內(nèi)部的液相運(yùn)動(dòng)會(huì)影響顆粒在錐體內(nèi)的沉降與分離。探究分選錐內(nèi)的液相分布，可以揭示復(fù)雜流場(chǎng)中液相的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)行為的影響。

圖3和圖4為有無螺旋槽結(jié)構(gòu)的離心分選錐內(nèi)部液相體積分?jǐn)?shù)分布情況。如圖3(b)所示，有螺旋槽結(jié)構(gòu)，水流垂直給入分選機(jī)后，在離心力作用下沿壁面向上延伸，形成流膜。水相所受離心力的大小由錐體半徑?jīng)Q定，錐體底部半徑較小，形成的流膜較厚，頂部半徑增大，流膜變薄，流膜在錐體中呈拋物線形狀分布。圖3(a)為錐角、半徑相同的無螺旋槽錐體內(nèi)部水相分布。水流進(jìn)入分選機(jī)后，垂直落到底部，流膜沿錐壁向上平穩(wěn)擴(kuò)展，且分布均勻，流膜厚度隨著分選錐半徑增加而變小。

圖3 非連續(xù)與連續(xù)分選錐Y軸剖面液相分布對(duì)比Fig.3 Liquid phase distribution in continuous separation tank

兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，螺旋槽內(nèi)流膜厚度顯著大于無槽錐體內(nèi)流膜厚度，由于螺旋槽的存在，液相可以在槽內(nèi)形成較厚的流膜，顆粒在流膜中運(yùn)動(dòng)，完成分層分離。流膜厚度的增加，使輕、重顆粒在流膜中沉降更充分，提供了床層松散空間，使停留在床層底部的低密度顆粒不斷從底部向外運(yùn)動(dòng)。

圖4 非連續(xù)與連續(xù)分選錐錐體壁面液相分布對(duì)比Fig.4 Liquid phase distribution in non-grooved cone

圖4(b)為新型連續(xù)分選錐壁面液體體積分?jǐn)?shù)分布，由圖4(b)可知，液相在進(jìn)入錐體后，先進(jìn)入底部螺旋槽，沿槽螺旋向上運(yùn)動(dòng)，并未直接越過螺旋槽向上擴(kuò)展。物料在螺旋槽內(nèi)跟隨液相做螺旋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)路徑大大增長(zhǎng)。物料在運(yùn)動(dòng)過程中，不斷受離心力與反沖水的作用，不斷重復(fù)進(jìn)行：沉降→形成床層→床層松散→沉降，有利于減小錯(cuò)配率，降低分選下限，提高細(xì)粒物料的分選效果。螺旋槽內(nèi)的液相沿槽上升至重產(chǎn)物出口后，表面的流膜會(huì)從重產(chǎn)物出口延伸至輕產(chǎn)物出口，從而為流膜表面的輕顆粒與底部的重顆粒提供不同的出口，實(shí)現(xiàn)連續(xù)分選。

2.1.2離心機(jī)內(nèi)部液相速度場(chǎng)分布

液相的速度是影響分選效果的重要因素，液相的徑向速度、切向速度和軸向速度決定了整個(gè)流膜運(yùn)動(dòng)方向與分選過程的穩(wěn)定性。

圖5為分選錐內(nèi)液相速度分布，由圖5(a)可知，不同高度錐體邊壁處，液相速度均為最大，并且沿錐壁底部到錐頂逐漸變大。由圖5(b)、5(c)、5(d)可知，液相的切向速度在流膜底部達(dá)到最大，并且隨著距分選錐中心的距離減小而減小，對(duì)照?qǐng)D4液相體積分?jǐn)?shù)可知，液相在流膜表面速度由11.3 m/s遞減為4 m/s。這是由于液體的黏度和摩擦力的存在，流體在離心運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了一定程度的滯后現(xiàn)象。流膜整體速度不一致，緊貼錐壁的底部流膜層速度最大。切向速度分布與整體速度分布具有相似性，說明液相速度以切向?yàn)橹鲗?dǎo)。軸向速度由分選錐底部到頂部，速度增加緩慢，且增幅較小。液相的徑向速度數(shù)值很小，從入口落下在錐體底部甩向錐壁時(shí)，徑向速度達(dá)到最大值。液相徑向速度場(chǎng)分布則說明了流膜在分選過程中，是平穩(wěn)擴(kuò)展的，在徑向上沒有產(chǎn)生激蕩現(xiàn)象。

2.2 新型離心連續(xù)分選機(jī)分選過程顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值分析

離心選礦機(jī)的分選過程中，輕、重物料的分層與分離是實(shí)現(xiàn)連續(xù)分選過程的關(guān)鍵。礦漿進(jìn)入分選機(jī)后，水相與固相在受離心力與反沖水的作用的同時(shí)，兩者之間也會(huì)相互作用，產(chǎn)生影響，故而本文采用雙向耦合，將兩者的相互作用影響添加到數(shù)值模擬計(jì)算中。

圖5 連續(xù)分選離心錐內(nèi)液相速度分布Fig.5 Continuous separation centrifugal cone pressure

2.2.1顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

顆粒在錐體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡表明了輕、重物料在分選過程中的運(yùn)動(dòng)行為差異，對(duì)分選機(jī)內(nèi)不同密度顆粒的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬可以清楚的展示分選與連續(xù)排料過程，本文采用Fluent-EDEM耦合模擬方法，得到離心連續(xù)排料分選機(jī)內(nèi)輕、重顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。離心強(qiáng)度設(shè)置為20 G，反沖水速設(shè)置為2.6 m/s，液相入口速度設(shè)置為0.8 m/s。

圖6為輕、重顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，不同密度顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡均為螺旋向上。高密度顆粒緊貼螺旋槽在分選錐錐壁上做螺旋上升運(yùn)動(dòng)，低密度顆粒則無法進(jìn)入螺旋槽底部，只能在流膜頂部或者分選錐錐壁上部旋轉(zhuǎn)上升。整個(gè)分選過程僅用0.83 s，隨著時(shí)間的推進(jìn)，輕、重顆粒在徑向距離逐步增大，輕、重產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)了分離，分別從兩個(gè)排料口排出。與圖3所示水相流膜分布進(jìn)行對(duì)比可知，高、低兩個(gè)密度的顆粒都是跟隨流膜在分選錐內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但低密度顆粒由于反沖水作用停留在流膜表面，而高密度顆粒則克服了反沖水沖擊沉降到流膜底部。

連續(xù)排料離心機(jī)錐體內(nèi)螺旋槽的設(shè)置，不同于間斷型的離心分選機(jī)。間斷型離心分選機(jī)物料分層后只有輕產(chǎn)物能夠從排礦口排出，而重產(chǎn)物留在槽內(nèi)，運(yùn)行一段時(shí)間后停機(jī)才能排出。螺旋槽能夠使輕、重物料在槽內(nèi)分層保證分選質(zhì)量的同時(shí)，輕產(chǎn)物從頂部旋出，重產(chǎn)物則沿槽輸運(yùn)排出分選機(jī)，使得分選過程可以真正意義上實(shí)現(xiàn)連續(xù)排料。

圖6 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.6 Particle trajectory diagram

2.2.2顆粒分布

圖7表示不同時(shí)刻顆粒群在轉(zhuǎn)筒中軸截面上的分布，圖中紫顏色(深)代表高密度顆粒，藍(lán)顏色(淺)代表低密度顆粒。由圖7中可知，礦漿給入分選錐內(nèi)僅需要很短的時(shí)間就能夠?qū)崿F(xiàn)分層及分離。礦漿流膜中的礦物顆粒大部分都隨著流膜的發(fā)展做螺旋向上運(yùn)動(dòng)，僅有極小部分顆粒會(huì)從流膜中逃逸出來，落入分選錐底部，重新沉降。由圖7(a)可知，輕、重顆粒在0.2 s時(shí)就已經(jīng)一起進(jìn)入了分選槽內(nèi)。由圖7(b)和7(c)中可知，輕、重顆粒對(duì)比之下，輕顆粒運(yùn)動(dòng)速度較快，能夠先到達(dá)分選錐頂部，這就會(huì)影響分選初期輕、重顆粒的分層，輕顆粒會(huì)在分選初期床層未形成時(shí)到達(dá)重產(chǎn)物排礦口，故分選需要一定的時(shí)間讓物料能夠在螺旋槽內(nèi)形成床層，改善分選效果。

圖7 連續(xù)分選過程顆粒分布Fig.7 Particle distribution in continuous sorting process

由圖7(d)可知，部分低密度顆粒在離心力的作用下從重產(chǎn)物排礦口出排出，存在一定的錯(cuò)配現(xiàn)象，頂部輕產(chǎn)物比較純凈。顆粒群從入口進(jìn)入分選錐底部后，很快隨著水流沖向錐壁，進(jìn)入螺旋槽內(nèi)，槽內(nèi)流態(tài)化反沖水使顆粒群松散，高密度顆粒堆積于螺旋槽底部，從重產(chǎn)物排料口排出，低密度顆粒則隨水流由頂部排料口排出，實(shí)現(xiàn)了輕、重物料通過不同出口排出錐體的目的，說明新型離心分選機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)離心連續(xù)分選。

3 結(jié)論

1)開發(fā)了一種適合粗煤泥分選的新型離心連續(xù)分選機(jī)，在分選錐內(nèi)壁設(shè)置了螺旋分選槽，兼具分選與輸運(yùn)功能，物料在槽內(nèi)徑向按密度沉降分層后沿槽向上輸運(yùn)并從槽體末端輕、重排料口排出，實(shí)現(xiàn)了離心分選。

2)對(duì)新型離心連續(xù)分選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，液相在螺旋槽內(nèi)能夠形成較厚的流膜，并沿槽體內(nèi)壁螺旋上升，延長(zhǎng)了液相的運(yùn)動(dòng)路徑，使物料有足夠的時(shí)間分層分離。離心連續(xù)分選機(jī)內(nèi)部液相切向速度主導(dǎo)，對(duì)物料的分層分離起著關(guān)鍵作用。

3)運(yùn)用CFD-DEM耦合方法，闡明了離心機(jī)內(nèi)部液相與固相相互作用后顆粒的運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)果表明，顆粒與流體之間有較好的跟隨性，輕、重顆粒都跟隨流膜在分選槽內(nèi)向上螺旋運(yùn)動(dòng)，并且會(huì)通過不同的排礦口排出，實(shí)現(xiàn)離心分選機(jī)的連續(xù)分選、連續(xù)排料。