重介淺槽分選機(jī)槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)形態(tài)模擬

王慧峰

（華陽(yáng)新材料集團(tuán)二礦選煤廠， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

在塊煤分選方面，重介淺槽分選機(jī)為主要設(shè)備，具有較高處理能力，在短時(shí)間內(nèi)取得較好分選效果，應(yīng)用日漸廣泛。而實(shí)際在設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中，想要達(dá)到更高分選效率，實(shí)現(xiàn)精煤的高效生產(chǎn)，還應(yīng)對(duì)分選機(jī)槽體內(nèi)介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)規(guī)律展開(kāi)分析，通過(guò)數(shù)值模擬方法把握入料運(yùn)動(dòng)形態(tài)，合理進(jìn)行分選機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)減少煤炭顆粒錯(cuò)配達(dá)到清潔生產(chǎn)目的。

1 重介淺槽分選機(jī)槽體內(nèi)重介質(zhì)入料過(guò)程

如圖1 所示，為重介淺槽分選機(jī)的入料位置結(jié)構(gòu)，主要依靠阿基米德原理使重產(chǎn)物和輕產(chǎn)物分別在懸浮液中下沉和上浮，從而實(shí)現(xiàn)煤炭顆粒分選。通過(guò)水平和上升的介質(zhì)管，重介質(zhì)懸浮液會(huì)將槽體充滿。經(jīng)過(guò)篩分后，達(dá)到粒度要求的顆粒將從入料口進(jìn)入分選機(jī)。懸浮液密度固定，能夠使密度小顆粒在上層懸浮，在水平介質(zhì)的帶動(dòng)下進(jìn)入排料口。而矸石密度大，將直接落入排料裝置。

圖1 分選機(jī)入料位置結(jié)構(gòu)圖

在物料輸送期間，水平介質(zhì)流依靠給入夾角確保物料完全浸入槽體，同時(shí)發(fā)揮穩(wěn)定上層介質(zhì)密度的作用。依靠上層介質(zhì)流，可以使礦粉在向上作用力下保持懸浮態(tài)。在淺槽內(nèi)物料可以保持恒定密度，平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，在懸浮液中減少相互加壓摩擦，在相對(duì)靜態(tài)下完成分選，達(dá)到較高分選精度[1]。

2 槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)形態(tài)的模擬分析

2.1 模型建立

從槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)看，主要受上升流和水平流的影響。在槽體內(nèi)不同的區(qū)域，上升流和水平流的流速將發(fā)生變化，可能造成局部流場(chǎng)穩(wěn)定被破壞，繼而給物料分揀精度帶來(lái)影響。因此應(yīng)對(duì)槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模擬分析，有效揭示物料分選過(guò)程中流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？紤]到重介質(zhì)入料需要經(jīng)歷復(fù)雜流動(dòng)過(guò)程，涉及流動(dòng)、傳動(dòng)等相關(guān)理論，需要引入計(jì)算流體力學(xué)CFD 產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用離散化數(shù)學(xué)思想對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究[2]。而Fluent 作為廣泛應(yīng)用的CFD 軟件包，擁有豐富物理模型和強(qiáng)大運(yùn)算功能，可以用于對(duì)淺槽側(cè)部二維圖進(jìn)行模擬，生成形狀規(guī)范的物理模型。在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，分選機(jī)擁有較大結(jié)構(gòu)尺寸，利用試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置展開(kāi)分析，槽體長(zhǎng)、寬、高分別為1300 mm、350 mm 和350 mm，溢流堰和入料口長(zhǎng)均為525 mm，如圖2 所示。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需要?jiǎng)澐譃樯仙?、水平槽、溢流堰等部分，生?79665 個(gè)網(wǎng)格。在參數(shù)設(shè)置上，將入口上升流速和水平流速分別設(shè)定為0.2 m/s 和0.3 m/s，滿足VELOCITY-IN-LET 邊界條件，溢流堰出口滿足OUTFLOW 條件。

2.2 分析過(guò)程

對(duì)重介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，可知分選機(jī)內(nèi)部流體將保持湍流流動(dòng)，由來(lái)自側(cè)面水平流和底部上升流構(gòu)成，同時(shí)也將受到刮板擾動(dòng)影響。按照從上至下的順序，需要將槽體劃分為溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)三個(gè)區(qū)域，各區(qū)擁有不同的速度場(chǎng)。煤和給入介質(zhì)將一同進(jìn)入槽體，假設(shè)二者初始速度相同，想要使物料進(jìn)入中間分選區(qū)，避免被上層溢流區(qū)帶入溢流堰，進(jìn)入槽體速度通常與Y 軸保持一定夾角，在不同區(qū)域產(chǎn)生相應(yīng)的分速度。在實(shí)際分析時(shí)，需要分別對(duì)Y 值為300 mm、200 mm 和100 mm 位置流體速度進(jìn)行分析，確定不同區(qū)域流速變化。而在相同區(qū)域內(nèi)，核心位置速度通過(guò)上升流和水平流獲得，擁有較大數(shù)值，而邊緣位置因流體擾動(dòng)將產(chǎn)生較小速度值。因此在物料進(jìn)入槽體后，將與X 軸保持夾角，需對(duì)X 值為300 mm和100 mm 處的流速展開(kāi)分析。根據(jù)各區(qū)界線對(duì)選區(qū)上中心點(diǎn)和邊緣點(diǎn)的流速展開(kāi)分析，能夠掌握槽體內(nèi)流場(chǎng)分布沿X 和Y 軸發(fā)生的變化。在理想狀態(tài)下，物料進(jìn)入后將穿過(guò)溢流區(qū)，在分選區(qū)受上升流作用產(chǎn)生向上速度。而流速過(guò)高或過(guò)低，將造成流場(chǎng)紊亂，造成物料進(jìn)入底流區(qū)，矸石也無(wú)法順利下沉。對(duì)各區(qū)理想流速進(jìn)行分析，能夠?yàn)椴垠w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 流場(chǎng)分析

從分析結(jié)果來(lái)看，溢流區(qū)邊緣位置流速?gòu)? 逐步提升至0.25 m/s，接近槽體中間時(shí)開(kāi)始下降。到達(dá)溢流堰周圍，速度重新提升，達(dá)到0.2 m/s。如圖3 所示，為仿真效果圖，受水平流擾動(dòng)因素的影響，槽體邊緣將產(chǎn)生流速，促使入料向溢流堰運(yùn)動(dòng)，能夠?yàn)槲锪魈峁﹦?dòng)能，加速物料排出。在該區(qū)的核心位置，流速?gòu)?.25 m/s 迅速降低，接近溢流口時(shí)重新提升至0.2 m/s。分析原因可知，受水平流影響，入料斷面逐步擴(kuò)大，因此流速有所下降。但在溢流口位置斷面迅速收縮，促使流速突然提升，容易給溢流堰帶來(lái)較大沖擊，造成該部位磨損嚴(yán)重。

從分選區(qū)的流場(chǎng)分布情況來(lái)看，邊緣位置流速不斷上下波動(dòng)，數(shù)值在0.05～0.12 m/s 范圍內(nèi)。在到達(dá)中間位置時(shí)，流速迅速提升至0.25 m/s，主要是由于同時(shí)受到上升流和水平流的擾動(dòng)。因?yàn)榱魉俨▌?dòng)過(guò)大，容易引發(fā)渦流，與流體膨脹后產(chǎn)生較多能量損耗，給分選效果帶來(lái)了不利影響。在核心位置，流速?gòu)? 提升至0.3 m/s，隨后下降。在接近溢流口位置，重新提升至0.15 m/s。該處流速通過(guò)水平流和上升流獲得，有助于精煤向上懸浮。

從底流區(qū)的流場(chǎng)分布來(lái)看，邊緣位置流速?gòu)? 提升至0.12 m/s，接近中間位置后開(kāi)始下降。在接近底部邊緣時(shí)，流速重新提升至0.14 m/s，主要是受到上升流作用，有助于重介質(zhì)保持懸浮態(tài)。在核心區(qū)域，流速?gòu)? 提升至0.16 m/s，隨后開(kāi)始下降，接近槽體中央時(shí)達(dá)到最大值，而該處流速同樣受上升流作用。

2.3.2 運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)模擬分析可知，水平流發(fā)揮將物料從入口送至出口的作用，應(yīng)避免流速過(guò)快造成物料在槽體內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，同時(shí)避免流速過(guò)慢造成物料無(wú)法順利輸送。上升流的設(shè)定應(yīng)確認(rèn)最大斷面位置流速比干擾沉降速度大，發(fā)揮穩(wěn)定重介懸浮液密度的作用，但也應(yīng)當(dāng)避免流速過(guò)大造成高密度細(xì)粒到達(dá)懸浮區(qū)，隨著水平流沖出，給精煤帶來(lái)污染。在分選區(qū)，同時(shí)受上升流和水平流作用，造成流體流速較大，容易出現(xiàn)復(fù)雜湍流，給分選帶來(lái)不利影響，因此還應(yīng)確保水平流和上升流保持恰當(dāng)?shù)谋壤?，確保槽體內(nèi)部流體可以平穩(wěn)流動(dòng)，有效提高分選效率和精度。

實(shí)際在入料流速與X 軸保持40°夾角時(shí)，將水平流速設(shè)定為0.287，上升流達(dá)到0.28 m/s。在槽體內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定后，使顆粒粒度從6 mm 增加至150 mm，重介質(zhì)密度達(dá)到1500 kg/m3，確認(rèn)各粒徑物料運(yùn)動(dòng)路徑。如果物料可以穿越分選區(qū)進(jìn)入底流區(qū)，判斷能夠順利分選。從分析結(jié)果來(lái)看，在流速相同的情況下，各粒徑物料沉降速度出現(xiàn)了明顯差異。物料粒徑越小，沉降越慢，因此粒徑6 mm 物料在10 s 內(nèi)難以到達(dá)沉降區(qū)，影響了分選速度，而粒徑10 mm 以上物料均能順利到達(dá)淺槽底部。

如果提高上升流速，使流速達(dá)到0.36 m/s，粒徑在8 mm 以上的物料能夠達(dá)到精選要求，但粒徑為6 mm 的物料在接近溢流口時(shí)容易被水平流夾帶，造成精煤受到污染，由此可見(jiàn)試驗(yàn)的分選機(jī)的分選下限為8 mm。

3 結(jié)論

對(duì)分選機(jī)槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模擬可知，在溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)中，只有分選區(qū)同時(shí)受水平流和上升流作用。在水平流大小達(dá)到物料溢流要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)與上升流保持適合比例，確保槽體內(nèi)部流體平穩(wěn)，確保物料能夠得到高效、精確分選。根據(jù)分析結(jié)果可知，上升流從0.28 m/s 提升至0.36 m/s，能夠?qū)? mm 以上物料進(jìn)行高效精選，使槽體內(nèi)維持理想流場(chǎng)分布。