新型无压给料三产品重介质旋流器的流场模拟研究

徐永生

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

新型无压给料三产品重介质旋流器的流场模拟研究

徐永生

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

应用计算流体力学技术对无压给料三产品重介质旋流器的流场进行了模拟研究，得出在其他条件相同的情况下，新型无压给料三产品重介质旋流器相比传统的无压给料三产品重介质旋流器具有切向速度、轴向速度和压强均高，径向速度低等优点。

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目前，以大型无压给料三产品重介质旋流器为代表的重介质分选技术及设备在我国选煤界越来越受到重视。ø1200/850、ø1300/920、ø1400/1000和ø1500/1100等大直径重介质旋流器相继投入生产，分选上限可达120 mm，单台处理能力最大可达550～700 t/h，拓展了重介质旋流器的分选范围。但在实际生产中，传统无压给料三产品重介质旋流器还存在分选效率不够理想、功耗大、磨损快等技术问题。因此，加强重介质旋流器选煤过程的理论研究，揭示其结构参数对分选效果的影响具有重要的指导意义，本文使用ANSYS FLOTRAN计算流体动力学（CFD）软件对重介质旋流器的流场进行了研究。

1 重介质旋流器CFD数值模拟研究现状

传统的旋流器设计及研发工作，主要依靠经验和试验来确定结构参数和工艺参数，开发周期长、投入大。应用CFD技术对三产品重介质旋流器的内部流场进行模拟，可从流场分析中及早发现工程设计中存在的不足，显著缩短设计周期、降低研发成本。国内外学者在这方面已做了一定的探索工作，初步展示了CFD技术在产品开发方面的优越性。

2 无压给料三产品重介质旋流器内悬浮液流场模拟研究

传统无压给料三产品重介质旋流器（以下简称传统旋流器）是由圆筒型或圆筒—圆锥型串联而成，见图1，一段旋流器的余压、浓缩效果和二段旋流器的分选密度都不是很理想。为改变这一情况，本文提出了将一段圆筒型结构改为圆锥型结构的新型无压给料三产品重介质旋流器（以下简称新型旋流器）的研究思路，并进行了数值模拟，见图2。

对重介质旋流器进行数值模拟主要是为了研究旋流器内速度场和压力场的分布状况，从而为重介质旋流器的设计提供理论依据。重介质旋流器中悬浮液旋流的速度通常分解为切向速度、径向速度和轴向速度三个分速度。其中，切向速度和径向速度是决定物料按密度分层的主要动力，具有较强的实际意义，前者决定离心力的大小，被认为是旋流器内3个分速度中最重要的一个，后者决定悬浮液径向移动动压力。悬浮液的轴向速度则决定分选产品在内螺旋上升流和外螺旋下降流中的位移时间。为使研究更具针对性，论文重点对结构参数变化较大的旋流器一段距入介口500 mm截面处的切向速度、径向速度、轴向速度和压强进行对比研究，选用的两种旋流器的结构参数如表1。旋流器一段切向速度、径向速度、轴向速度和压强的对比研究模拟结果如图3～图6所示。从图3～图6分析得出：

表1 传统旋流器、新型旋流器一段结构参数

（1）切向速度随着半径的增大不断增大，在回转半径和溢流管内径相同时达到最大，但在空气柱边缘时又会增加。在入料速度相同的情况下（悬浮液循环量相同），传统旋流器内的切向速度普遍低于新型旋流器内的切向速度，这表明在达到相同分选效果的情况下，后者比前者能耗要低，外螺旋流的浓缩效果也更好，旋流器的局部磨损也更小。

（2）传统旋流器与新型旋流器的径向速度在空气柱范围内相差不大，但在远离空气柱分选面到旋流器壁面的范围内，前者比后者的径向速度要高。颗粒在旋流器中分选时要在径向上分层，且分层的时间要比颗粒在旋流器中停留的全部时间短很多。当轴向速度和切向速度一定时，径向速度越小，颗粒物料的分层时间越多，相近物料误入相对产品的机会越少，分选的精度也越高。因而，新型旋流器的分层时间要比传统旋流器长，分选效果在相同条件下也会更好。

（3）在内螺旋上升流区域，特别是在空气柱范围内，新型旋流器的轴向速度高于传统旋流器内的轴向速度，这使新型旋流器空气柱范围内流体从溢流口的排出速度大大加快，部分流体在旋流器内的停留时间缩短，处理量相对增大。

（4）在边界条件、运行条件和位置相同的情况下，新型旋流器的压强比传统旋流器的压强更高，这更有利于物料的充分分选。

（5）出现上述现象主要是由于在相同边界和运行条件下，新型旋流器小的锥体角度产生了独特的内部分选场，在保证进入二段余压的条件下，起到了增加浓缩效果的作用。

3 新型旋流器的分选实践

利用以上模拟研究成果，依据内蒙古庆华集团百灵选煤厂的原煤特性和产品要求，天地科技有限公司唐山分公司设计了3SNWX1400－880/850重介质旋流器，进行了工业试验，并与传统的3SNWX 1200/850型重介质旋流器进行了对比，结果表明：

（1）新型旋流器的处理能力为303 t/h，远远超过传统旋流器，更适于现有选煤厂的升级改造和大型选煤厂的工艺设计。

（2）在处理分选密度±0.1 mm含量为28.51%的难选煤时，新型旋流器的数量效率为97.73%，传统旋流器的数量效率为95.47%，这说明新型旋流器在分选难选煤时的分选效果更好。

（3）新型旋流器的均方差、可能偏差都比传统旋流器要低，说明其分选精度更高，适应性更强。

（4）新型三产品重介质旋流器要求的入介压力低于传统的三产品重介质旋流器，故其设备磨损小，使用寿命长，能耗也较低。从测试数据可知，新型三产品重介质旋流器比传统三产品重介质旋流器能耗低24 kW，以每度电0.51元，每天生产16 h，一年按工作330 d计算，年节约电费6.46万元。

4 结论

新型旋流器与传统旋流器相比，具有切向速度、轴向速度大，压强高，径向速度低等优点，可为现有各规模选煤厂的技术升级改造和新厂建设提供一种高效率、低成本、高效益的装备。

Simulation on flow field of the unpressurized feeding three－product dense medium cyclone

Xu Yongsheng
（Tangshan Branch Company，Tiandi Science and Technology Co.Ltd.，Tangshan，Hebei 063012，China）

Simulation on flow field of the unpressurized feeding three－product dense medium cyclone was studied by computational fluid mechanics，and the results show：when the other cases being equal，the new unpressurized feeding three－product dense medium cyclone has high tangential velocity，high axial velocity，high pressure and low Doppler speed compared with the conditional one.

unpressurized feeding three－product dense medium cyclone，coal preparation，numerical simulation，computational fluid mechanics

TD942

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徐永生（1972－），男，硕士研究生，高级工程师，现在天地科技股份有限公司唐山分公司从事选煤厂设计与管理工作。

（责任编辑 张毅玲）