选煤厂涡流分配稀介箱的研发与应用

杨伟桥，王 进，姚 雷，王 蒙，颜冬青

(陕西煤化选煤技术有限公司，陕西 西安 710100)

0 引言

煤炭资源作为我国最重要的一次能源，2016年发电量65%以上由煤电提供。因此提供优质煤炭成为煤企的终极目标。陕西彬长矿业文家坡煤矿主要提供优质动力煤，文家坡选煤厂属于矿井型的选煤厂。在最初设计中末煤介质回收系统不尽合理，导致了介质回收率低，介耗高的问题。

针对文家坡选煤厂泥化-湿黏煤在生产中介耗高的问题，对介质回收系统进行分析研究，采用SolidWorks中的Flow Simulation流体模拟软件对“涡流分配稀介箱”进行流场模拟和有限元分析。通过不同方案的对比，选出最优方案，进行现场生产对比，验证效果。

1 研究原因、目的及方法

1.1 研究的原因

泥化-湿黏煤分选过程中对文家坡选煤厂洗选系统造成的影响表现在介耗居高不下，最严重时系统介耗高达1.80 kg/t。同时由于介质系统不稳定导致矸石带煤比较严重。经过现场的观察和测试，发现了介耗过高的原因。

磁选机堆积堵塞：文家坡选煤厂的介质回收工艺为直接磁选，由于矸石的泥化导致中矸磁选机中煤泥含量过高。在使用过程中出现矸石、中煤磁选机滚筒下末矸堆积严重，频繁堵塞，严重影响磁选机的介质回收效率。

磁选机入料不稳：文家坡选煤厂三产品重介旋流器洗选系统中，2台精煤脱介筛、1台中煤脱介筛、1台矸石脱介筛筛下稀介分别直接进入相对应的3台磁选机，3台磁选机入料浓度、流量不均匀且稳定性差，导致磁选机总体回收效率差；稀介分流不能均匀分配到3台磁选机入料中，导致磁选机的负荷不均匀，介质回收效果差。

1.2 研究的目的

针对介耗过高问题研究改造稀介质缓冲箱。其目的是使得进入磁选机的稀介能够得到充分的缓冲和稳流，并且将物料均匀分配到3台磁选机中，达到负荷均匀。

1.3 研究方法

采用SolidWorks软件中的Flow Simulation对涡流分配稀介箱和末精煤分料箱的各个出入口参数和溢流堰高度等进行有限元分析和仿真模拟。SolidWorks软件是由法国达索公司旗下SolidWorks子公司开发的世界上第一款基于Windows系统的三维CAD设计软件，是世界上优秀的三维结构制作和结构模拟软件，在三维设计制造中占有重要地位。SolidWorks包含大量扩展性软件插件，可分别完成不同场景和要求下的任务。

为了方便观察模拟效果，以水来代替稀介作为箱内料流的流体。对箱体进行网格划分、边界计算域、出入口料流速度、流动介质基本性质等参数进行设置。

图1 计算条件和参数的选取

如图1所示，根据实际在计算中添加了与Y轴相反方向的重力。网格划分中采取了细部优化，共105 873个网格，以使计算结果更加准确。由于本缓冲箱内部热量交换与传递极其微弱，对实际使用和流体运动的影响甚微，在计算中可以忽略不计。因此在参数选取中选择绝热壁面，无热量传递，以降低计算量。同时根据文家坡选煤厂内稀介质循环量为500 m3/h计算得出入口体积流量为0.14 m3/s。

2 研究结果与分析

提出4种涡流分配稀介箱的结构对比研究。

2.1 方案一

本方案是在涡流分配稀介箱内部中心放置一道隔板，将入料口和出料口隔开，起到稳流的作用。隔板为12 mm厚度的钢板，高为900 mm。将缓冲箱内部分割成2个部分，液流进入到箱体内部首先充满隔板入料一侧，而后通过隔板溢流到出料口一侧从出料口排出。在设计中出料口管径稍小于入料管道可以保证液流溢流过隔板以后保持一定的液位，保持出料压力的稳定。结构图及模拟图如图2所示。

从方案一的流场模拟速度迹线分布图上可以看出，在入料端涡流较大，存在较大面积的低流速区域。由于磁铁矿粉重介质密度大，重量较大，这样会导致在低流速区域物料大量堆积，对入料管会造成严重的影响。同时在出料端物料串流严重，由于出料管径的不同造成不能向3台磁选机均匀给料。

2.2 方案二

本方案是在涡流分配稀介箱内部加设两道横向隔板，将整个箱体划分为3个区域。第一道靠近入料口处，隔板为12 mm厚度的钢板，高度为900 mm。第二道隔板靠近出料口，隔板为12 mm厚度的钢板，高度为500 mm。液流进入箱体内部，积累到液面超过900 mm时溢流过第一道隔板，进入中间区域缓冲稳流，再溢流过中间区域进到出料端。第二道隔板高度高于出料管最高点，要形成稳定的液面，保持出料稳定。结构图及模拟图如图3所示。

a-结构图；b-流场速度迹线分布侧视图图3 方案二

在图3(b)中可以看出，相对于方案一中入料端处大面积的低流速区域，在本方案中被大大压缩，几乎不存在大面积的低流速区域，物料得到了充分的缓冲。但是从模拟侧视图中可以看出缓冲箱中两块隔板中间的区域流速较低，出现了低流速区域，物料会堆积到两块隔板中间的区域，造成缓冲箱内物料大量堆积。同时在出料端物料串流严重，由于出料管径的不同造成不能向3台磁选机均匀给料。

2.3 方案三

本方案是在缓冲箱内部中间加装隔板，隔板为12 mm厚度的钢板，高度为900 mm。再在出料侧加装垂直于隔板的挡板，将出料端按照出料管口分成3个部分。当液流进入到箱体内部，经过中间隔板的稳流和缓冲，进入到出料侧，再通过两排垂直于中间隔板的挡板分流到3个出料口，使得给料均匀稳定。结构图及模拟图如图4所示。

a-结构图；b-流场速度迹线分布图图4 方案三

可以看出入口流速主要分布在0.9～1.5 m/s之间，色彩表示为淡黄色。入料液流进入到箱体内部后撞击箱体中部挡板分散开来，同时由于撞击过程和流动过程中存在摩擦力和缓冲作用，导致了物料流动能降低。同时液面升高，液流流速方向沿着隔板向上，重力势能逐渐增加，同时动能进一步降低，导致液流速度逐渐降低。但是由于入料端有源源不断的入料进入，相当于向箱体内的物料注入能量，因此图中会出现沿着隔板的物料上升流速度降低幅度很小的情况，可以看出沿着隔板的上升流速度分布约为0.9～1.4 m/s之间。并且正是由于输入能量的存在，使得出口流速大于入口流速，其出口流速分布约为1.6～2.1 m/s。

同时在模拟结果图中可以发现，箱体内部的涡流范围很大，几乎充满了整个箱体。这说明物料流在箱体内部运动比较剧烈，可以大范围搅动箱体内部的磁铁矿粉介质，减少沉积。

如图5中所示，表示的是箱体内部流速及流动方向的分布云图。从图中可以明显地看出，在箱体的边角处流速很低，而且形成了大量的小涡流。速度的降低会形成流动中的死区，在这些死区会形成少量的磁铁矿粉沉淀。随着磁铁矿粉沉淀的积累，箱体内部的流动空间将随之减少，液流速度加快，冲走一部分磁铁矿粉沉淀，进而达到稳定的平衡状态。

图5 方案三主视剖面流速等值线图

在出料管口处也形成了较大的涡流，这是由于出料管伸入到箱体内部的长度较大造成的，这样会导致出料口的液流稳定性差。因此在实践的过程中已经将伸入箱体内部的管道截短，消除了出口管道处的涡流，稳定了出料。

2.4 方案四

本方案是在缓冲箱内部按照出料管分布情况，竖排加装隔板，将缓冲箱分为3部分。隔板为12 mm厚度的钢板，高度为900 mm。通过SolidWorks软件对这种形式的缓冲箱进行流场模拟，结构图及模拟图如图6所示。

a-结构图；b-流场速度迹线分布图图6 方案四

从上面模拟图中可以看出，本方案中3个入料管口对应3个出料管口，入料管口和出料管口相对，保证每一个出料管和所对应的入料管流量相等，使得出料顺畅，保持箱体内部不积料。但是本方案在流动的过程中并未起到充分的缓冲作用，也并未实现向3台磁选机均匀给料。

2.5 结果分析

通过以上4种方案的对比，第三种方案中，物料得到了充分的缓冲和混合，在出料端的隔板设计也保证了给入3台磁选机的物料是均匀的，同时高于出料管口的隔板设计也保证了物料液面能够淹没出料管口，保证了磁选机入料压力和流量的稳定。方案三在各方面都达到了要求，因此按照第三种方案对洗选系统进行改造。改造前4月份的生产情况与改造后5月份的生产情况对比如图7所示。

a-介耗；b-矸石带煤率图7 4月份和5月份生产情况对比

改造以后选煤厂的介耗由原来的1.8 kg/t下降到1.2 kg/t以下，矸石带煤率由改造前的0.5%下降到了目前的0.12%，改造效果较好。

3 结论

(1)通过利用SolidWorks对涡流分配稀介箱各方案的流场模拟和结构优化，最终选择出了一种结构的涡流分配稀介箱(方案三)，满足充分缓冲物料、减少积料、出料压力稳定和物料分配均匀的要求。

(2)生产现场效果验证试验结果表明选煤厂的介耗由原来的1.8 kg/t下降到1.2 kg/t以下，矸石带煤率由改造前的0.5%下降到了目前的0.12%，效果较好。