重介质旋流器不同入口结构的性能分析

刘晓飞

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

在煤炭开采生产的过程中，煤炭的分选对煤炭的清洁性具有重要的影响。重介质旋流器是进行煤炭重介质分选的主要设备，可分选各种类型的原煤，被广泛应用于自动化生产过程中[1]。为提高重介质旋流器的分选性能，针对重介质旋流器的入口结构采用CFD 软件进行仿真分析，确定最优的入口结构，实现清洁煤炭能源的分选。

1 重介质旋流器入口结构

重介质旋流器在进行煤炭的分选过程中，依靠旋转形成的离心力对不同的介质进行分离，分离的性能受到诸多因素的影响。其中，重介质旋流器的结构包括入口的结构、滚筒的直径及底口的直径等，都会对旋转的介质产生影响[2]。重介质旋流器的入口结构具有多种形式，常见的主要有切线式、渐开线式、蜗壳式等。较好的入口结构能够提升进入内部流场介质的稳定性，提高介质的分离效率[3]。蜗壳式的入口结构相对直切式的入口结构能够降低入口处设备的磨损，降低介质的紊流，能够提高重介质旋流器的分离性能。

蜗壳式重介质旋流器结构如图1 所示，蜗壳包角是蜗壳式入口结构的重要参数，对进入到内部流场的介质初始状态具有重要的影响，针对蜗壳包角的不同，对重介质旋流器的性能进行分析。设计四种不同的蜗壳包角的角度，分别为0°、90°、180°、270°，采用CFD 软件流体数值分析的方式对重介质旋流器的性能进行仿真模拟[4]，其中图1 所示的为180°蜗壳包角样式。

2 重介质旋流器性能的仿真分析

图1 蜗壳式重介质旋流器结构

选取直径1 000 mm 的蜗壳式重介质旋流器，设定四种不同的蜗壳包角模型，设定安装角度为10°，对模型进行网格划分处理。分析过程中，选取相同的介质模型，设定进料口的速度为4 m/s，在介质中选取不同大小的铁矿颗粒，采用的原煤的颗粒密度为1 300～2 000 kg/m3，设定相同的操作参数，观测蜗壳包角的不同对分离性能产生的影响。

2.1 操作性能的仿真分析

重介质旋流器的操作性对使用中的安装及操作具有重要的影响，首先对其操作行性能进行分析，包括不同蜗壳包角下的溢流分流比及入料压头，结果如下页图2 所示。从图2 中可以看出，在蜗壳包角小于180°时，溢流分流比及压头的值随着蜗壳包角的增加而显著增加；在蜗壳包角达到260°时，溢流分流比及压头不再增加，且有下降的趋势，但减小的值较低[5]。

2.2 分离性能的仿真分析

重介质旋流器的分离性对煤炭的分选具有重要的影响，分离性能是其主要的考察参数。针对不同蜗壳包角下的分离性能进行分析。对不同密度的介质进行分选，得到其底流分配率的变化如下页图3 所示。从图3 中可以看出，在进行分选的过程中，蜗壳包角在0°～180°增加的过程中，底流的分离曲线呈现逐渐向右移动的趋势，而在180°～270°增加的过程中，曲线则呈现向左移动的趋势，其中，在180°蜗壳包角时的底流分配率曲线最为陡峭，说明此时的分流作用最强[6]。

图3 不同蜗壳包角下重介质旋流器底流分配率变化曲线

在重介质旋流器的工业使用中，常采用Ep值进行分离性能的评价，Ep值是指在分离过程中25%和75%的可能性分配到底流口的颗粒间的密度的差值，对不同蜗壳包角下的Ep值进行仿真运算，得到其变化如图4 所示。从图4 中可以看出，不同大小的颗粒所产生的Ep值相差较大，颗粒物越大所引起的Ep值越小。随着蜗壳包角的变化，Ep值首先呈现一定的下降趋势，但在蜗壳包角变化到180°之后，其Ep值趋于平稳，变化不大。在不同的颗粒大小中，Ep值下降的幅度与颗粒物的直径相关，直径越小时则Ep值降低的越大，在四种不同的颗粒物大小中，在蜗壳包角为180°时的Ep值最小，有利于分选过程的进行。

图4 不同颗粒物的重介质旋流器Ep 值变化曲线

蜗壳包角的不同大小对蜗壳式重介质旋流器的性能具有重要的影响，其中，180°的蜗壳包角在不影响重介质旋流器使用操作的基础上，能够具有较好的分选性能，提高所分选的原煤的质量，为创造洁净化的煤炭燃料提供保障。

3 结论

对蜗壳式重介质旋流器的蜗壳包角的大小进行仿真分析，并对重介质旋流器的操作性能及分离性能进行对比，得出以下结论：

1）在四种不同的蜗壳包角中，随着蜗壳包角的增加，其溢流分流比、压头呈现先增加后略有减小的趋势，底流分配率呈现相同的变化趋势，在180°时的曲率最大，重介质旋流器Ep值同样呈现先增加后减小的趋势。

2）在四种大小的蜗壳包角中，180°的蜗壳包角时重介质旋流器的分离性能最佳，能够对煤炭进行有效分选，得到高品质的煤炭，从而减轻煤炭使用中污染物对环境的影响，提高煤炭的清洁性。