分选分级组合旋流器模拟研究

徐嘉晨

（晋能控股煤业集团煤炭洗选分公司，山西 大同 037000）

引言

煤炭资源作为我国重要的化石能源，其在我国经济发展中占据着举足轻重的地位，随着开采深度及机械化程度的不断提升，开采原煤的质量变差，导致选煤厂分选的工作量加大，产品质量的控制难度增加[1,2]，为了实现粗煤泥的高效分选，此前众多学者对此进行过研究，马茂华[3]针对大直径三产品重介质旋流器分选粒级大，末煤分选效果差，粗精煤泥灰分高的问题，结合入洗原煤煤质变差的状况，对原粗精煤煤泥回收系统进行工艺改造，通过定性、定量分析降低了粗精煤泥灰分，提高了精煤产率。宋宇[4]针对粗精煤产品灰分含量过高的问题，提出分别以干扰床分选机、三产品煤泥重介旋流器、三锥水介质旋流器等为核心的三种煤泥分选系统优化方案，并进行详细对比分析。结果表明，三锥水介质旋流器更适宜选煤厂粗煤泥分选。对粗煤泥分选系统进行优化改造后效果最佳。本文基于多溢流管旋流器，串联水力旋流器，实现一段低流排矸、一二段溢流排细泥、二段低流排精煤，大大降低了粗泥煤分选流程，解决了选煤厂分选困难的问题，为选煤厂高效生产奠定基础。

1 模型建立

传统的旋流器系统中由于有导流叶片的存在使得密度较低的物料损伤等问题，本文设计一种分选分级旋流器装置。在旋流重选柱内部设置一段套筒，在套筒的上部连接等径侧溢流，同时在溢流管与侧溢流的腔体位置布设一段切向口，切向口语二段旋流器切向口连接。将物料配合矿浆搅拌导入一段分选旋流器，当物料完成初步分选后细粒物料经溢流管排出，较粗的物料进出二段分选旋流器进行二次分级，实现一段低流排矸、一二段溢流排细泥、二段低流排精煤的目标。结构示意图如1所示。

图1 新型旋流器结构示意图

旋流器结构虽然简单，但其内部结构确十分复杂，为了对其内部结构进行深入分析，需要借助数值模拟软件，本文利用CFD模拟软件对新型溢流分流旋流器内部的流畅进行分析，研究新型旋流器的可行性。首先进行模型的建立，模型建立选用CAD绘图导入的方法进行模型建立，对建立好的模型进行网格划分，在进行网格划分时为避免统一划分造成精度差等问题，在进行网格划分时适当将模拟流场较为简单的部位进行粗划分，对流场计算较为复杂的位置进行细化分，本文利用ANSYS ICEM CFD 16.0进行网格的划分，划分完成后网格数共计857674个。完成网格划分后对模型的物理参数进行设定，由于本次模拟为水气两相模拟，所以设定空气的密度为1.205 kg/m3，空气的运动黏度为1.82×10-5kg/（m·s），水的密度为1 000 kg/m3，空气的黏度为1.003×10-3kg/（m·s），入料的体积流量为25 m3/h，首先对旋流器内部的轴向速度进行分析。

2 数值模拟分析

首先选定三种溢流管插入深度，深度分别选择为225 mm、265 mm和305 mm，仅展示插入深度为305 mm的一段旋流器轴向速度的云图及轴向速度分布曲线如下页图2所示。

从图2-1中可以看出，一段旋流器的内部流场分布大致呈现出对称分布的特点，中心轴为旋流器的中心轴线，在中心位置溢流口和底流口位置会出现倒吸现象，空气被倒吸形成空气柱，从而致使底流口的流速呈现突然的增加，在溢流管的中心位置流速出现明显的下降，而在溢流管的轴线位置出现上升流。观察图2-2可以发现流速随着距离中心轴线的距离增大呈现出先降低后增大再降低的趋势，当溢流管插入深度为305mm时，正最大值为中心轴线位置，最大值为2.0m/s，在距离中心轴线约71m的位置取到旋流器内部流场负的最大值约为0.7m/s；当插入深度为265mm时，此时的最大正向速度为1.7m/s，当插入深度为225 mm时，此时的最大正向速度为1.6 m/s，可以看出随着溢流管插入深度的增加，旋流器内部流场的最大速度逐步增大，但最大值出现的位置均为中心轴线位置。

图2 轴向速度的云图及轴向速度分布曲线

对溢流管插入深度225 mm、265 mm和305 mm的二段段旋流器轴向速度的云图及轴向速度分布曲线进行分析，仅展示插入深度为305 mm的二段旋流器轴向速度云图及速度分布曲线如3所示。

从图3-1中可以看出，在溢流管插入深度为305 mm的情况下，二级旋流器内部的流场分布在轴向速度方面呈现出对称的特性，对称轴仍为二段旋流器的中轴线上，在二段旋流器的中段部位，由于溢流口与底流口出现倒吸的空气柱使得底流口附近的流速突然增加，而沿着旋流器口壁的位置速度有一定的下降，同时由于二段旋流器内部的离心力不足，使得旋流器内部的流体的速度不足，出现底流口夹带一定的细颗粒。从图3-2中可以看出，二段旋流器内部流速随着距离中心轴线的距离增大呈现出先降低后增大再减小的趋势，当溢流管插入深度为305 mm时，负最大值出现在中心轴线位置，最大值为7.2 m/s，在距离中心轴线约20 m的位置取到旋流器内部流场正的最大值约为7.6 m/s，三种溢流管插入深度下的流场流速变化趋势大致相同。

图3 轴向速度的云图及轴向速度分布曲线

对侧溢流连接口径对一段旋流器内部轴向流速进行研究，侧溢流的口径（用溢流管截面积表示，下文相同）分别为800 mm2、1 200 mm2、2 000 mm2，一段旋流器轴向速度云图如图4所示。

图4 不同连接口径下轴向速度的云图

从图4中可以看出，在不同侧溢流口径下一段旋流器内部流场流速也呈现出对称分布的特点，对称轴为一段旋流器中轴线上，在中心区域出现倒吸形成的空气柱，导致底流口的轴向速度突然上升，在溢流管中心轴向速度出现突降。当侧溢流口径为2 000 mm2时，此时的溢流口及底流口轴向速度的突降突升现象明显小于侧溢流口径为800 mm2和侧溢流口径为1 200 mm2，同时在溢流管管壁上升流区域的轴向速度较溢流口径为800 mm2和侧溢流口径为1 200 mm2也有了一定的下降，当侧溢流连接口径为2 000 mm2时，侧溢流连接段上升流的颜色明显较溢流口径为800 mm2和侧溢流口径为1 200 mm2更深，这是由于随着侧溢流连接口径的增大，一段溢流的排水量降低，此时空气的倒吸现象减弱，内部流场的流速降低。

3 结论

1）通过对不同溢流管插入深度下一段旋流器内部流场速度进行分析发现，随着溢流管插入深度的增加，旋流器内部流场的最大速度逐步增大，最大值出现的位置为中心轴线位置。

2）二段旋流器内部流速随着距离中心轴线的距离增大呈现出先降低后增大再减小的趋势。

3）通过对不同侧溢流口径下一段旋流器内部流场流速进行分析发现，随着侧溢流连接口径的增大，一段溢流的排水量降低，此时空气的倒吸现象减弱，内部流场的流速降低。