新型煤泥分級(jí)用旋流器的研究

單 超

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

新型煤泥分級(jí)用旋流器的研究

單 超

（天地科技股份有限公司唐山分公司，河北省唐山市，063012）

研究設(shè)計(jì)一種帶有蝸殼分離室來(lái)提高分級(jí)效率的新型旋流器，并利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，分析壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、密度場(chǎng)的分布規(guī)律。

分級(jí) 旋流器 分級(jí)效率

在選煤廠的工藝系統(tǒng)中，煤泥的處理是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。分級(jí)旋流器以其工藝簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、濃縮效果好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于選煤行業(yè)煤泥水處理工藝環(huán)節(jié)。目前傳統(tǒng)的分級(jí)旋流器在某些方面還不能適應(yīng)選煤廠的要求，主要是對(duì)分級(jí)旋流器的理論和實(shí)踐研究并沒(méi)有完整地結(jié)合起來(lái)，對(duì)影響分級(jí)旋流器工藝效果的因素研究還不夠透徹。與國(guó)外同型號(hào)設(shè)備相比，國(guó)內(nèi)分級(jí)旋流器存在著處理量小、效率低的問(wèn)題，這就造成了煤泥水分級(jí)系統(tǒng)若采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備時(shí)，由于處理能力和分級(jí)效率的限制，會(huì)增加廠房空間，增加多余的能量消耗，同時(shí)為煤泥的后續(xù)處理增大了壓力。因此，對(duì)分級(jí)旋流器做比較全面系統(tǒng)的理論分析，并建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，針?duì)不同的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)條件，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)參數(shù)方面入手，尋求提高選流器分級(jí)效率是今后研究的一個(gè)方向。

1 新型煤泥分級(jí)旋流器

選煤廠應(yīng)用較為廣泛的煤泥水分級(jí)設(shè)備有弧形篩、分級(jí)旋流器等。在應(yīng)用過(guò)程中，弧形篩存在易堵塞、分級(jí)效率低等缺點(diǎn)，工藝效果受到很大的限制；分級(jí)旋流器是利用離心力進(jìn)行分級(jí)的設(shè)備，在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多選煤廠的技術(shù)改造和新建選煤廠已大量采用分級(jí)旋流器，其分級(jí)效率為40%～60%，基本能滿足工藝需求，但處理不當(dāng)時(shí)，分級(jí)效率將大打折扣，煤泥水分級(jí)旋流器生產(chǎn)效果見(jiàn)表1。

表1 煤泥水分級(jí)旋流器生產(chǎn)效果

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型煤泥分級(jí)旋流器主要由入料管、細(xì)顆粒排出口、上分離室、下分離室、粗顆粒排出口組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。將一定濃度的煤泥水以一定壓力由入料管給入旋流器，在離心力作用下，煤泥顆粒在上分離室內(nèi)按粒度大小進(jìn)行預(yù)分級(jí)，按粒級(jí)排列好的煤泥顆粒進(jìn)入下分離室后分級(jí)效果進(jìn)一步鞏固加強(qiáng)，細(xì)顆粒隨內(nèi)螺旋流從上部細(xì)顆粒排出口排出，粗顆粒隨外螺旋流從下部粗顆粒排出口排出。在旋流器內(nèi)部，流體的流動(dòng)方式是復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 新型煤泥分級(jí)用旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 流場(chǎng)分析

旋流器工作時(shí)，煤泥水經(jīng)過(guò)入料管切線進(jìn)入上分離室進(jìn)行預(yù)先分級(jí)，增大了設(shè)備的分級(jí)空間，延長(zhǎng)了分級(jí)時(shí)間，有效地提高了旋流器的分級(jí)效率和精度。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可以相對(duì)準(zhǔn)確的得出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、密度場(chǎng)的分布情況，使其內(nèi)部流場(chǎng)可視化。

1.2.1 壓力場(chǎng)

圖2為不同軸截面壓力分布曲線圖，從圖2中可以明顯看出，同一平面上，壓力隨著半徑的減小而減小，壓力分布曲線幾乎重合，說(shuō)明各軸截面上徑向壓力梯度幾乎相同，降低了壓力擾動(dòng)造成的流場(chǎng)紊亂，提高了分級(jí)精度。沿軸向方向，同一半徑上的壓力幾乎相等，說(shuō)明軸向壓力梯度幾乎為零，徑向壓力梯度逐漸增大。從某種意義上說(shuō)，壓力代表著可用機(jī)械能，壓力的降低可以用來(lái)表征能量的損失。

圖2 不同軸截面壓力分布曲線圖

1.2.2 速度場(chǎng)

旋流器中煤泥水的速度以切向速度、徑向速度和軸向速度3個(gè)分速度來(lái)表示，三維速度對(duì)旋流器的分級(jí)作用都有著明確的物理意義。

（1）切向速度。旋流器內(nèi)的三維液流運(yùn)動(dòng)中，切向速度具有重要的地位。不僅是因?yàn)榍邢蛩俣仍跀?shù)值上要大于其余兩個(gè)速度，更重要的是切向速度產(chǎn)生的離心力是旋流器內(nèi)兩相或多相分離的基本前提。旋流器中不同橫截面切向速度分布如圖3所示。

圖3 不同橫截面切向速度分布圖

從圖3中可以看出，切向速度從旋流器器壁向中心軸線方向上隨著半徑的減小而增大，在某一半徑處達(dá)到最大值，而后隨著徑向位置的進(jìn)一步減小在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低；切向速度對(duì)稱性好，消除了分離室內(nèi)部流場(chǎng)的偏心問(wèn)題。

（2）軸向速度。在旋流器的三維流體運(yùn)動(dòng)中，軸向速度方向發(fā)生明顯變化，旋流器不同截面軸向速度分布如圖4所示。從圖中可以看出，由器壁向中心方向，軸向速度首先從向下方向 （設(shè)定向下為正方向）隨著半徑的減小而先增大再逐漸減小至零，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏戏较虻乃俣?。通過(guò)礦漿軸向速度為零的各點(diǎn)可以描繪出一個(gè)圓錐形表面，即零軸速包絡(luò)面，它是軸向速度方向發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折面，也是內(nèi)螺旋流與外螺旋流的分界面，該面內(nèi)部流體向上流動(dòng)，形成內(nèi)螺旋流，而在其外部的流體則向下流動(dòng)，形成外螺旋流。圖中 ［-50，50］坐標(biāo)處軸向速度急劇變化區(qū)域?yàn)榭諝庵鶇^(qū)域。就軸向速度絕對(duì)值而言，內(nèi)螺旋流速度遠(yuǎn)大于外螺旋流速度，由于外螺旋流區(qū)域軸向速度很小，對(duì)旋流器的分離過(guò)程以及主分離區(qū)煤泥顆粒的受力運(yùn)動(dòng)影響很小。

（3）徑向速度。圖5為旋流器不同截面徑向速度分布圖，相對(duì)于其他兩向速度而言，徑向速度較小，在分離過(guò)程中，固體顆粒所受到的徑向遷移阻力主要來(lái)源于流體的徑向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的摩擦阻力，切向速度產(chǎn)生的離心力主要用來(lái)克服或平衡這一摩擦阻力。從圖5可以看出，速度大小的變化規(guī)律基本上滿足先增大后減小的變化規(guī)律，同一截面的徑向速度基本上存在2個(gè)極值點(diǎn)，第1個(gè)極值點(diǎn)出現(xiàn)在細(xì)物料排出口的半徑所對(duì)應(yīng)位置，隨著截面高度的降低 （遠(yuǎn)離細(xì)物料排出口）該極值逐漸降低；第2個(gè)極值點(diǎn)出現(xiàn)在旋流器壁面附近，對(duì)于下分離室錐段而言，該極值大于細(xì)物料排出口下方的極值，是該截面整個(gè)徑向速度的最大值。

2 結(jié)論

新型分級(jí)旋流器的設(shè)計(jì)思想源于傳統(tǒng)分級(jí)旋流器，但其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分級(jí)旋流器，設(shè)計(jì)發(fā)散狀蝸殼分離室，降低了入口流場(chǎng)紊亂度，降低了入料對(duì)分離室內(nèi)壁的沖擊磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。發(fā)散狀蝸殼分離室有利于內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定，消除了進(jìn)入第二分離室的偏心問(wèn)題，提高了分級(jí)精度，預(yù)期分級(jí)效率可穩(wěn)定在60%以上，滿足后續(xù)工藝環(huán)節(jié)要求。同時(shí)，新型分級(jí)旋流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、占地面積小，操作方便，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)，具有更大的處理能力和更好的節(jié)能效果。

［1］李學(xué)亮 .國(guó)外煤炭脫硫降灰技術(shù)的發(fā)展趨向 ［J］.中國(guó)煤炭，2000（7）

［2］楊建國(guó)，歐澤深 .發(fā)展重介選煤提高精煤質(zhì)量 ［J］.中國(guó)煤炭，1997（1）

［3］M·勞里拉，朱超 .大直徑重介旋流器的新進(jìn)展［J］.中國(guó)煤炭，1997 （11）

The research of new type coal slime classification cyclone

Shan Chao
（Tangshan Branch，Tiandi Science ＆ Technology Co.，Ltd，Tangshan，Hebei 063012，China）

A volute separation chamber has been designed into cyclone to improve the efficiency of classification.The research of three-dimensional numerical simulation of internal flow field is conducted by using Computational Fluid Dynamics technology.The distribution regularities of pressure field，velocity field，density field have been analyzed.

classification，cyclone，efficiency of classification

TD94

A

單超 （1977-），男，河北滄州人，工程師，現(xiàn)就職于煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院。主要從事選煤設(shè)備的研發(fā)及管理工作。

（責(zé)任編輯 孫英浩）