新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過程的流場仿真分析

張智亮

(西南石油大學，四川成都610500)

選礦廢水是選礦工藝排水、尾礦池溢流水和礦場排水的統(tǒng)稱，大量存在于煤礦、銅礦等礦山企業(yè)。選礦廢水水量大，懸浮物含量高，含有害物質種類較多且濃度較低。每噸礦石選礦用水量為5～10 t。隨著我國經濟的不斷發(fā)展，工業(yè)水平的不斷提高，選礦廢水的排量越來越大，如果不能得以有效處理，這些選礦廢水就會嚴重污染環(huán)境，危害水產行業(yè)和植物生長及人體健康。新型氣旋浮裝置是在結合充氣式水力旋流器和氣浮式水力旋流器的理論基礎上發(fā)展起來的，國內研究較少，到目前為止僅西南石油大學省部共建“石油天然氣裝備”教育部重點實驗室正在研究，該裝置應用廣泛，能夠在石油、礦業(yè)、農業(yè)等多個領域進行應用。作者對新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過程的流場進行仿真分析。

1 新型氣旋浮裝置結構簡介

1983年，MILLER等設計了第一臺用于油水分離的充氣式水力旋流器［1］，1996年，余仁煥［2］設計了一臺頂部進料的充氣式油水分離水力旋流器，其原理與MILLER等設計的旋流器的原理是基本一致的，只是在進料、溢流等方式上有所改變。

為了進一步提高分離效率，2002年，沈自求等［3］設計了一種氣浮式水力旋流器。在該系統(tǒng)中，將壓縮空氣注入溶氣罐，然后油水混合物由溶氣罐進入水力旋流器進行油水分離。水力旋流器采用雙錐結構，頂部設有溢流管，底流通過底部尾管流出，經過試驗證明，排出水滿足廢水排放的要求，主要用于環(huán)保與污水回用。但以上兩種旋流器只能分離尺寸較大的顆粒，對于尺寸較小的顆粒則不能較好地完成分離，新型氣旋浮裝置就是針對這一缺點而產生的［4］。

新型氣旋浮裝置，是將漩流和氣浮二者有機結合在一起的分離裝置。其主要部件為導流葉片、繞流柱、立式容器罐、上部排氣管、切向進液管、下部出水管。實驗用2 m3/h氣旋浮裝置結構外形如圖1所示。

圖1 實驗用2 m3/h氣旋浮裝置結構外形

其典型流程為:選礦廢水－三相分離器－氣旋浮(兩級串聯(lián))。

新型氣旋浮裝置主要特點:

(1)分離效率高，停留時間短;

(2)無運動部件，無需更換保養(yǎng);

(3)體積和質量只是常規(guī)分離設備的1/3;

(4)根據(jù)不同水質可提供小尺寸試驗裝置進行現(xiàn)場試驗，獲得最佳運行參數(shù)，因此針對性強;

(5)結構簡單，制造難度小。

2 新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過程的流場仿真分析

2.1 氣旋浮流場分析軟件

新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過程的流場仿真分析屬于三相分析，即氣－廢水－水。本流場仿真分析采用目前國際上應用極為廣泛的商用流場分析軟件——Fluent 6.3.26和Gambit 2.3.16兩個軟件。采用帶旋流修正k－ε模型。

2.2 網格劃分和定義邊界條件

在使用商用CFD軟件的過程中，大約有80%的時間是花費在網格劃分上的，可以說網格劃分能力的高低是決定工作效率的主要因素之一。該模型對網格要求比較嚴格，經過比較，采用結構網格較為適宜。將氣旋浮裝置分解為四大部分即:2個出流口、1個進流口和圓柱段。選擇混合網格單元體分別進行網格劃分，然后再合成，如圖2所示，總網格數(shù)為697 856個。進流口定義為質量流動入口，即氣、廢水、水三相以一定的質量流量沿切向進入氣旋浮;溢流口和底流口分別定義為壓力輸出;定義氣旋浮所有的管壁為靜止的No-Slip-Wall，與其接觸的流體的相對速度為零，而且認為與周邊沒有物質和能量的交換。

圖2 氣旋浮網格結構劃分

2.3 流場模擬結果與分析

整個計算過程大概需要二十幾個小時甚至更長的時間，根據(jù)計算機硬件配置不同而異。計算過程中的殘差收斂曲線如圖3所示，各逼近余數(shù)曲線呈下降狀態(tài)，當達到1×10－4值時，計算趨于穩(wěn)定收斂，殘差曲線基本趨于水平的直線，計算結果達到了很好的精度。這時流場基本趨于“定長”，即流場中各參數(shù)的模擬結果基本上不再隨著計算迭代步數(shù)的增加而改變，即可認為運算結束。

圖3 流場模擬計算過程中的殘差收斂曲線

2.3.1 流體軌跡

圖4為氣旋浮內的流線軌跡圖，可以清楚看到:從入口處流入的選礦廢水在氣旋浮裝置內腔上部沿側面快速切向進入氣旋浮腔內以產生高速旋轉的流場，這樣就會使密度較小且揮發(fā)性較強的懸浮有機物旋流成微小顆粒，與空氣充分接觸;同時，在氣旋浮軸線中心部分形成一個向上運動的內旋渦，懸浮物通過氣體的作用向這個內漩渦的部位運動，從氣旋浮裝置上面的溢流口排出;而密度較大的水相在進入裝置之后，由于受到旋轉流場的作用，沿徑向向外運動，形成外旋渦流場，在到達氣旋浮裝置器壁之后沿著器壁向下運動，最后在底流口排出，通過這樣的措施，達到廢水分離的目的［5］。

圖4 氣旋浮內的流線軌跡圖

2.3.2 速度場的分布規(guī)律

從圖5和圖6可以看出:當選礦廢水進入氣旋浮腔內形成漩渦，就會形成各種壓力區(qū)，在氣旋浮邊壁處形成高壓區(qū)，且壓力最高;而靠近軸線中心部位形成低壓區(qū)。在流體旋轉邊界，沿任何微小元體速度環(huán)量均為零，即旋轉流體在此區(qū)域內的流動為無旋流動，即勢流流體微團只沿曲線移動，而沒有繞本身軸線的旋轉運動，因此稱這一區(qū)域為勢流旋轉區(qū)，是沒有外界能量補充的渦流運動，即流體力學中的自由渦。由圖6可以看出，在貼近邊壁地方，流體速度為0，隨著到邊壁的距離變大，流體切向速度迅速變大，達到最大值后又快速變小。

圖5 氣旋浮內混合相等速度分布云圖

圖6 切向速度分布圖

2.3.3 分離性能

采用分離效率的高低來衡量氣旋浮的分離性能。而影響分離效率的因素很多，下面以分流比這個重要參數(shù)來進行說明。

分流比F直接影響旋流器的分離效率，反映了氣旋浮裝置溢流口和底流口之間流量的分配關系，在選礦廢水懸浮有機物濃度一定的情況下，氣旋浮裝置存在著一個最優(yōu)的分流比范圍。根據(jù)前面所述，設置懸浮有機物占入口質量流量比的5%，水占入口質量流量比的93%，氣占入口處質量流量比2%，入口流量為0.45 kg/s的條件下，得到如圖7所示的分流比－效率的關系曲線。從圖7可以看出:隨著分流比的不斷增大，分離效率也在不斷地增高，當分流比穩(wěn)定在12%～14%這個范圍內，氣旋浮裝置的分離效率就基本達到了90%。如果分流比再增加，分離效率基本保持不變，但存在局部小幅度下降的趨勢，這是因為如果分流比過大，氣旋浮裝置就不能承受廢水的處理，會改變氣旋浮裝置內部流場的特性，大量的廢水就會未經過處理直接從溢流口排除，導致分離效率下降。因此，可以得出結論，存在著一個氣旋浮裝置的最佳工作區(qū)間，這個工作區(qū)間內相應的分流比就是氣旋浮裝置的最佳分流比。

圖7 氣旋浮分流比與分離效率的關系

3 試驗效果及開發(fā)應用價值

3.1 試驗效果

將此新型氣旋浮裝置應用于四川一大型煤礦的選礦廢水處理中，通過多次試驗檢測，該流場仿真分析與現(xiàn)場實測結果比較吻合。因此，采用流體分析軟件技術來研究氣旋浮在選礦廢水處理中的流場規(guī)律是可行的。同時，經過氣旋浮兩級串聯(lián)處理后水質如圖8所示，經過實驗檢驗，水質完全達到可排放標準。

圖8 氣旋浮兩級串聯(lián)處理后水質

3.2 新應用開發(fā)方向的實際意義

氣旋浮裝置除了可以應用于選礦廢水外，還能夠應用于礦山的其他方面，以選煤廠為例，探討其開發(fā)應用的價值。

(1)對于無浮選的中小型重介選煤廠，氣旋浮技術可以作為多功能一體機來進行應用，主要可以取得兩方面的突出效果，第一可以較好地回收經重介分選過的低灰粗顆粒精煤，第二可以降低細粒煤的分選成本。

(2)氣旋浮裝置可以應用于采用重介—浮選聯(lián)合流程的大型選煤廠，通過該技術既能夠甩掉高灰細泥，又能夠較好地回收經重介分選過的低灰粗顆粒精煤，能夠有效地提高浮選效率。

(3)氣旋浮裝置對于采用其他流程的選煤廠，也一樣具有開發(fā)應用價值。該技術既能夠降低選煤生產成本，又能夠簡化分選回收細粒煤的工藝流程。這是由于該技術能夠較好地甩掉高灰細泥，能夠得到較低灰分的細煤泥，同時又能夠回收較高質量的粗煤泥。

【1】趙國慶，張明賢．水力旋流器分離技術［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2003:13－26．

【2】余仁煥．含油污水處理技術進展［J］．上海環(huán)境科學，1996，16(8):38 －41．

【3】沈自求，趙立新，李楓，等．旋流分離技術［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000:34－37．

【4】THEW Martin．Hydrocyclone Redesign for Liquid-liquid Separation［J］．The Chemical Engineer，1986，7(8):17 －23．

【5】蔣明虎，趙立新．產出液預分離水力旋流器的機理及試驗研究［J］．石油學報，1998，19(4):104 －108．

【6】張作萍，謝旭時，王忠，等．液－固(氣)旋流器流場壓力和分離粒徑的計算及應用［J］．機床與液壓，2008，36(6):76－79．

【7】張作萍，陳海，郭金基，等．液－固(氣)旋流器分離性能分析及環(huán)保工程應用［J］．中山大學學報:自然科學版，2008，36(3):131 －133．

【8】褚良銀，陳文梅，羅茜．錐齒刑水力旋流器的分離特性研究［J］．化工機械，1997，24(1):63 －67．

【9】蔣明虎，趙立新．液－液水力旋流器的入口形式及其研究［J］．石油礦場機械，1998，27(2):3 －6．

【10】YONG G A B，WAKLAY W D，TAGGART D L，et a1．Oil-water Separation Using Hvdrocyclones:an Experimental Search for Optimum Dimensions［J］．Journal of Petroleum Science and Enginring，1994(11):37 －50．