漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器分級(jí)性能試驗(yàn)研究

劉培坤，姜蘭越，楊興華，張悅刊(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器分級(jí)性能試驗(yàn)研究

劉培坤，姜蘭越，楊興華，張悅刊
(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

針對(duì)水力旋流器處理細(xì)粒級(jí)顆粒分級(jí)時(shí)易出現(xiàn)溢流跑粗的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器，并通過(guò)粉煤灰的分級(jí)試驗(yàn)，研究底流口直徑、壓力、給料濃度對(duì)其分離性能的影響。研究表明，隨著底流口直徑增大，底流濃度減小、底流產(chǎn)率升高、分級(jí)粒度變細(xì)，分級(jí)效率明顯增大；隨著壓力增大，溢流濃度減小，底流濃度明顯升高，分級(jí)效率升高；隨著給料濃度增大，溢流和底流濃度都升高，底流產(chǎn)率減小，分級(jí)效率降低。當(dāng)?shù)琢骺谥睆綖棣?8mm、壓力為0.06MPa、濃度為16%時(shí)，旋流器分離粒度d50為54μm，且-54μm分級(jí)質(zhì)效率為49.50%，量效率為88.66%；此時(shí)，溢流-45μm含量達(dá)到88%以上，符合一級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn)。

旋流器；漸擴(kuò)式進(jìn)料體；試驗(yàn)研究；分級(jí)效率

旋流器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的旋流器采用柱錐結(jié)構(gòu)，礦漿以一定的壓力切向進(jìn)入旋流器，在圓柱腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。礦漿中密度大的顆粒在旋流場(chǎng)的作用下同時(shí)沿軸向向下運(yùn)動(dòng)，沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)錐體段沿器壁向下運(yùn)動(dòng)，并由底流口排出，形成外旋流場(chǎng)；密度小的顆粒向中心軸線方向運(yùn)動(dòng)，并在軸線中心形成一向上運(yùn)動(dòng)的內(nèi)旋流，然后由溢流口排出，從而達(dá)到兩相分離的目的。但是，在旋流器頂蓋處，一部分給礦由于器壁的摩擦阻力作用，先向上再沿頂蓋下表面向內(nèi)，又沿溢流管外壁向下運(yùn)動(dòng)，最后同內(nèi)旋流匯合由溢流管的溢流口排出，形成短路流[1]。這部分礦漿未經(jīng)分離作用直接進(jìn)入溢流產(chǎn)物，嚴(yán)重影響了分離效果。特別是針對(duì)細(xì)顆粒的分離，容易造成溢流跑粗，導(dǎo)致分級(jí)精度降低。

由于蓋下流和短路流的復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究主要集中在溢流管和進(jìn)料體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。褚良銀等[2]發(fā)明了一種具有環(huán)齒形外壁的溢流管結(jié)構(gòu)，王光風(fēng)等[3]提出一種外帶環(huán)流旁路的溢流管，Hwanga K J等[4]提出一種錐形頂蓋旋流器，Wang B等[5]提出一種傘狀溢流管，這些改進(jìn)都可以在一定程度上減少溢流跑粗，但分離精度仍然有待提高。為進(jìn)一步提高旋流器的分離精度，本文提出了一種錐形漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器，并通過(guò)對(duì)粉煤灰的分級(jí)試驗(yàn)，深入研究其分離性能。

1 漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器

1.1 分離機(jī)理

漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，不同于傳統(tǒng)旋流器的圓柱形進(jìn)料筒體，漸擴(kuò)式進(jìn)料體筒體上端采用小直徑圓筒，在與錐段連接處仍為旋流器主體直徑的筒體，中間通過(guò)漸擴(kuò)式的倒錐結(jié)構(gòu)連接成整個(gè)進(jìn)料體筒體。在進(jìn)料口位置，該進(jìn)料體筒體直徑小于傳統(tǒng)旋流器筒體直徑，可以有效控制短路流的產(chǎn)生。相同給料工況下，在同一軸向位置處，漸擴(kuò)式筒體比傳統(tǒng)柱形筒體的直徑小，使得其內(nèi)部流體具有更高的軸向速度和切向速度。由于切向速度決定著旋流器中心離心力場(chǎng)的強(qiáng)度，因此更高的切向速度以及漸擴(kuò)式筒體可以促進(jìn)固體顆粒被快速分離，而軸向速度的提高可以使礦漿在錐形筒體的導(dǎo)流作用下快速遠(yuǎn)離溢流管，減少短路流的產(chǎn)生[6]。

圖1 漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

以粉煤灰分級(jí)為目的設(shè)計(jì)了漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器，根據(jù)處理量及分級(jí)粒度要求，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)物料及試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)用物料為火力發(fā)電廠煙道中收集的粉煤灰，其主要成分為SiO2和Al2O3，原灰含硫量小于3%，燒失量小于5%。經(jīng)激光粒度儀粒度檢測(cè)，其中粒徑小于13μm(-1000目)的產(chǎn)率占35.3%，粒徑小于45μm(-325目)的產(chǎn)率占69.43%，粒徑小于75μm(-200目)的產(chǎn)率占84.71%，可知粉煤灰中細(xì)顆粒所占比例最大。

2.2 試驗(yàn)裝置

漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，其裝置主要由攪拌槽、管路系統(tǒng)、渣漿泵、壓力表及水力旋流器5部分組成。礦漿在攪拌桶內(nèi)攪拌均勻后，由渣漿泵送入旋流器進(jìn)行分離，經(jīng)分離后的細(xì)顆粒從溢流管排出流回?cái)嚢柰?，粗顆粒從底流管返回?cái)嚢柰?，形成一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)。在旋流器的入口處設(shè)有采樣支管，以進(jìn)行采樣分析。

圖2 漸擴(kuò)進(jìn)料體旋流器試驗(yàn)平臺(tái)

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用控制變量法研究漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)(底流口)、操作參數(shù)(壓力)以及物性參數(shù)(給料濃度)對(duì)粉煤灰分級(jí)效果的影響。用天平稱取一定質(zhì)量的粉煤灰與水配成一定質(zhì)量濃度(16%～28%)的礦漿，通過(guò)調(diào)節(jié)回流閥的開(kāi)度控制入口流量進(jìn)而改變壓力(0.02M～0.06MPa)，確定底流口直徑(12～20mm)。在固定其它參數(shù)不變的基礎(chǔ)上只改變其中某個(gè)參數(shù)，同時(shí)記錄流量變化并取樣。采用過(guò)濾稱量法對(duì)所取樣品進(jìn)行濃度分析，并計(jì)算產(chǎn)率。用激光粒度儀BT-9300S分析取樣粒度組成，由下式計(jì)算綜合分級(jí)效率，研究分析各參數(shù)的變化對(duì)分離性能的影響。

E漢

式中：E漢為漢考克綜合分級(jí)效率，%；α為給礦中計(jì)算級(jí)別含量，%；β為溢流中計(jì)算級(jí)別含量，%；θ為沉砂中計(jì)算級(jí)別含量，%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 底流口對(duì)分級(jí)性能的影響

在工業(yè)生產(chǎn)中，底流口是最易調(diào)節(jié)并且對(duì)旋流器分級(jí)性能影響最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，試驗(yàn)首先研究底流口參數(shù)對(duì)分級(jí)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)給料濃度16%，入口壓力0.06MPa，采用不同底流口直徑(12～20mm)分別進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比溢流和底流濃度、產(chǎn)率、粒度和級(jí)效率等方面的變化規(guī)律。

底流口直徑與產(chǎn)物濃度的關(guān)系如圖3所示，當(dāng)?shù)琢骺谥睆皆龃?，溢流濃度變化不大，底流濃度僅從65.15%減小到55.56%。由圖4中底流口直徑與產(chǎn)率的關(guān)系可看出，底流產(chǎn)率由29.01%升高到38.28%；這是由于底流口直徑增大，分離粒度減小，底流產(chǎn)物分配量增大，大量的粗顆粒從底流排出，其中混雜有較多細(xì)顆粒，因而造成溢流和底流粒度都變細(xì)。這一點(diǎn)也可從圖5中底流口直徑與-45μm含量的關(guān)系可看出，即底流口直徑增大，溢流和底流中-45μm含量均有所提高。就特定粒級(jí)的分級(jí)效率而言，如圖6所示，對(duì)于10～60μm的顆粒，分級(jí)效率隨底流口增大而明顯增大，而對(duì)于小于10μm和大于60μm的顆粒，底流口增大對(duì)分級(jí)效率的影響則不明顯。

圖3 底流口直徑與產(chǎn)物濃度的關(guān)系

圖4 底流口直徑與產(chǎn)率的關(guān)系

圖5 底流口直徑與-45μm含量的關(guān)系

圖6 底流口直徑與各粒級(jí)綜合分級(jí)效率的關(guān)系

、3.2 壓力對(duì)分級(jí)性能的影響

試驗(yàn)確定給料濃度為20%，由底流口試驗(yàn)確定底流口為Φ18mm，調(diào)節(jié)給料壓力進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析產(chǎn)物濃度、產(chǎn)率、粒度以及分級(jí)效率的變化規(guī)律。

給料壓力對(duì)產(chǎn)物濃度、壓力和-45μm含量的關(guān)系如圖7～9所示，表明給料壓力增大，對(duì)溢流影響較小，溢流濃度和粒度均變化不大，-45μm含量沒(méi)有明顯變化；底流濃度從40.38%升高到54.56%，產(chǎn)率先由35.15%減小到31.6%，當(dāng)壓力超過(guò)0.04MPa后趨于穩(wěn)定，底流粒度明顯增大，-45μm含量由40.92%減小到35.74%。從圖10中可看出各粒級(jí)分級(jí)效率隨壓力升高而增大，這是因?yàn)閴毫ι?，物料流速增大，旋流器?nèi)離心力場(chǎng)增強(qiáng)，顆粒分離效果加強(qiáng)。

圖7 給料壓力與產(chǎn)物濃度的關(guān)系

圖8 給料壓力與產(chǎn)率的關(guān)系

圖9 給料壓力與-45μm含量的關(guān)系

3.3 濃度對(duì)分級(jí)性能的影響

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于礦漿物料沉降及顆粒分散不均勻，導(dǎo)致給料濃度往往在一定范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)對(duì)旋流器分離性能有較大影響。結(jié)合底流口試驗(yàn)和壓力試驗(yàn)，確定底流口為Φ18mm，給料壓力為0.06MPa，改變給料濃度，分析分離性能。

從圖11、圖12和圖13中給料濃度對(duì)分離結(jié)果的關(guān)系可看出，給料濃度增大，溢流濃度從11.96%升高到23.14%，-45μm含量由88.73%降低到82.9%；底流濃度從58.53%升高到62.32%，產(chǎn)率由39.35%減小到30.55%，-45μm含量減少。圖14中顯示各粒級(jí)分級(jí)效率隨濃度增大而減小且趨勢(shì)明顯。這是因?yàn)殡S給料濃度的升高，礦漿的密度和粘度都增大，流體粘滯阻力增大，必然導(dǎo)致分級(jí)粒度變粗，分級(jí)效率下降。

圖10 給料壓力與各粒級(jí)綜合分級(jí)效率的關(guān)系

圖11 給料濃度與產(chǎn)物濃度的關(guān)系

3.4 分離粒度

綜合上述試驗(yàn)因素，在底流口直徑為Φ18mm，壓力為0.06MPa，給料濃度為16%時(shí)，底流產(chǎn)率為35.62%，由物料平衡計(jì)算各粒級(jí)組成及粒級(jí)分配率如表2，粒級(jí)分配曲線見(jiàn)圖15?？芍o料中+180μm顆粒全部進(jìn)入底流，由圖15可看出溢流和底流分配率均為50%的分離粒度d50為54μm，經(jīng)計(jì)算可得-54μm顆粒的分級(jí)質(zhì)效率為49.50%，量效率為88.66%。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)的漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器進(jìn)行細(xì)粒級(jí)粉煤灰分級(jí)試驗(yàn)，底流產(chǎn)率達(dá)到35.62%，分離粒度d50為54μm，且-54μm顆粒的分級(jí)質(zhì)效率為49.50%，量效率為88.66%。

2)漸擴(kuò)式進(jìn)料體旋流器隨著底流口直徑增大，底流濃度減小、產(chǎn)率升高、粒度變細(xì)，分級(jí)效率明顯增大；隨著壓力增大，溢流濃度減小，底流濃度明顯升高，分級(jí)效率升高；隨著給料濃度增大，溢流和底流濃度都升高，底流產(chǎn)率減小，分級(jí)效率降低。

圖12 給料濃度與產(chǎn)率的關(guān)系

圖13 給料濃度與-45μm含量的關(guān)系

圖14 給料濃度與各粒級(jí)綜合分級(jí)效率的關(guān)系

圖15 粒級(jí)分配曲線圖

表2 粒級(jí)組成及粒級(jí)分配率

3)當(dāng)?shù)琢骺谥睆綖棣?8mm，壓力為0.06MPa，給料濃度為16.69%時(shí)，溢流粉煤灰-45μm含量達(dá)到88%以上，符合粉煤灰一級(jí)灰細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

[1] 龐學(xué)詩(shī).水力旋流器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2010：46-72.

[2] 禇良銀，羅茜.高分離精度的水力旋流器的開(kāi)發(fā)[J].流體機(jī)械，1994，22(6)：3-6.

[3] 王光風(fēng)，李峻宇，邵國(guó)興.環(huán)流旁路旋流器的分級(jí)試驗(yàn)與理論研究[J].化工機(jī)械，1991，18(6)：1-7.

[4] Kuo-Jen Hwanga，Ya-Wen Hwanga，Hideto Yoshidab，et al.Improvement of particle separation efficiency by installing conical top-plate in hydrocyclone[J].Powder Technology，2012，232：41-48.

[5] B.Wang，A.B.Yu.Numerical study of the gas-liquid-solid flow in hydrocyclones with different configuration of vortex finder[J].Chemical Engineering Journal，2008，135：33-42.

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Experimental research on the classification performance of the hydrocyclone with conical feed part

LIU Pei-kun，JIANG Lan-yue，YANG Xing-hua，ZHANG Yue-kan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

The overflow granularity often became coarse when fine particles were classified in a hydrocyclone.In order to solve this problem，a new type of hydrocyclone with conical feed part was put forward and an experimental study on its separating performance for fly ash grading was carried out.Different structural and operating parameters including the apex diameter，the inlet pressure and the feed concentration have been used in the experiments.The experimental results show that，as the apex diameter increases，the underflow concentration decreases but the productive rate increases，and the comprehensive classification efficiency is improved obviously.When the inlet pressure increases，the overflow concentration decreases while the underflow concentration and the classification efficiency increases at the same time.However，compared with the increasing overflow and underflow concentration，both the underflow production rate and the classification efficiency gradually decrease with the increase of feed concentration.In conclusion，the grading granularity d50is 54μm，and the classification efficiency reaches 88.66% by quantity and 49.50% by quality when the apex diameter is 18mm，the inlet pressure is 0.06MPa and the feed concentration is 16%.Moreover，the -45μm particle content is above 88%，which meets the requirement of the first grade fly ash standard well.

hydrocyclone；conical feed part；experimental research；classification efficiency

2015-01-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于Y型溢流管結(jié)構(gòu)的疏浚旋流器分離機(jī)理研究”資助(編號(hào)：21276145)

劉培坤(1971-)，男，教授，主要研究方向?yàn)楣桃悍蛛x技術(shù)與裝備。E-mail：lpk710128@163.com。

TD98

A

1004-4051(2015)12-0099-05