基于窄通道的煤泥浮選混合藥劑流動特性研究

龔鵬鵬 馬紀(jì)龍 何思洋 陳文麗 王傳真 朱梁

摘要：本文運用高精度黏度檢測和CFD模擬，對不同藥劑比和溫度下混合藥劑黏度及其在加藥過程窄通道內(nèi)出口流速進行探究：1）相同溫度下，隨藥劑比增加，混合藥劑黏度逐漸降低;2）隨溫度增加，當(dāng)藥劑比小于5：1時黏度值呈正弦變化、大于5：1時則緩下降但降幅較小;3）窄通道內(nèi)藥劑出口速度隨黏度增大而降低。

關(guān)鍵詞：窄通道;浮選藥劑;流動特性;CFD仿真;蠕動加藥

1前言

礦物加工是煤炭資源高效利用的源頭技術(shù)，據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年我國煤炭產(chǎn)量近38.5億噸[1]。浮游選煤（簡稱“浮選”）是煤炭清潔利用的重要技術(shù)之一[2]?；谌鋭颖玫母∵x自動加藥裝置借助蠕動泵擠壓軟管窄通道實現(xiàn)浮選過程微小流量的藥劑添加[3]。然而，現(xiàn)場工業(yè)試驗中發(fā)現(xiàn)，由于冬夏溫差較大，在相同加藥控制策略（20℃室溫）下，呈現(xiàn)出明顯加藥量差異，大大限制了該加藥系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。為此，提出對捕收劑和起泡劑開展不同溫度下的藥劑混合黏度探索，并借助CFD仿真[4，5]探究不同黏度下藥劑流速變化規(guī)律。

2研究方法

2.1實驗裝置與步驟

1）首先，進行藥劑采集。對淮南礦區(qū)潘集選煤廠實地調(diào)研，采集了不同性質(zhì)的捕獲劑（柴油）2000ml和起泡劑（德國巴斯夫集團（BASF）藥劑）1000ml。

2）其次，配制不同配比浮選混合藥劑。

3）隨后，設(shè)置不同環(huán)境溫度。使用低溫恒溫水浴箱來設(shè)置不同的環(huán)境溫度設(shè)定溫度區(qū)間為0～35℃之間。

4）最后，進行黏度測定。使用高精度數(shù)顯黏度計，對第3）步中不同溫度下混合藥劑開展黏度測定。

2.2CFD仿真設(shè)置

本研究采用基于計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的流體仿真技術(shù)，對不同環(huán)境溫度下X型蠕動泵工作過程中，首先，構(gòu)建數(shù)值模擬幾何流域模型;其次，根據(jù)流體流動特征選擇合理的數(shù)值模擬模型;最后，設(shè)置合理的邊界條件并進行求解。

3結(jié)果與討論

3.1實驗結(jié)果

表1所示為本研究通過上述高精度黏度儀對不同藥劑比（捕收劑：起泡劑）的煤泥浮選混合藥劑在不同溫度下的粘度測量值。從該表中能夠明顯看出，同一溫度下隨著捕收劑和起泡劑的配比增加，黏度逐漸降低，最后大致穩(wěn)定在4mPa·s左右。

更進一步地，與上表對應(yīng)的混合藥劑黏度隨溫度變化趨勢、隨藥劑比變化趨勢分別見圖1和圖2。從圖1可以很直觀的得到，單一的捕收劑（1.0：0）其黏度隨著溫度增加其值下降較小（僅從3.77mPa·s降至3.04mPa·s）;與之不同的是，單一起泡劑（0.0：1）隨著溫度的增加并非線性變化而是呈現(xiàn)出一種正弦函數(shù)般的變化，且在10℃左右有一個黏度峰值（66.7mPa·s）。此外，從圖6可以更直觀的看出，在溫度一定的情況下，捕收劑和起泡劑配比低于5：1時隨著溫度的升高，黏度總體呈下降的趨勢;配比高于5：1時隨著溫度的升高，黏度幾乎不變（穩(wěn)定在4mPa·s），但單一起泡劑在10℃時出現(xiàn)了一個突變值（實驗測得的最高值66.70mPa·s）。對于這一現(xiàn)象我們推測：可能是起泡劑本身粘度值隨溫度呈某種正態(tài)分布且當(dāng)捕收劑和起泡劑比例到達一定程度（5：1左右）時，無論溫度怎么改變對他們的黏度幾乎沒有影響。我們假設(shè)在捕收劑和起泡劑的混合液中，當(dāng)捕收劑達到一定的濃度時會中和起泡劑，導(dǎo)致起泡劑中對決定黏度的某種物質(zhì)失效而呈現(xiàn)出捕收劑的黏度特性。

3.2仿真結(jié)果

如上所述，采用CFD對混合藥劑流動特性仿真，不同混合藥劑在不同溫度下的在相同邊界條件時，其所對應(yīng)的出口速度仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。需要說明的是，表2中各速度與表1的各黏度一一對應(yīng)，這里為了簡潔呈現(xiàn)，就沒有再次將黏度值列入。對比表1和表2，可以明顯看出一個相似的規(guī)律，這里為了更清晰的表述該規(guī)律，以20℃為例，對比該溫度下不同混合藥劑比的粘度值和出口速度值，可以明顯看出，隨混合藥劑粘度的降低（從32.2mPa.s降至3.3mPa.s），其對應(yīng)的窄通道內(nèi)出口速度在不斷增加（從0.0699m/s增至0.1799m/s）。

4結(jié)論

本文圍繞系統(tǒng)窄通道混合藥劑流動問題，結(jié)合高精度黏度檢測和CFD仿真模擬，深入探索了溫度、黏度和流速間的關(guān)系，通過上述研究可得：

1）相同溫度下，隨捕收劑和起泡劑的藥劑比增加，黏度逐漸降低;

2）隨溫度增加，當(dāng)藥劑比小于5：1時，其混合藥劑黏度值呈正弦變化，即先上升至某一峰值然后再下降，隨后再次小幅度增加最后再次下降;當(dāng)比值大于5：1時，其混合藥劑黏度變化緩慢下降但降幅較小;

3）隨黏度增加，混合藥劑在窄通道內(nèi)的出口速度減小，這意味著，對于不同環(huán)境溫度（尤其冬夏兩季），需綜合考慮溫度、藥劑比等因素來預(yù)測出口流速，進而針對性調(diào)整蠕動加藥系統(tǒng)實現(xiàn)精準(zhǔn)加藥。

致謝：感謝安徽理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目對本次研究的經(jīng)費支持。

參考文獻

[1]中華人民共和國自然資源部.中國礦產(chǎn)資源報告2020.地質(zhì)出版社， 2020：p.1.

[2]謝廣元.選礦學(xué)[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2016.

[3]鄭誠，鄧建軍，王傳真，等.基于蠕動泵的浮選自動加藥裝置設(shè)計[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2019，039（003）：128-131.

[4]魏文建、常守金、丁二剛、胡海濤.不同結(jié)構(gòu)風(fēng)冷換熱器風(fēng)側(cè)特性對比分析[J].制冷技術(shù)，2020，v.40;No.178（05）：57-61.

[5]鄭鵬帥.交錯疊加式微通道散熱器技術(shù)研究[D].中北大學(xué)，2019.