XJM-KS型浮選機礦化器負壓產(chǎn)生機理研究

楊茂青

(1.天地科技股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063000)

浮選礦漿預礦化是浮選過程的重要預處理流程，其效果直接影響浮選效果[1]。隨著井下綜采設備的普及，選煤廠入洗原煤中細煤的比例不斷上升所帶來的迫切需求推動浮選設備大型化的發(fā)展，XJM-S型浮選機的單槽容積急劇增大，與之配套的傳統(tǒng)機械攪拌式礦漿預處理器的設備體積也隨之增加，需要占用更多的廠房面積以及土建投資。XJM-S型浮選機配套的礦化器是一種緊湊型的浮選礦漿預處理器，基于文丘里原理，利用高速流體的卷吸效應吸入空氣及浮選藥劑并將其與礦漿混合的浮選預處理裝置。該裝置與浮選機集成后相比傳統(tǒng)的浮選礦漿預處理設備，能夠減少70%的占地面積和50%的設備投資，已在國內(nèi)的各大選煤廠廣泛應用[2]。

1 礦化器原理

礦化器結(jié)構如圖1所示，噴射裝置由聚焦式布置的多個噴嘴組成，如圖2所示，該裝置內(nèi)部無旋轉(zhuǎn)組件，具有體積小、結(jié)構簡單、高密封性、高可靠性以及成本低廉易維護等特點。其工作原理為浮選礦漿經(jīng)過給料泵加壓，以一定的速度進入穩(wěn)壓室中進行穩(wěn)壓，保證噴射裝置的工作壓力穩(wěn)定，隨后通過噴射裝置將浮選礦漿的靜壓轉(zhuǎn)化為動壓形成高速射流，通過高速射流在喉管中的卷吸效應吸入空氣和浮選藥劑[3]。

在喉管中的流場特征主要有三個方面[4]：①空氣被高速射流切割為細小的氣泡彌散在礦漿中；②浮選藥劑在高速射流的剪切作用下形成微小液滴分散在礦漿中；③在高速射流形成的湍流場中增大微小的氣泡和藥劑液滴與有用礦物顆粒的碰撞概率，提高其選擇性吸附，完成浮選礦漿的預礦化[4]。隨后，礦漿進入擴散管和緩沖箱進入后續(xù)的浮選作業(yè)。

1—入料管；2—穩(wěn)壓室；3—吸氣管；4—噴射裝置；5—吸入室；6—喉管；7—擴散管；D1—噴嘴出口面積；D2—喉管直徑；Q1—被吸入流體流量；Q2—被工作流體流量；P1—入料壓力；P2—空氣入口壓力；P3—喉管處壓力圖1 礦化器結(jié)構與參數(shù)示意圖

圖2 噴射器結(jié)構示意圖

此前已有學者研究了相關結(jié)構參數(shù)對礦化器工作效率的影響[5]。龍心平等[6]研究了喉管長度對射流泵性能的影響，研究結(jié)果表明，喉管的長度越長，射流的拓展與混合能力越強，但射流的動能損失也隨之增加，最佳的喉管長徑比系數(shù)為2.69。黃明全等[7]研究了噴射泵在大面積比下結(jié)構參數(shù)對其性能的影響，并根據(jù)統(tǒng)計學分析確定各項參數(shù)影響的重要程度。Kwon等[8]運用數(shù)值分析研究了不同流量比的條件下混合室形狀對泵性能的影響，研究結(jié)果表明當混合室收斂角為12°時效率最高。高波等[9]通過FLUENT對射流裝置進行流態(tài)模擬，研究射流速度與負壓值的關系和射流器噴嘴直徑與負壓值的關系，研究結(jié)果表明，噴射器的負壓值大小與射流速度有直接關系，射流的速度越高，產(chǎn)生的負壓值越大。

目前對礦化器的相關研究還停留在初級階段，仍然以宏觀認識為主，尚未形成成熟的理論基礎與經(jīng)驗量化。因此，本文借助FLUENT軟件對礦化器的內(nèi)部流場特征進行探索與分析，為礦化器的優(yōu)化設計與完善提供了理論基礎與方向。

2 性能方程與控制方程

2.1 性能方程

礦化器參數(shù)見圖1。礦化器的性能方程一般是由一組無因次因素方程組來表示的[10]：

h=f(m，q)

(1)

式中，h為壓力比；m為面積比；q為流量比。

礦化器效率η的定義是在同等條件下，工作流體與引入流體在喉管內(nèi)混合，工作流體失去能量，引入流體得到能量的過程[11]，是吸入空氣得到的能量與礦漿射流失去的能量之比[3]，其表達式為：

根據(jù)以上的礦化器性能方程與效率表達式，可以得出其性能方程為壓力比h、流量比q和面積比m之間的關系，任意兩個確定的參數(shù)均可轉(zhuǎn)化為第三個物理量。因此，當給定一個面積比m后，便可通過求解線性方程組得到不同流量比q下的壓力比h的數(shù)值，同時可由壓力比h與流量比q之間的關系求出對應的礦化器的效率值。

2.2 控制方程

在礦化器的數(shù)值模擬中采用的不可壓縮流體的定常態(tài)分析，滿足Navier-Stokes方程，同時涉及到兩相流的相互混合作用[12]，而且內(nèi)部流動處于湍流狀態(tài)，需要符合組分守恒方程和湍流運輸方程，因此控制方程組需滿足以下條件。

1)質(zhì)量連續(xù)性方程：

式中，ρ為流體密度；t為時間；Ux、Uy和Uz為流體速度在x，y和z軸方向的分量。

2)動量守恒方程：在不可壓縮流體的運動場中需要滿足在x，y和z軸方向滿足動量守恒的條件：

式中，p為流體控制微元上的壓力；τ為控制微元表面的粘性應力張量；F為微元上的體積力。

3)湍流控制采用Launder和Spalding在1972年提出的標準k-ε湍流模型，在該模型中，湍流粘度μ的表達式如下[13]：

式中，Cμ為經(jīng)驗系數(shù)；k為湍流動能系數(shù)；ε為湍流耗散率。

對于定常、不可壓縮流的計算，湍動能系數(shù)k和湍流耗散率ε應滿足以下條件，

3 流體域建模與網(wǎng)格劃分

3.1 流體域建模

本文以XJM-KS4型浮選機配套的礦化器為研究對象，采用商用三維建模軟件Cero6.0進行礦化器流體域建模，其主要結(jié)構參數(shù)為：入料管長度100mm，入料管內(nèi)徑150mm；噴射器為聚焦式布置，包含4個噴嘴，噴嘴入口直徑85mm，出口直徑28mm，噴嘴長度190mm，收斂角8.5°；混合室收斂角15°；喉管長度400mm，管內(nèi)徑200mm；擴散管長度1200mm，擴散角2.5°，流體域模型如圖3所示。

圖3 流體域模型

3.2 礦化器流體域網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Mesh模塊進行礦化器流體域的網(wǎng)格劃分，采用與流體方向相對應的六面體為主的混合網(wǎng)絡進行整體劃分，全局網(wǎng)格尺寸設置為10mm，并且對礦漿入料管和吸氣管進行掃掠處理，對噴嘴處的網(wǎng)格進行加密，以加強計算精度，最后生成網(wǎng)格396462個，如圖4所示。

圖4 流體域網(wǎng)格示意圖

3.3 網(wǎng)格無關化驗證

礦化器流體域網(wǎng)格的無關性以空氣吸入口的負壓值為驗證參數(shù)，分別設定全局最大網(wǎng)格尺寸為20mm、18mm、15mm、12mm、10mm、8mm和5mm，得到的網(wǎng)格數(shù)量分別為約15萬，16.5萬，20萬，27.6萬，39.6萬，132.3萬和218萬。以總體網(wǎng)格單元數(shù)作為橫坐標，以空氣吸入口出的負壓值為縱坐標繪制曲線，如圖5所示，當網(wǎng)格數(shù)量大于20萬時，空氣入口處的負壓值趨于穩(wěn)定，說明當全局網(wǎng)格尺寸設置小于15mm時，計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，故在本文中，全局最大網(wǎng)格尺寸設定為10mm。

圖5 網(wǎng)格數(shù)量與負壓關系圖

4 控制方程離散與數(shù)值計算分析

4.1 計算模型與邊界條件設置

本文中，數(shù)值計算采用的是商用流體力學軟件ANSYS FLUENT。FLUENT軟件中提供三種多相流計算模型，分別是VOF模型、Mixture模型和Euler模型，其中Mixture模型把多相流看作是一個整體，對多相流的動量方程進行求解，因而在礦化器這種靠流體摩擦交換動量，以礦漿射流為動力吸取外界空氣的裝置中，選擇Mixture模型具有較高的計算精度[14]。本次數(shù)值模擬的是與射流有關的多相流場，采用k-epsilon RNG的湍流模型進行求解，近壁面處理采用標準壁面法則(standard wall functions)，在該條件下的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗室的實驗結(jié)果最為相近。此外，為了更精確計算多相流分布，控制方程采用有限差分法，結(jié)合FLUENT求解器中的SIMPLE算法耦合壓力場與速度場。

邊界條件設置對流場模擬的準確性至關重要，XJM-KS4型礦化器的工作過程中，浮選礦漿經(jīng)過給料泵加壓以一定的流量給入穩(wěn)壓室，故礦化器入口采用速度入口邊界。在實際應用中礦化器入料量為120～130m3/h，入料管徑為150mm，入口的礦漿流速經(jīng)過計算取2m/s?？諝馊肟诓捎米匀涣魅肴肟跅l件，其流速與壓力通過空氣的吸入量決定。氣液兩相流的出口條件設置為壓力出口條件，使得求解過程的收斂精度更佳。礦化器的擴散管通過入料緩沖箱與浮選機的一室液面聯(lián)通，因此出口壓力設置為1m液面高度的壓力，即1×104Pa。本研究采用的無滑移絕熱壁面條件，壁面處的礦漿流速為0。

4.2 計算結(jié)果分析

礦化器在工作中涉及到液體與氣體的兩相流的混合以及動量交換，噴嘴出口處的高速射流通過摩擦卷吸效應將射流附近的空氣帶走，從而產(chǎn)生負壓吸入外界空氣。礦化器軸對稱面壓力及速度分布如圖6所示，由圖6可以看出，壓力由穩(wěn)壓室到噴嘴出口處急劇下降，位于混合室噴嘴的出口處射流的流速最大，卷吸力最強，產(chǎn)生的負壓值最大能夠達到-2.43×104Pa，在吸氣管內(nèi)負壓逐漸下降，在空氣入口處的負壓值為-1.75×104Pa，噴嘴出口處到喉管入口處的壓力處于最低并且低于大氣壓力；當混合流體進入喉管后，壓力開始逐漸升高，前半段的壓力上升速度較快，后半段流體壓力趨于平緩，說明混合流體經(jīng)過擴散，兩相流進行充分混合以及動量交換，流體的動壓轉(zhuǎn)換為靜壓，因此在噴嘴處能達到的最小壓力是決定礦化器性能好壞的重要參數(shù)。進入擴散管后，隨著截面面積逐漸擴大，混合流的流速逐漸下降，與此同時壓力逐漸升高，在出口處，礦漿靜壓達到出口壓力排出礦化器。

圖6 礦化器軸對稱面壓力及速度云圖

噴嘴中心軸壓力-速度分布如圖7所示，穩(wěn)壓室底部噴嘴入口處的壓力為1.05×105Pa，流速為2.05m/s，噴嘴出口處的流體速度最高，為14.8m/s。圓錐形噴嘴將高壓低流速的流體轉(zhuǎn)化為低壓力高流速的流體，壓力與速度呈現(xiàn)出近似于線性的關系，其流速的大小取決于噴嘴出口截面前后的壓力差。與傳統(tǒng)的單噴嘴噴射器相比，在同樣的面積比的條件下，多噴嘴噴射器能夠增大礦漿射流與空氣的接觸面積，從而加快能量的交換速度，從而能夠提高射流的卷吸效率。四個噴嘴的速度曲線趨于一致，重合度極高，說明噴嘴入料均勻，工況穩(wěn)定。

圖7 四噴嘴軸心速度分布圖

4.3 礦化器效率計算

后處理軟件CFD-Post中，經(jīng)過數(shù)值查詢得到各個截面上流速與壓力分布如下：P1=1.11×105Pa；Q1=0.035m3/s；P2=-1.75×104Pa；Q2=0.0235m3/s；P3=-2.38×104Pa。

經(jīng)過計算可知礦化器的流量比q=0.0235/0.035=0.67，礦化器的工作效率η=7.6%。作為浮選礦化預處理設備，每立方米浮選礦漿射流能夠吸入0.67m3的外界空氣，與傳統(tǒng)的自吸空氣機械攪拌式的礦漿預處理設備相比，吸氣能力提高了50%～60%，其含氣量的大幅提高能夠增加氣泡與礦物顆粒之間的碰撞幾率，從而提高浮選入料的預礦化效果。

4.4 實際應用對比

介休長豐選煤廠和洪洞恒富煤化有限公司選煤廠經(jīng)過煤泥水系統(tǒng)改造升級后，將原有的XJM-S系列浮選機替換為XJM-KS系列浮選機。采用礦化器的XJM-KS浮選機與采用傳統(tǒng)機械攪拌式礦漿預處理器的XJM-S型浮選機使用效果對比，見表1。

表1 XJM-S與XJM-KS浮選機指標對比

由表1可知，在入料量和入料灰分不變的情況下，XJM-S型浮選機的尾煤灰分和精煤抽出率均低于XJM-KS系列浮選機。

4.5 改進建議

礦化器中心對稱截面的礦漿入料流線如圖8所示。因入料管位于穩(wěn)壓室的側(cè)面位置，為側(cè)向入口，浮選礦漿經(jīng)入料管進入穩(wěn)壓室后的流動呈現(xiàn)出不對稱性，一部分礦漿下沉流入噴射器入口，另一部分礦漿經(jīng)過穩(wěn)壓室側(cè)壁的反射在上部產(chǎn)生漩渦，這將導致流體耗散一部分動能，降低礦化器工作效率，因此在實際應用中，礦漿的入口應盡量采用穩(wěn)壓室頂部中心入料，提高穩(wěn)壓室的流場均勻性。

圖8 礦化器入料流線圖

5 結(jié) 論

1)本文采用數(shù)值模擬的方法闡述XJM-KS4浮選機礦化器的工作機理與內(nèi)部的流場特征，對礦化器的工作方式進行量化，通過模擬結(jié)果表明高速的礦漿射流能夠在混合室內(nèi)產(chǎn)生-2.43×104Pa的負壓區(qū)，從而吸入大量的空氣，與傳統(tǒng)的機械攪拌式礦漿預處理裝置相比能夠大幅度提高預礦化效果；

2)礦化器的側(cè)面入料會導致在穩(wěn)壓室內(nèi)產(chǎn)生上升渦流區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)，流體通過壁面反射產(chǎn)生的湍流將耗散一部分流體動能，從而降低噴射器出口處的流速，降低礦化器的工作效率，因此在實際工作中應盡量采取中心對稱入料的方式。

3)礦化器結(jié)構緊湊，與浮選機進行集成后能夠大幅節(jié)約廠房面積，在使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)機械攪拌式浮選機的前提下能夠減少全生命周期的使用維護成本。