新型煤炭浮選機結構優(yōu)化設計研究

荀 帥

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司選煤廠， 山西 呂梁 033200）

引言

隨著社會的不斷發(fā)展，對能源需求量的增加，要求煤礦企業(yè)在整個煤炭開采過程中的各個環(huán)節(jié)都要提高工作效率。通過浮選工作可以將煤炭的細膩顆粒進行篩選，使真正有效的煤炭物料能夠應用于實際使用當中。目前常用的煤炭浮選機設備主要分為機械式浮選機、噴射式浮選機以及浮選柱式等三種浮選方式[1]。隨著煤炭開采量的增多，對浮選設備的機械化性能和浮選性能的要求進一步提高，現(xiàn)有的浮選設備無法有效滿足目前的煤炭行業(yè)開采現(xiàn)狀，造成了煤炭開采使用效率不高，形成了自然能源的浪費。此外，機械式浮選機設備對于極小的粉塵級顆粒無法有效排除掉，對于一些使用煤炭進行生產的發(fā)電廠和化工廠的生產過程造成了不利的影響。因此，結合目前浮選機設備結構的不足之處，通過對現(xiàn)場實際工作情況的觀察，將機械式、噴射式浮選機進行結合，設計出新型的浮選機結構，各取兩種浮選機結構的優(yōu)點，通過有限元數值分析軟件對新型浮選機工作性能進行模擬分析[2]。研究成果可為煤炭行業(yè)浮選設備的結構設計提供思路。

1 常用浮選設備分析

目前，煤礦行業(yè)常用的機械式浮選機、噴射式浮選機以及浮選柱式等三種結構形式的浮選機均具有各自的結構特點以及優(yōu)缺點，具體總結如表1所示[3]。

通過表1可以得出機械攪拌式及噴射式浮選機在結構上有共同點。它們的浮選工作腔體都分為三個工作區(qū)，分別為：漿氣混合區(qū)、浮選區(qū)、刮泡區(qū)。在漿氣混合區(qū)內通過氣體高速流轉形成紊流狀態(tài)，兩者的內部槽體結構相似，但有一定結構的不同，結合兩種浮選機結構形式設計出新型的浮選機結構。

表1 常用浮選機設備優(yōu)缺點統(tǒng)計表

2 新型浮選機設計思路

通過對機械攪拌式及噴射式浮選機在結構優(yōu)缺點方面的分析，應將兩者結構優(yōu)勢進行互補，新型浮選機結構應充分結合優(yōu)勢特點，在此基礎上得出的新型浮選機應具有以下優(yōu)勢[4]：

1）工作性能穩(wěn)定，不會隨著工作過程的進行產生性能方面的波動；

2）應保證礦物漿液氣體能夠充分混合，并保證混合濃度的均勻性；

3）工作腔內流體流場盲區(qū)較??；

4）工作負荷較大，能夠對大規(guī)模煤炭量進行處理；

為實現(xiàn)以上結構方面的優(yōu)化改進，主要對“葉輪-定子”結構進行研究分析，通過對“葉輪-定子”結構在流場方面的工作狀態(tài)模擬，優(yōu)化“葉輪-定子”結構模型參數以設計出新型浮選機的結構。

3“葉輪-定子”結構參數設計

3.1 結構要求

煤炭浮選機的“葉輪-定子”結構是影響其浮選性能的關鍵結構。結合機械攪拌式、噴射式浮選機的“葉輪-定子”結構，選取兩者結構的優(yōu)良部件進行組合，通過調研市場設備資料信息，選取XJA-S25型機械攪拌式浮選機以及FJA22型噴射式浮選機為新型浮選機的設計提供參考[5]。

要求新型浮選機的煤炭處理量為70 t/h左右，精煤產率在85%左右。新型浮選機對于煤炭顆粒的精選粒級為 0～0.8 mm，質量濃度應該保持在80～190 g/L，針對不同類型的煤炭漂浮顆粒有較強的適應性。

3.2 參數選取

通過對XJA-S25型機械攪拌式浮選機和FJA22型噴射式浮選機實際參數的考慮，將“葉輪-定子”結構選取的參數如下[6]：

1）葉輪直徑為125 mm；

2）葉輪與定子結構直徑之比為1∶1.2；

3）定子與葉輪的軸向間隙為5 mm；

4）定子與葉輪的徑向間隙為5 mm；

5）定子內圓直徑為137mm，外圓直徑為189mm；

6）根據XJA-S25型機械攪拌式浮選機的導向葉片夾角取值范圍，將新型浮選機的向葉片夾角設置為60°，選取導向葉片的個數為18個。

4 仿真模型建立

通過PRO/E三維建模軟件對“葉輪-定子”結構的模型進行建立，去除零碎部件提高有限元仿真工作效率，并將零碎部件按實際重量對整體結構進行配重，以保證仿真的精確性。將PRO/E與仿真軟件ANSYS進行數據連接通訊，在ANSYS軟件中對“葉輪-定子”結構進行網格單元的劃分，選取6節(jié)點4節(jié)面的SOLID45號網格單元，通過網格劃分后的網格數量為71 183個，網格單元示意圖如圖1所示。

將已劃分好的“葉輪-定子”結構網格模型與浮選槽進行匹配，如圖2所示。按照實際工況條件施加載荷并設置模型的邊界條件。設置液相、氣相密度，并定義重力加速度為9.81 m/s2，氣含率設為0.25，氣液相速度設為1.42 m/s.

5 結果求解分析

5.1 湍流強度對比分析

將新型浮選機、XJA-S25型機械攪拌式浮選機、FJA22型噴射式浮選機仿真結果計算的湍流強度進行對比分析，如圖3所示。

由圖3可知，新型浮選機湍流強度與原有結構相比數值有明顯的下降，通過數據提取數值，數據下降率為33.41%，說明工作槽內湍流強度在下降的同時也確保了內部湍流狀態(tài)的穩(wěn)定性，湍流分布更加均勻，新型浮選機結構的設計起到了明顯的效果。

5.2 液氣相運行速度對比分析

如圖4可知，新型浮選機內部結構的液氣相運動速度相比于機械攪拌式、噴射式的速度分布云圖來說更加集中于工作槽的中部，將最大速度位置優(yōu)化為結構的中部，減小了物料顆粒最大速度值，下降比例為31.29%，減小了工作槽的振動，延長了工作槽使用的壽命，并且提高了物料浮選的工作效率。說明新型浮選器結構能夠使物料顆粒的運動速度放緩，充分使物料顆粒得到了攪拌，使各個物料顆粒的分布運動更加均勻。

圖1“葉輪—定子”結構網格示意圖

圖2 浮選機工作槽網格模型示意圖

圖3 湍流強度進行對比分析云圖

圖4 液氣相運行速度進行對比分析云圖

6 結語

通過將XJA-S25型機械攪拌式浮選機與FJA22型噴射式浮選機結構進行結合，選取兩種浮選機結構的優(yōu)點進行新型浮選機結構設計。通過數值模擬技術結果顯示新型浮選機結構的流場分布規(guī)律符合浮選機內作用區(qū)的分布特征，在定子蓋板以下的漿氣混合區(qū)礦漿的紊流比較大，存在較多的渦流，利于礦化氣泡的形成。在浮選區(qū)和刮泡區(qū)礦漿流速較小，流場較為穩(wěn)定，處于層流狀態(tài)。研究成果為浮選機設備結構優(yōu)化設計提供了思路。