三錐角水介旋流器錐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及數(shù)值模擬

馬佳偉，崔廣文

(山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

粗煤泥高效回收利用是近幾年選煤行業(yè)的發(fā)展方向之一[1，2]。目前的粗煤泥分選設(shè)備有干擾床(TBS)、螺旋溜槽、水介質(zhì)分選旋流器、煤泥重介質(zhì)旋流器等。三錐角水介旋流器繼承了水介質(zhì)旋流器工藝簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、流程簡單、布置緊湊等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有較高的分選精度與較低的分選下限，且對于煤質(zhì)的適應(yīng)性較強(qiáng)?？勺鳛榇置耗喾诌x設(shè)備和原煤主選設(shè)備，也可以用于煤泥濃縮脫水，應(yīng)用前景廣闊[3-6]。

三錐角水介旋流器錐體是旋流分離的主要區(qū)域，錐體結(jié)構(gòu)的改變對分選效果影響較大[7，8]?？筛鶕?jù)煤泥性質(zhì)改變相對應(yīng)錐體參數(shù)，提升其煤質(zhì)適應(yīng)性。魏可峰等人通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著一段錐角逐漸增大，分離粒度逐漸增加，各粒級分離效率逐漸降低[9]；崔瑞等通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合錐角的水力旋流器具有更高的最大切向速度，可以降低分離粒度，提高分離效率[10]。

本文利用正交實(shí)驗(yàn)方案確定較優(yōu)的錐體參數(shù)，并通過CFD數(shù)值模分析錐體內(nèi)部流場壓力和速度變化規(guī)律以及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，從流場層面解釋錐體結(jié)構(gòu)參數(shù)對分選效果的影響和三段錐體的分選特點(diǎn)，為優(yōu)化三錐角旋流器結(jié)構(gòu)，提升分選效果提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

以筒體直徑100mm的三錐角水介旋流器為研究對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其溢流管直徑與旋流器筒體直徑之比偏大，溢流管下端與底流口距離較近；三段錐體結(jié)構(gòu)如圖2所示，每段設(shè)定不同的錐角，由第一段到第三段錐角逐漸減小，使物料在錐體區(qū)域得到充分反復(fù)分選，增強(qiáng)分選效果和分選精度。

圖1 三錐角水介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)圖

圖2 錐體結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)煤樣

試驗(yàn)煤樣來自山東新汶華豐煤礦，采自中煤泥高頻篩篩上，符合粗煤泥的性質(zhì)，為確保樣品代表性，在選煤廠正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行多次采集，并對所采樣品進(jìn)行混樣縮分。對煤樣進(jìn)行篩分和部分+0.20mm煤樣小浮沉試驗(yàn)，結(jié)果見表1和表2。

由表1可知，該煤泥中0.125mm以下各粒級含量均較少，-0.125mm粒級累計(jì)產(chǎn)率20.58%，屬于正?；祀s；0.9～0.125mm各粒級含量較高，為主導(dǎo)粒級，其中0.45mm～0.9mm含量最高，達(dá)到27.05%；從各粒級含量可知，煤樣中間粒級含量較多，兩端粒級含量較少，說明此粗煤泥可以采用水介旋流器分選；就灰分而言，各粒級灰分隨著粒級的減小而增加，各粒級累計(jì)灰分基本穩(wěn)定在30%左右，最終累計(jì)灰分為30.14%，說明該部分煤泥中含有大量精煤，需要分選才能達(dá)到要求。

表1 煤樣粒度組成

由表2可知，當(dāng)要求灰分10%時(shí)，可計(jì)算出精煤理論產(chǎn)率達(dá)62%，其中大于1.4g/cm3為主導(dǎo)密度級，含量48%；大于1.8g/cm3含量28.02%；中間密度級含量相對較低，低密度物和高密度物含量高，說明可以用水介旋流器分選得到低灰精煤；其中-1.5g/cm3累計(jì)產(chǎn)率59.21%，灰分僅9.23%，說明粗煤泥中含有較的精煤，有分選的必要性。

表2 +0.20mm粒級浮沉試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及借鑒文獻(xiàn)[11-13]，試驗(yàn)過程中設(shè)置三錐角旋流器的筒體高度100mm、溢流管插入深度50mm，溢流管直徑50mm，入料濃度150g/L，壓力80kPa保持不變。選取一段錐體、二段錐體和三段錐體3個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)考察。為了探究錐體結(jié)構(gòu)對三錐角水介旋流器粗煤泥分選的影響效果，加工設(shè)計(jì)了9個(gè)不同參數(shù)組合的錐體，每種因素各選取3個(gè)水平，因素水平設(shè)置見表3。選定L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在不改變?nèi)F角旋流器結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的條件下進(jìn)行，其分選流程如圖3所示。

表3 因素水平表

圖3 旋流器分選流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。極差可以表征因素變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度[14]，根據(jù)表4的溢流產(chǎn)率和溢流灰分計(jì)算出各因素各水平的極差，并劃分主次對實(shí)驗(yàn)因素各位級進(jìn)行極差分析計(jì)算，結(jié)果見表5。

表4 旋流器分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析 %

各個(gè)指標(biāo)的評定標(biāo)準(zhǔn)均為精煤產(chǎn)率和精煤灰分，且最終結(jié)果以灰分達(dá)標(biāo)為主。已知灰分要求為10.00%，因此在灰分達(dá)到要求的情況下，產(chǎn)率越高越好，從以上數(shù)據(jù)可以看出，一段錐體能夠獲得較低的精煤灰分，二段和三段錐體能在要求的灰分范圍內(nèi)保證較高的精煤產(chǎn)率。綜合考察以上三個(gè)指標(biāo)可以看出：三段錐角對分選效果都有影響，影響程度為一段錐體>二段錐體>三段錐體，二段錐體和三段錐體的影響程度差距不大。

對于錐體而言，可以看出一段錐體因素對灰分影響最大，極差高達(dá)4.39，角度為120°較為接近要求灰分；二段錐體和三段錐體的規(guī)律相似，不同錐角之間灰分相差不大，都滿足要求灰分，但中間角度錐體的灰分最接近灰分要求，且產(chǎn)率最高。說明當(dāng)一段錐體選擇120°，二段錐體選擇75°，三段錐體選擇25°時(shí)，此類粗煤泥分選效果最好，并將該參數(shù)的錐體命名為1#錐體。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬采用1#錐體的參數(shù)。首先將CAD構(gòu)建的旋流器三維模型導(dǎo)入ICEM-CFD軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示；設(shè)置旋流器入口速度為8m/s，入口壓力為80kPa；出口邊界的溢流比為0.901，底流比為0.099；旋流器器壁均設(shè)置為無滑移壁面。

圖4 三錐旋流器網(wǎng)格圖

在旋流器筒體部分和錐體部分選取6處橫截面與Y=0平面的交線作為特征線，6條特征線的長度依次為120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm，分別標(biāo)記為z-i(i=1、2、3、4、5、6)，其特征線如圖5所示。由于旋流器內(nèi)部的流場屬于典型的湍流，故選擇雷諾應(yīng)力RSM湍流模型對旋流器內(nèi)部清水場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析壓力場和速度場的變化規(guī)律。而固-液兩相模擬過程是穩(wěn)定流動(dòng)的，采用DPM離散相模型對三錐旋流器內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，確保流體模擬的準(zhǔn)確性。

圖5 Y=0平面上的特征線

3.1 壓力分布

壓力是旋流器分選中的重要參數(shù)，由于離心力的影響，壓力較小難以分離超微細(xì)顆粒，需要增大壓力提高分選效果[15]。三錐旋流器縱切面、橫切面壓力分布和Z軸不同位置處壓力隨半徑的變化情況如圖6、圖7所示。由圖6可知，壓力大小基本呈軸對稱，且沿半徑方向由筒壁到軸心處逐漸減?。挥蓤D7可知，壓力大小沿Z軸方向，自上而下逐漸減小，筒壁處壓力最大，軸線處壓力最小，形成中心負(fù)壓區(qū)，造成旋流器內(nèi)部流場中心區(qū)域湍流強(qiáng)度增加，顆粒在螺旋運(yùn)動(dòng)中所受離心力增強(qiáng)，更有利于物料的分散，使物料在錐體部分得到充分有效分選，因此1#錐體更有利于提高旋流器分選精度和分選效果。

圖6 壓力分布云圖

圖7 Z軸不同位置處壓力隨半徑的變化曲線

3.2 速度分布

3.2.1 切向速度分布

切向速度決定了顆粒在流場中所受的離心力大小，在三維液流運(yùn)動(dòng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，直接影響旋流器的分選效果[16]。三錐旋流器縱切面、橫切面切向速度分布和Z軸不同位置處切向速度隨半徑的變化情況如圖8、圖9所示。通過圖9可以直觀看出，切向速度大小基本呈軸對稱變化，其分布曲線呈“M”型，沿徑向方向由筒壁到軸心處逐漸增大，到達(dá)某一位置后開始減小，沿Z軸方向自上而下呈減小狀態(tài)，符合組合渦的分布規(guī)律。Z軸不同位置處，最大切向速度位置由靠近壁面處向中心方向移動(dòng)，主要集中于溢流管直徑所在位置，此時(shí)顆粒產(chǎn)生離心力最小，溢流中的細(xì)顆粒含量最多，溢流的產(chǎn)率和灰分也會(huì)相應(yīng)降低，故而分選效果最好。

圖8 切向速度分布云圖

圖9 Z軸不同位置處切向速度隨半徑的變化曲線

3.2.2 軸向速度分布

軸向速度決定流體在溢流口和底流口的走向，直接影響精煤產(chǎn)率。三錐旋流器縱切面、橫切面軸向速度分布和Z軸不同位置處軸向速度隨半徑的變化情況如圖10、圖11所示?？梢钥闯?，軸向速度絕對值沿軸線方向基本成對稱分布；Z軸不同位置處均呈現(xiàn)出這一變化規(guī)律。三錐旋流器內(nèi)部軸向速度為零處連接成一個(gè)面——零速包絡(luò)面[17]，其內(nèi)外分別是內(nèi)螺旋流器和外螺旋流，沿半徑方向，由外旋流逐步過渡到內(nèi)旋流的過程中，軸向速度先增大后減小為零，而后反向增大。零速包絡(luò)面位置較靠近旋流器壁面，錐體部分外螺旋流區(qū)域面積較小，內(nèi)螺旋流的軸向速度較大，顆粒受到向上的力大于向下的力，使得高密度粗顆粒物料更易從溢流口排出，溢流產(chǎn)率較高，灰分較高。

圖10 軸向速度分布云圖

圖11 Z軸不同位置處軸向速度隨半徑的變化曲線

3.3 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬

參照清水場的邊界條件和初始條件，引入惰性顆粒，總流量設(shè)置為0.5kg/s，顆粒的平均直徑設(shè)定為1mm，顆粒密度設(shè)置為1.35g/cm3，數(shù)量為2000，密度擴(kuò)散指數(shù)為3.5，得到三錐旋流器內(nèi)部縱切面顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示。從圖12中可以清晰地看出三段錐體對粗煤泥的分選效果。顆粒流向下運(yùn)動(dòng)過程主要為內(nèi)外螺旋流，經(jīng)過一段錐體時(shí)，大部分顆粒流運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，向錐體上部移動(dòng)，說明一段錐體對顆粒起到主要分選作用，可以得到較多的低灰分精煤；少量顆粒向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)二段錐體時(shí)，仍有部分顆粒運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，說明二段錐體對顆粒有一定的分選作用，主要作用于流經(jīng)一段錐體，而未經(jīng)有效分選的低密度顆粒進(jìn)一步分選隨內(nèi)螺旋排出，提高了精煤產(chǎn)率和精煤灰分；經(jīng)三段錐體運(yùn)動(dòng)時(shí)只有很少部分顆粒向上運(yùn)動(dòng)，說明三段錐體起到一定的分選作用，但是其作用沒有一段錐體和二段錐體明顯。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分選結(jié)果一致。

圖12 三錐旋流器縱切面顆粒速度矢量圖

4 結(jié) 論

1)當(dāng)選擇一段錐體角度為120°，二段錐體角度為75°，三段錐體角度為25°時(shí)，1#錐體對于此種粗煤泥分選效果最好。三段錐角對分選效果都有影響，影響程度為一段錐體>二段錐體>三段錐體；一段錐體能夠獲得較低的精煤灰分，二段和三段錐體能在要求的灰分范圍內(nèi)保證較高的精煤產(chǎn)率。

2)三錐旋流器內(nèi)部流場的CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際分選情況相對應(yīng)，證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。下一步可以借助數(shù)值模擬優(yōu)化旋流器的其他結(jié)構(gòu)。