朱宏政，李 甜，黃典強，邵善敏，徐文玉，李夢閃，楊璐映，王海楠

(1.安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.圣路易斯波托西自治大學 冶金研究所，墨西哥 圣路易斯波托西 78210)

近年來，隨著機械化采煤技術的廣泛應用以及原煤性質的不斷惡化，原煤中粘土類礦物含量不斷增大，此類礦物遇水極易碎散成高灰分細泥[1-2]，進入浮選系統后，極易粘附在煤表面競爭吸附藥劑，并影響煤與氣泡的直接接觸，造成浮選精煤產率低，灰分高，藥劑消耗量大等問題[3-5]。同時，隨著重介質選煤技術的發(fā)展，旋流器分選下限已低于0.25 mm[6]，0.5～0.25 mm粒級進入浮選系統，屬于重復分選，會造成藥劑浪費和精煤損失[7]。因此，將煤泥分為多個粒級進行精細化處理具有重要意義。

微細礦物顆粒的分級裝置主要有濃縮機和水力旋流器等。濃縮機是一種固液分離設備，我國上世紀先后有劇殿臣、江渭清、郭德[8-10]在杏花選煤廠、蘆嶺選煤廠、臨渙選煤廠等單位探索過通過控制濃縮時間和耙式濃縮機底流濃度來實現微細礦物顆粒的分級，并在實踐中取得了一定的效果，但分級效率不高；王永田、常延源、宋戰(zhàn)勝等[11-13]運用流體分析軟件建立了濃縮機內煤泥水沉降數值模型，并對流場進行了模擬計算，分析了流速場、濃度場和濃度分布，以及連續(xù)沉降數學模型；郭躍久、謝廣元、ZHANG等[14-16]利用實驗室研究模型，對不同傾斜板角度時的濃縮效率進行了研究分析，探索出濃縮效率與傾斜板角度之間的漸變規(guī)律。水力旋流器是一種利用離心力增大顆粒之間干擾沉降速度差異來實現分級的設備。魏德洲、韋魯濱、TANG等[17-19]建立了貼合實際的旋流器分離模型，對水力旋流器的分離粒徑、生產能力、底流質量分數等多個重要分離指標進行了模擬研究，同時對經驗模型和龐學詩法的準確性進行了對比分析；ZHAO、MA、KIM、WANG、蔡圃等[20-24]利用計算流體力學方法對水力旋流器內部流場分布、顆粒運動、速度梯度、分級效率等進行了全面分析。

國內外有學者針對煤泥顆粒的分級問題嘗試過創(chuàng)新。楊宏麗、樊民強[25]利用干擾沉降原理，針對浮選柱中礦循環(huán)量，設計了雙排尾重浮聯合分選機，并對分級曲線數學模型和分級分配率進行了推導和定量描述；位革老、劉文禮等[26]借鑒分級旋流器和大錐角水介質旋流器的優(yōu)點，提出兼具分級和分選功能的復合型煤泥旋流器，并利用Fluent 軟件計算出設備的切向速度、軸向速度和徑向速度，研究了裝置內的流場分布和運行參數；王冰、沈麗娟[27]利用不同粒級礦物顆粒干擾沉降速度的差異，設計了煤泥水整流脫泥槽裝置，利用圓管的整流作用，使物料分級，并通過實驗室試驗研究了操作參數對設備分級性能的影響。

然而，這些設備均存在占地面積大、煤泥過粉碎等弊端，且無法實現煤泥顆粒的連續(xù)分級。因此基于流體力學原理，提出了具有連續(xù)分級功能的煤泥水分級裝置，并對裝置的流體力學特征和分級效果進行了研究[28-31]。

1 煤泥水連續(xù)分級裝置原理和結構設計

大部分煤顆粒的灰分隨著粒度的減小而增加，不同粒級的煤顆粒干擾沉降末速不同，其中細顆粒干擾沉降末速較小，易隨上升水流溢出，可按斯托克斯公式計算顆粒的干擾沉降速度vg[32]：

(1)

式中：v0為自由沉降速度，m/s；n為濃度干擾指數；λ為固體容積濃度，%。

基于以上原理，設計了煤泥水連續(xù)分級裝置，結構如圖1所示。

1—入料槽；2—下降區(qū)；3—分級區(qū)；4—整流管束；5—隔板；6—底流口

煤泥水連續(xù)分級裝置由若干個高度不同的圓環(huán)柱體連接組成，在最外層的圓環(huán)柱體外側上方設置一個環(huán)形入料槽，在每一個圓環(huán)柱體內部設置隔板，隔板外側為下降區(qū)，內側為分級區(qū)；在分級區(qū)內設置整流管束，用于將煤泥水調整為層流狀態(tài)。在工作過程中，礦漿由入料槽溢入分級池，在沉降區(qū)，礦漿向下流動，受隔板粘滯阻力的影響，流態(tài)發(fā)生改變，調整為層流狀態(tài)，顆粒按其干擾沉降末速進行水力分級，粗顆粒沉降至底部排出，細顆粒隨著上升水流溢入下一個池體，逐級完成顆粒的分級。底流泵設有變頻調速器，通過調節(jié)底流量，間接調整分級粒度。

2 整流管束形狀選擇及流場分布

煤泥水經過整流管束流態(tài)控制為層流的主要原因是黏性的煤泥水通過整流管束時產生沿程損失，使其速度降低且方向一致，整流管束內沿程損失hf可按達西公式計算[33]：

(2)

式中：λ為沿程阻力系數；l為整流管束長度，m；d為整流管束當量直徑，m；v為煤泥水運動速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

在實際應用中，四邊形和六邊形管束易于加工和規(guī)則排列，因此對四邊形和六邊形整流管束裝置內流體力學特征進行分析。簡化后的裝置模型如圖2所示，結構參數見表1，利用Fluent軟件對模型進行數值計算[30]。

三要提高網絡化、信息化能力，成為網絡信息化建設的“內行”。我國網絡信息經濟和科技發(fā)展要實現“彎道超車”，關鍵要從領導干部自身做起，在綜合素質和執(zhí)政能力上來一次徹底的“網絡化”和“信息化”，努力提高對互聯網規(guī)律的把握能力、對網絡輿論的引導能力、對信息化發(fā)展的駕馭能力以及對網絡安全的保障能力，成為網絡強國建設和信息化建設的“內行”。準確把握互聯網發(fā)展及傳播規(guī)律，維護網絡秩序；牢牢掌控網絡輿論的話語權，形成正面的宣傳輿論；深入推進信息化建設，破解新問題、推動新發(fā)展；全面加強網絡安全檢查，感知網絡安全態(tài)勢，維護網絡空間安全。

圖2 簡化模型

截取z=0和y=75 cm截面，分析其流場分布和速度特征，結果如圖3、圖4所示。

表1 簡化模型結構參數

圖3 z=0截面速度云圖

圖4 y=75 cm截面速度云圖

由圖3可知，選取正四邊形或正六邊形管束時，分級裝置內的流體分布基本一致，在流體繞過隔板時，流體運動產生一定波動，在經過整流管束后，流場趨于均勻，有利于顆粒的分級，也同時驗證了設置整流管束的必要性。

由圖4可知，相比于正六邊形管束，選取正四邊形管束時，下降區(qū)流體運動速度略小，主要是正四邊形管束濕周大，產生的阻力大，流體運動受阻增大。在整流管束中，流體運動相似，受管束壁的粘性力作用，四周流體運動速度較小，管束中間較大。

選取部分管束中心線，其垂直于xz平面，在xz平面內投影坐標分別為line1(52.21，0)、line2(58.31，0)、line3(64.41，0)、line4(50.99，0)、line5(54.65，3.27)、line6(60.14，0)、line7(63.80，3.27)。對整流管束內流體運動參數進行計算，結果見表2。由表2可知，選取正四邊形或正六邊形管束時，流體流態(tài)均可控制為層流狀態(tài)。相比于正六邊形管束，選用正四邊形管束時，流體的最大運動速度較小，主要是因為正四邊形濕周產生的阻力大于正六邊形；正四邊形管束中雷諾數方差遠小于正六邊形管束，表明正四邊形管束中流場分布更均勻；正四邊形管束中沿程損失較大，表明在運動過程中，正四邊形管束對流體的阻力更大，有利于流體流態(tài)的調控。

表2 整流管束內流體動力學參數計算

3 分級效果研究

3.1 實驗室試驗

試樣選取望峰崗選煤廠浮選入料，分析其粒度與密度組成，結果見表3。

在實驗室研究模型中進行固體物含量為10%的煤泥水分級試驗，對分級試驗的入料、溢流和底流分別進行篩分試驗，試驗結果見表4。

表3 入料粒度組成

表4 分級試驗結果

由表4可知，產率總方差為6.596 5，灰分總方差為2.784 8，計算入料與實際入料吻合程度較好。因溢流不存在0.5～0.25、0.25～0.125 mm粒級礦物顆粒，所以分級效果較好；底流中部分<0.045 mm粒級未能脫除；值得注意的是，底流灰分比入料灰分降低了9.09個百分點，說明該裝置有一定的降灰作用。

3.2 模擬計算

(a) 0.5～0.25 mm (b) 0.25～0.125 mm (c) 0.125～0.075 mm (d) 0.075～0.045 mm (e) <0.045 mm

圖5 各粒級顆粒運動軌跡

Fig.5 Motion trajectory of each size fraction

由圖5可以看出，不同粒徑的礦物顆粒在分級裝置中的運動軌跡存在差異，粒徑較粗的0.5～0.25、0.25～0.125 mm粒級礦物顆粒均運動至底流口或集中于下降區(qū)，并未向溢流運動；0.125～0.075、0.075～0.045、<0.045 mm粒級的礦物顆粒部分運動至底流口，部分進入溢流。

由Fluent軟件導出相關參數，計算其產率，結果見表5[31]。

表5 分級試驗模擬結果

由表5可知：0.5～0.125 mm粒級礦物顆粒全部進入底流，分級效果好；0.125～0.075 mm粒級底流產率占該粒級的97.92%，分級效果較好；0.075～0.045 mm粒級底流產率占該粒級的50.00%，分級效果較差；<0.045 mm粒級溢流產率占該粒級的70.10%，分級效果較好。

3.3 對比分析

對比各粒級產率的試驗值和模擬值，如圖6、圖7所示。

圖6 溢流各粒級產率對比

圖7 底流各粒級產率對比

由圖6可知，溢流各粒級產率的模擬計算結果與試驗結果吻合度較高，0.5～0.25 mm和0.25～0.125 mm粒級在溢流中產率為0，隨著粒度的減小，產率增加，其中0.075～0.045 mm粒級誤差較大，約為4.49%。由圖7可知，底流的試驗結果與模擬計算結果變化趨勢相似，中間粒級誤差最大，粗粒級和細粒級誤差較小。

對各粒級錯配率的試驗值和模擬值進行計算和對比，結果見表6。

表6 錯配率計算

由表6可知，0.075～0.045 mm粒級錯配率的試驗值和模擬值的誤差為19.94個百分點，偏差較大；其余粒級差值較小，吻合程度較高，模擬結果可以較好地反映顆粒的分級過程。試驗結果表明0.5～0.075 mm粒級顆粒的錯配率較低，分級效果好；<0.075 mm粒級顆粒的錯配率達到30.06%，表明顆粒的運動較為復雜，受外力作用較為顯著。

4 結論與建議

(1)利用水力分級原理，設計出一種可以連續(xù)分級的煤泥水分級裝置，通過調節(jié)底流排放速度間接控制上升水流速度，從而控制分級粒度。

(2)利用Fluent軟件分別模擬計算設置正四邊形和正六邊形管束時分級裝置內的流場，計算結果表明：采用正四邊形管束時裝置內流場分布更加均勻，管束內流體沿程阻力更大，有利于控制流態(tài)。

(3)模擬計算結果和實驗室試驗結果均表明：煤泥水連續(xù)分級裝置有較好的分級作用，且模擬計算結果與試驗結果較為吻合，充分證明了CFD軟件可以較好的應用于煤泥水分級過程的模擬計算。

(4)煤泥水各粒級分級錯配率總體隨著粒度的減小而增大，尤其是0.075～0.045 mm和<0.045 mm粒級的錯配率較高，分級效果受外界影響較大，因此，需要對微細顆粒分級效果的影響因素進行深入的研究，探索提高微細粒分級效果的有效方法。