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(shù)研究中心，河北 唐山 063000)

浮選礦漿預(yù)礦化是浮選過(guò)程的重要預(yù)處理流程，其效果直接影響浮選效果[1]。隨著井下綜采設(shè)備的普及，選煤廠入洗原煤中細(xì)煤的比例不斷上升所帶來(lái)的迫切需求推動(dòng)浮選設(shè)備大型化的發(fā)展，XJM-S型浮選機(jī)的單槽容積急劇增大，與之配套的傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式礦漿預(yù)處理器的設(shè)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(jī)配套的礦化器是一種緊湊型的浮選礦漿預(yù)處理器，基于文丘里原理，利用高速流體的卷吸效應(yīng)吸入空氣及浮選藥劑并將其與礦漿混合的浮選預(yù)處理裝置。該裝置與浮選機(jī)集成后相比傳統(tǒng)的浮選礦漿預(yù)處理設(shè)備，能夠減少70%的占地面積和50%的設(shè)備投資，已在國(guó)內(nèi)的各大選煤廠廣泛應(yīng)用[2]。

1 礦化器原理

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

在喉管中的流場(chǎng)特征主要有三個(gè)方面[4]：①空氣被高速射流切割為細(xì)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(chǎng)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(yù)礦化[4]。隨后，礦漿進(jìn)入擴(kuò)散管和緩沖箱進(jìn)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(kuò)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(gòu)與參數(shù)示意圖

圖2 噴射器結(jié)構(gòu)示意圖

此前已有學(xué)者研究了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)礦化器工作效率的影響[5]。龍心平等[6]研究了喉管長(zhǎng)度對(duì)射流泵性能的影響，研究結(jié)果表明，喉管的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，射流的拓展與混合能力越強(qiáng)，但射流的動(dòng)能損失也隨之增加，最佳的喉管長(zhǎng)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(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析確定各項(xiàng)參數(shù)影響的重要程度。Kwon等[8]運(yùn)用數(shù)值分析研究了不同流量比的條件下混合室形狀對(duì)泵性能的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)混合室收斂角為12°時(shí)效率最高。高波等[9]通過(guò)FLUENT對(duì)射流裝置進(jìn)行流態(tài)模擬，研究射流速度與負(fù)壓值的關(guān)系和射流器噴嘴直徑與負(fù)壓值的關(guān)系，研究結(jié)果表明，噴射器的負(fù)壓值大小與射流速度有直接關(guān)系，射流的速度越高，產(chǎn)生的負(fù)壓值越大。

目前對(duì)礦化器的相關(guān)研究還停留在初級(jí)階段，仍然以宏觀認(rèn)識(shí)為主，尚未形成成熟的理論基礎(chǔ)與經(jīng)驗(yàn)量化。因此，本文借助FLUENT軟件對(duì)礦化器的內(nèi)部流場(chǎng)特征進(jìn)行探索與分析，為礦化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與完善提供了理論基礎(chǔ)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(jiàn)圖1。礦化器的性能方程一般是由一組無(wú)因次因素方程組來(lái)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(guò)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(dá)式為：

根據(jù)以上的礦化器性能方程與效率表達(dá)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(guān)系，任意兩個(gè)確定的參數(shù)均可轉(zhuǎn)化為第三個(gè)物理量。因此，當(dāng)給定一個(gè)面積比m后，便可通過(guò)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(shí)可由壓力比h與流量比q之間的關(guān)系求出對(duì)應(yīng)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(shí)涉及到兩相流的相互混合作用[12]，而且內(nèi)部流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，需要符合組分守恒方程和湍流運(yùn)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(shí)間；Ux、Uy和Uz為流體速度在x，y和z軸方向的分量。

2)動(dòng)量守恒方程：在不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中需要滿足在x，y和z軸方向滿足動(dòng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，在該模型中，湍流粘度μ的表達(dá)式如下[13]：

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

對(duì)于定常、不可壓縮流的計(jì)算，湍動(dòng)能系數(shù)k和湍流耗散率ε應(yīng)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(jī)配套的礦化器為研究對(duì)象，采用商用三維建模軟件Cero6.0進(jìn)行礦化器流體域建模，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：入料管長(zhǎng)度100mm，入料管內(nèi)徑150mm；噴射器為聚焦式布置，包含4個(gè)噴嘴，噴嘴入口直徑85mm，出口直徑28mm，噴嘴長(zhǎng)度190mm，收斂角8.5°；混合室收斂角15°；喉管長(zhǎng)度400mm，管內(nèi)徑200mm；擴(kuò)散管長(zhǎng)度1200mm，擴(kuò)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(jìn)行礦化器流體域的網(wǎng)格劃分，采用與流體方向相對(duì)應(yīng)的六面體為主的混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體劃分，全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10mm，并且對(duì)礦漿入料管和吸氣管進(jìn)行掃掠處理，對(duì)噴嘴處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，以加強(qiáng)計(jì)算精度，最后生成網(wǎng)格396462個(gè)，如圖4所示。

圖4 流體域網(wǎng)格示意圖

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證

礦化器流體域網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性以空氣吸入口的負(fù)壓值為驗(yàn)證參數(shù)，分別設(shè)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(wàn)，16.5萬(wàn)，20萬(wàn)，27.6萬(wàn)，39.6萬(wàn)，132.3萬(wàn)和218萬(wàn)。以總體網(wǎng)格單元數(shù)作為橫坐標(biāo)，以空氣吸入口出的負(fù)壓值為縱坐標(biāo)繪制曲線，如圖5所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于20萬(wàn)時(shí)，空氣入口處的負(fù)壓值趨于穩(wěn)定，說(shuō)明當(dāng)全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置小于15mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，故在本文中，全局最大網(wǎng)格尺寸設(shè)定為10mm。

圖5 網(wǎng)格數(shù)量與負(fù)壓關(guān)系圖

4 控制方程離散與數(shù)值計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型與邊界條件設(shè)置

本文中，數(shù)值計(jì)算采用的是商用流體力學(xué)軟件ANSYS FLUENT。FLUENT軟件中提供三種多相流計(jì)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(gè)整體，對(duì)多相流的動(dòng)量方程進(jìn)行求解，因而在礦化器這種靠流體摩擦交換動(dòng)量，以礦漿射流為動(dòng)力吸取外界空氣的裝置中，選擇Mixture模型具有較高的計(jì)算精度[14]。本次數(shù)值模擬的是與射流有關(guān)的多相流場(chǎng)，采用k-epsilon RNG的湍流模型進(jìn)行求解，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面法則(standard wall functions)，在該條件下的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為相近。此外，為了更精確計(jì)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(chǎng)與速度場(chǎng)。

邊界條件設(shè)置對(duì)流場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，XJM-KS4型礦化器的工作過(guò)程中，浮選礦漿經(jīng)過(guò)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(shí)際應(yīng)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(guò)計(jì)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(guò)空氣的吸入量決定。氣液兩相流的出口條件設(shè)置為壓力出口條件，使得求解過(guò)程的收斂精度更佳。礦化器的擴(kuò)散管通過(guò)入料緩沖箱與浮選機(jī)的一室液面聯(lián)通，因此出口壓力設(shè)置為1m液面高度的壓力，即1×104Pa。本研究采用的無(wú)滑移絕熱壁面條件，壁面處的礦漿流速為0。

4.2 計(jì)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(dòng)量交換，噴嘴出口處的高速射流通過(guò)摩擦卷吸效應(yīng)將射流附近的空氣帶走，從而產(chǎn)生負(fù)壓吸入外界空氣。礦化器軸對(duì)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(qiáng)，產(chǎn)生的負(fù)壓值最大能夠達(dá)到-2.43×104Pa，在吸氣管內(nèi)負(fù)壓逐漸下降，在空氣入口處的負(fù)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(dāng)混合流體進(jìn)入喉管后，壓力開(kāi)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(shuō)明混合流體經(jīng)過(guò)擴(kuò)散，兩相流進(jìn)行充分混合以及動(dòng)量交換，流體的動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓，因此在噴嘴處能達(dá)到的最小壓力是決定礦化器性能好壞的重要參數(shù)。進(jìn)入擴(kuò)散管后，隨著截面面積逐漸擴(kuò)大，混合流的流速逐漸下降，與此同時(shí)壓力逐漸升高，在出口處，礦漿靜壓達(dá)到出口壓力排出礦化器。

圖6 礦化器軸對(duì)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(guān)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(gè)噴嘴的速度曲線趨于一致，重合度極高，說(shuō)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(jì)算

后處理軟件CFD-Post中，經(jīng)過(guò)數(shù)值查詢得到各個(gè)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(guò)計(jì)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(yù)處理設(shè)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(jī)械攪拌式的礦漿預(yù)處理設(shè)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(yù)礦化效果。

4.4 實(shí)際應(yīng)用對(duì)比

介休長(zhǎng)豐選煤廠和洪洞恒富煤化有限公司選煤廠經(jīng)過(guò)煤泥水系統(tǒng)改造升級(jí)后，將原有的XJM-S系列浮選機(jī)替換為XJM-KS系列浮選機(jī)。采用礦化器的XJM-KS浮選機(jī)與采用傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式礦漿預(yù)處理器的XJM-S型浮選機(jī)使用效果對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 XJM-S與XJM-KS浮選機(jī)指標(biāo)對(duì)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(jī)的尾煤灰分和精煤抽出率均低于XJM-KS系列浮選機(jī)。

4.5 改進(jìn)建議

礦化器中心對(duì)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(jìn)入穩(wěn)壓室后的流動(dòng)呈現(xiàn)出不對(duì)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(guò)穩(wěn)壓室側(cè)壁的反射在上部產(chǎn)生漩渦，這將導(dǎo)致流體耗散一部分動(dòng)能，降低礦化器工作效率，因此在實(shí)際應(yīng)用中，礦漿的入口應(yīng)盡量采用穩(wěn)壓室頂部中心入料，提高穩(wěn)壓室的流場(chǎng)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(jī)礦化器的工作機(jī)理與內(nèi)部的流場(chǎng)特征，對(duì)礦化器的工作方式進(jìn)行量化，通過(guò)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(fù)壓區(qū)，從而吸入大量的空氣，與傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌式礦漿預(yù)處理裝置相比能夠大幅度提高預(yù)礦化效果；

2)礦化器的側(cè)面入料會(huì)導(dǎo)致在穩(wěn)壓室內(nèi)產(chǎn)生上升渦流區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，流體通過(guò)壁面反射產(chǎn)生的湍流將耗散一部分流體動(dòng)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(shí)際工作中應(yīng)盡量采取中心對(duì)稱入料的方式。

3)礦化器結(jié)構(gòu)緊湊，與浮選機(jī)進(jìn)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(jī)械攪拌式浮選機(jī)的前提下能夠減少全生命周期的使用維護(hù)成本。