劉曉飛

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046100）

引言

在煤炭開采生產(chǎn)的過程中，煤炭的分選對煤炭的清潔性具有重要的影響。重介質(zhì)旋流器是進(jìn)行煤炭重介質(zhì)分選的主要設(shè)備，可分選各種類型的原煤，被廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)過程中[1]。為提高重介質(zhì)旋流器的分選性能，針對重介質(zhì)旋流器的入口結(jié)構(gòu)采用CFD 軟件進(jìn)行仿真分析，確定最優(yōu)的入口結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清潔煤炭能源的分選。

1 重介質(zhì)旋流器入口結(jié)構(gòu)

重介質(zhì)旋流器在進(jìn)行煤炭的分選過程中，依靠旋轉(zhuǎn)形成的離心力對不同的介質(zhì)進(jìn)行分離，分離的性能受到諸多因素的影響。其中，重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)包括入口的結(jié)構(gòu)、滾筒的直徑及底口的直徑等，都會對旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)產(chǎn)生影響[2]。重介質(zhì)旋流器的入口結(jié)構(gòu)具有多種形式，常見的主要有切線式、漸開線式、蝸殼式等。較好的入口結(jié)構(gòu)能夠提升進(jìn)入內(nèi)部流場介質(zhì)的穩(wěn)定性，提高介質(zhì)的分離效率[3]。蝸殼式的入口結(jié)構(gòu)相對直切式的入口結(jié)構(gòu)能夠降低入口處設(shè)備的磨損，降低介質(zhì)的紊流，能夠提高重介質(zhì)旋流器的分離性能。

蝸殼式重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，蝸殼包角是蝸殼式入口結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對進(jìn)入到內(nèi)部流場的介質(zhì)初始狀態(tài)具有重要的影響，針對蝸殼包角的不同，對重介質(zhì)旋流器的性能進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)四種不同的蝸殼包角的角度，分別為0°、90°、180°、270°，采用CFD 軟件流體數(shù)值分析的方式對重介質(zhì)旋流器的性能進(jìn)行仿真模擬[4]，其中圖1 所示的為180°蝸殼包角樣式。

2 重介質(zhì)旋流器性能的仿真分析

圖1 蝸殼式重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)

選取直徑1 000 mm 的蝸殼式重介質(zhì)旋流器，設(shè)定四種不同的蝸殼包角模型，設(shè)定安裝角度為10°，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。分析過程中，選取相同的介質(zhì)模型，設(shè)定進(jìn)料口的速度為4 m/s，在介質(zhì)中選取不同大小的鐵礦顆粒，采用的原煤的顆粒密度為1 300～2 000 kg/m3，設(shè)定相同的操作參數(shù)，觀測蝸殼包角的不同對分離性能產(chǎn)生的影響。

2.1 操作性能的仿真分析

重介質(zhì)旋流器的操作性對使用中的安裝及操作具有重要的影響，首先對其操作行性能進(jìn)行分析，包括不同蝸殼包角下的溢流分流比及入料壓頭，結(jié)果如下頁圖2 所示。從圖2 中可以看出，在蝸殼包角小于180°時(shí)，溢流分流比及壓頭的值隨著蝸殼包角的增加而顯著增加；在蝸殼包角達(dá)到260°時(shí)，溢流分流比及壓頭不再增加，且有下降的趨勢，但減小的值較低[5]。

2.2 分離性能的仿真分析

重介質(zhì)旋流器的分離性對煤炭的分選具有重要的影響，分離性能是其主要的考察參數(shù)。針對不同蝸殼包角下的分離性能進(jìn)行分析。對不同密度的介質(zhì)進(jìn)行分選，得到其底流分配率的變化如下頁圖3 所示。從圖3 中可以看出，在進(jìn)行分選的過程中，蝸殼包角在0°～180°增加的過程中，底流的分離曲線呈現(xiàn)逐漸向右移動的趨勢，而在180°～270°增加的過程中，曲線則呈現(xiàn)向左移動的趨勢，其中，在180°蝸殼包角時(shí)的底流分配率曲線最為陡峭，說明此時(shí)的分流作用最強(qiáng)[6]。

圖3 不同蝸殼包角下重介質(zhì)旋流器底流分配率變化曲線

在重介質(zhì)旋流器的工業(yè)使用中，常采用Ep值進(jìn)行分離性能的評價(jià)，Ep值是指在分離過程中25%和75%的可能性分配到底流口的顆粒間的密度的差值，對不同蝸殼包角下的Ep值進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到其變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不同大小的顆粒所產(chǎn)生的Ep值相差較大，顆粒物越大所引起的Ep值越小。隨著蝸殼包角的變化，Ep值首先呈現(xiàn)一定的下降趨勢，但在蝸殼包角變化到180°之后，其Ep值趨于平穩(wěn)，變化不大。在不同的顆粒大小中，Ep值下降的幅度與顆粒物的直徑相關(guān)，直徑越小時(shí)則Ep值降低的越大，在四種不同的顆粒物大小中，在蝸殼包角為180°時(shí)的Ep值最小，有利于分選過程的進(jìn)行。

圖4 不同顆粒物的重介質(zhì)旋流器Ep 值變化曲線

蝸殼包角的不同大小對蝸殼式重介質(zhì)旋流器的性能具有重要的影響，其中，180°的蝸殼包角在不影響重介質(zhì)旋流器使用操作的基礎(chǔ)上，能夠具有較好的分選性能，提高所分選的原煤的質(zhì)量，為創(chuàng)造潔凈化的煤炭燃料提供保障。

3 結(jié)論

對蝸殼式重介質(zhì)旋流器的蝸殼包角的大小進(jìn)行仿真分析，并對重介質(zhì)旋流器的操作性能及分離性能進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

1）在四種不同的蝸殼包角中，隨著蝸殼包角的增加，其溢流分流比、壓頭呈現(xiàn)先增加后略有減小的趨勢，底流分配率呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在180°時(shí)的曲率最大，重介質(zhì)旋流器Ep值同樣呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

2）在四種大小的蝸殼包角中，180°的蝸殼包角時(shí)重介質(zhì)旋流器的分離性能最佳，能夠?qū)γ禾窟M(jìn)行有效分選，得到高品質(zhì)的煤炭，從而減輕煤炭使用中污染物對環(huán)境的影響，提高煤炭的清潔性。