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        重介質(zhì)旋流器分選特性與數(shù)值模擬研究

        2022-07-07 10:03:52
        機械管理開發(fā) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:煤粒壓力梯度懸浮液

        高 睿

        (晉能控股煤業(yè)集團洗選公司馬脊梁礦洗煤廠, 山西 大同 037000)

        1 重介質(zhì)旋流器工作原理

        重介質(zhì)旋流器由于自身結(jié)構(gòu)簡單,可以處理大產(chǎn)量煤炭,工作原理如圖1 所示。因此在煤炭分選領(lǐng)域被廣泛使用。

        圖1 重介質(zhì)旋流器工作原理

        但是分選時旋流器內(nèi)多相流運動頻繁復雜,使其只適合低顆粒濃度的工況,限定了其應用范圍。本文利用DFM 和CFD 單向耦合法數(shù)值模擬了旋流器內(nèi)部壓力場和密度場狀態(tài)、多相流的空氣柱、內(nèi)部煤粒的運動軌跡對分選特性的影響,該研究方法優(yōu)化設計了重介質(zhì)旋流器的操縱性能和結(jié)構(gòu)特性,提高了工作效率。

        2 旋流器中煤粒的運動特性方程

        由于重介質(zhì)旋流器分選過程比較繁瑣,若開展試驗則需大批量的測試裝置,并且測試時間較長,測試結(jié)果與實際過程差別較大,因此需要借助計算流體動力學(CFD)數(shù)值模擬方法(使用Fluent)去測試旋流器內(nèi)部流場,使用DEM 方法(使用EDEM)來數(shù)值模擬煤炭顆粒的運動響應,模擬其內(nèi)部流場時,需要聯(lián)合兩種方法進行單向耦合模擬,首先利用Fluent 軟件去計算模擬旋流器(見圖2)內(nèi)部的多相流速度場、多相流密度場、壓力梯度場和黏度場,觀察各流程的數(shù)據(jù)特性,并生成圖像導出;然后,將導出的各流程數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼DEM 軟件中進行離散分析,在軟件中選擇煤粒,最后對煤粒的動態(tài)響應特性進行模擬分析,觀察煤粒的分選特性[1]。

        圖2 重介質(zhì)旋流器(單位:mm)

        2.1 多相流控制方程

        重介質(zhì)旋流器工作時內(nèi)部流體為螺旋式渦流運動(由兩種渦流形式耦合而成),符合雷諾應力模型,因此內(nèi)部多相流控制方程為:

        式中:ui為i 方向上的速度分量;uj與uk分別為j、k 兩方向上的速度分量;t 為時間;xk為其空間坐標;k 為普蘭特數(shù):Pij為應力計算:φij為源匯計算;εij為黏性耗散計算;Rij為旋轉(zhuǎn)計算系數(shù);Sij、Dij為柱坐標方程系下的曲線系數(shù);υi為湍流黏度。

        2.2 運動方程

        煤粒在旋流器中做兩種運動,分別是平動和轉(zhuǎn)動,當平動時,煤粒的運動方程為:

        式中:FCP為煤粒之間的相互作用力;mpg 為煤粒承受的重力;Ff→pP為煤粒與懸浮液之間的摩擦力。

        3 旋流器內(nèi)部流場數(shù)值模擬分析

        3.1 懸浮液壓力梯度場分布

        下頁圖3 為懸浮液壓力梯度場分布圖,圖3 中顯示懸浮液壓力梯度場為對稱性排布,最低壓力值位置在底部流量口處,中心軸線處由于空氣柱的存在,壓力梯度最大值出現(xiàn)在其邊界位置。壓力梯度沿旋流器內(nèi)壁垂直方向分布,從中心軸線向邊界處擴展,梯度差值逐步提升。由此可以得出,煤粒在旋流器內(nèi)部進行分選時,其壓力梯度力由邊界指向軸心。

        圖3 壓力梯度場分布

        3.2 旋流器內(nèi)懸浮液密度場分布

        圖4 展示了旋流器內(nèi)部的懸浮液密度分布情況,其中軸黑色部分表示空氣柱,在水平方向來看,其密度值沿中軸向四周顯著提升,中軸處由于空氣柱的存在其密度值最低,圓錐段邊界處以及毗鄰底流口的區(qū)域其密度值最大,這是因為磁鐵礦粉的累積致使懸浮液的密度也隨之增加。

        圖4 懸浮液密度場分布

        3.3 粒度和密度對旋流器中煤粒運動的影響

        煤粒的尺寸和密度決定了煤粒在旋流器內(nèi)部流場中的運動路線以及動態(tài)響應變化情況,圖5 為以密度或者煤粒大小為單一變量,其旋流器中煤粒的運動響應圖。從表1 中可以發(fā)現(xiàn),當煤粒密度相等時,其煤炭顆粒尺寸越小,在旋流器內(nèi)部的運動就越長。相比于從底流出口輸出的煤粒,在溢流口排出的煤粒在旋流器內(nèi)部的停留時間更長。當煤粒尺寸小于1 mm 時,從其溢流口輸出的煤粒的密度值與其運動時間呈正相關(guān),密度大的運動時間就更長。相反,在底流口輸出的煤粒,其密度值與運動時間呈反比,密度大的運動時間更少。由此可見,密度對煤粒在旋流器內(nèi)部的運動流場有顯著的影響,當煤粒尺寸低于13 mm,且煤粒密度值小于懸浮液的密度時,煤粒從溢流口輸出。當煤粒尺寸為25 mm 且密度值大于等于懸浮液的密度時,煤粒將全部從底流口輸出,同時密度值與煤粒的旋轉(zhuǎn)運動半徑呈正相關(guān),進而也影響離心力的變化,沿著邊界圓壁面上進行旋轉(zhuǎn)運動。因此,若要在旋流器分選過程中獲得精煤,需重點關(guān)注溢流口處輸出的煤粒,精細煤粒會做內(nèi)旋流運動從溢流口輸出[2]。

        圖5 13 mm 煤粒在旋流器內(nèi)的分選狀態(tài)

        表1 煤粒密度值

        4 數(shù)值模擬分析結(jié)果

        4.1 煤粒在旋流器分選中的數(shù)值分析

        設置煤炭顆粒尺寸為13 mm,對比分析不同密度的煤粒分選情況。設置進入旋流器內(nèi)部的煤粒速度為10 500/s,總輸入時間為50 s,觀察每個時間內(nèi)流入旋流器內(nèi)部煤粒質(zhì)量,以及從溢流口和底流口輸出的煤粒質(zhì)量情況,在4 s 時看到旋流器內(nèi)部流場的煤粒質(zhì)量實現(xiàn)動態(tài)平衡,輸入與輸出對等,達到穩(wěn)定狀態(tài)。從上述分析來看,分選時旋流器內(nèi)部煤粒的運動特性和受力情況會受到煤粒之間的接觸碰撞影響,當煤粒之間的碰撞運動越多,對其煤粒的運動特性和分選精度影響就越大。

        4.2 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分選過程的影響

        模擬分析了旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)與分選過程之間的聯(lián)系,以分配率為目標變量,通過兩個輸出口輸出顆粒的總和來得到分配率。旋流器的分選效果受溢流管直徑的影響較大,若溢流管直徑大于500 mm 時,旋流器內(nèi)所出現(xiàn)的空氣柱則存在殘缺,因此不能實現(xiàn)高效完整的分選煤粒。若溢流管直徑等于500 mm,且煤粒密度值低于1 600 kg/m3時,多數(shù)煤粒會從溢流口輸出,分選效果很差。當溢流口直徑等于300 mm 時,煤粒分選曲線坡度較大,分選特性比較好。此外,從圖4中可以看出,空氣柱的長度幾乎不會影響旋流器的分選密度值。

        5 結(jié)論

        煤粒在重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場中的受力情況復雜,通過使用EDEM 和CFD 軟件聯(lián)合耦合模擬煤粒的運動特性,可以得到以下結(jié)論:

        1)旋流器內(nèi)部懸浮液壓力梯度場呈對中鏡像分布,且壓力梯度在水平方向由內(nèi)向外界緩慢提升,在中線空氣柱位置其壓力值最大。

        2)煤粒的運動特性和旋轉(zhuǎn)路徑會跟隨煤粒的粒度和密度的變化而變化,當煤粒的密度一致時,顆粒的尺寸越小則運動時間越長,同時溢流口與底流口所輸出煤粒的密度值與停留時間分別呈正相關(guān)和負相關(guān)。

        3)分選特性受旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響較大,溢流管直徑等于300 mm 時,分選密度與懸浮液密度幾乎相等,此時分選效果表現(xiàn)最佳。

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