趙道文

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003）

引言

煤炭是我國重要的能源形式，隨著對(duì)煤炭清潔高效利用的要求，對(duì)煤炭分選的質(zhì)量要求不斷提高。我國的煤炭質(zhì)量整體灰分偏高，開采的原煤多以難選及極難選煤為主，對(duì)煤炭分選設(shè)備的要求較高。液固流化床分選機(jī)是主要的粗泥煤的分選設(shè)備，其能夠減少入料引起的振動(dòng)及沖擊作用，延長旋流器的使用壽命[1]，降低選煤設(shè)備的使用成本。在分選機(jī)使用的過程中，通過上升的水流作用引起向上的擾動(dòng)作用，使得流化床中的泥煤顆粒具有不同的速度，從而在分選機(jī)的筒體內(nèi)產(chǎn)生分離作用，上下沉浮運(yùn)動(dòng)[2]，向上運(yùn)動(dòng)成為溢流精煤，向下運(yùn)動(dòng)成為尾礦矸石，完成煤炭的分選。在水流沖擊的過程中，分選機(jī)筒體的結(jié)構(gòu)對(duì)泥煤的流場具有直接的影響作用，從而影響分選的效果[3]。針對(duì)筒體的結(jié)構(gòu)從泥煤分選的流場及顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，對(duì)筒體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高分選機(jī)進(jìn)行泥煤分選的效果[4]，提高煤炭的質(zhì)量。

1 粗泥煤分選機(jī)的流場分析

采用流體動(dòng)力學(xué)仿真的形式對(duì)現(xiàn)有某型號(hào)的分選機(jī)進(jìn)行流場分析，選用Fluent 流體仿真軟件進(jìn)行建模分析。Fluent 軟件能夠?qū)α黧w的流動(dòng)、熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行仿真分析，且能方便地進(jìn)行前后處理[5]，適用于對(duì)分選機(jī)內(nèi)的流場進(jìn)行分析。泥煤分選機(jī)的筒體結(jié)構(gòu)為圓柱形，其整個(gè)流場關(guān)于軸心對(duì)稱，選擇分選機(jī)的縱剖面為計(jì)算域進(jìn)行分析。采用ANSYS Workbench 建立分選機(jī)的二維模型[6]，分選機(jī)筒體的高度為1.5 m、直徑為1 m，入料管的深度為0.5 m、直徑為0.1 m，壓力出口的高度為0.15 m，并對(duì)筒體進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到筒體的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 分選機(jī)筒體的結(jié)構(gòu)模型

在分析過程中，底部的排料量對(duì)流場的擾動(dòng)作用有限，僅考慮入料泥煤及上升水流的速度作用，底部邊界為流場提供穩(wěn)定的上升水源，頂部邊界為溢流口與大氣相同，入料口管道位于頂部的中間位置[7]。采用瞬態(tài)算法及壓力耦合方程對(duì)壓力及速度進(jìn)行耦合求解，設(shè)定時(shí)間步長為0.05 s，時(shí)間步長為1000個(gè)，設(shè)定入料口的速度為40 mm/s，上升水流的速度為35 mm/s，對(duì)筒體內(nèi)的流場進(jìn)行分析[8]。對(duì)筒體中間時(shí)段第15 s 時(shí)的流場進(jìn)行提取，如下頁圖2 所示，分選過程中，泥煤顆粒與上升的水流接觸后[9]，泥煤顆粒向上擴(kuò)散，低密度的泥煤顆粒隨著水流上升，經(jīng)過溢流口而析出形成精煤，高密度的泥煤顆粒（尾礦、矸石顆粒等）所受到的重力作用較大，克服水流的作用而向下運(yùn)動(dòng)[10]，下沉到分選機(jī)的筒體底部而形成尾礦析出。

從下頁圖2 可以看出，在進(jìn)行分選的中間時(shí)段，在上升水流的作用下，筒體內(nèi)的泥煤發(fā)生一定的返混現(xiàn)象，低密度的顆粒穿過流場上升到一定的高度后會(huì)下降到流場的底部，這是由于在上升水流及進(jìn)料流場的作用下形成一定的湍流區(qū)域，水流速度復(fù)雜，紊流較多，相對(duì)于靠近筒壁的上升水流速度小，浮力作用較小，減小了泥煤顆粒向頂部溢流口的運(yùn)動(dòng)，造成泥煤的分選不充分，降低煤炭分選的質(zhì)量，導(dǎo)致分選精煤的灰分偏高。

圖2 筒體內(nèi)15 s 時(shí)的流場分布

2 粗泥煤分選機(jī)筒體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.1 分選機(jī)筒體結(jié)構(gòu)的正交優(yōu)化

采用二次回歸正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)分選機(jī)的筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將分選機(jī)在常規(guī)工況下的分選精度作為目標(biāo)變量y，依據(jù)筒體的結(jié)構(gòu)，變徑段距頂部距離L 為200 mm，將筒體入料管的深度設(shè)定為z1，其值范圍為422～578 mm，筒體變徑段的角度設(shè)定為z2，其值范圍為17°～23°，分選機(jī)筒體圓柱段的長度定義為z3，其值范圍為620～780 mm，如圖3所示。依據(jù)變化因素對(duì)目標(biāo)變量的影響[11]，建立最小二乘法回歸方程為：

圖3 分選機(jī)筒體結(jié)構(gòu)的正交優(yōu)化取值

式中：b 為不同的回歸系數(shù)；x 表示變量值z(mì)。

采用二次回歸正交實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行求解，對(duì)所設(shè)定的三個(gè)變量值采用Fluent 軟件記性模擬計(jì)算，得到分選機(jī)內(nèi)部流場的不同結(jié)構(gòu)對(duì)分選精度的影響。在三個(gè)變量中，筒體入料管的深度對(duì)分選精度的影響呈先增加后穩(wěn)定的變化，筒體變徑段的角度對(duì)分選精度的影響呈先減小后增加的變化[12]，分選機(jī)筒體圓柱段的長度對(duì)分選精度的影響呈先減小后增加的變化。經(jīng)過對(duì)三個(gè)變量值進(jìn)行模擬計(jì)算，得到分選精度的二次回歸方程為：

將回歸方程轉(zhuǎn)化為非線性條件下的約束計(jì)算，得到在限定的范圍內(nèi)筒體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足下式：

其中，f1（z）為凸函數(shù)，對(duì)其在限定的范圍內(nèi)進(jìn)行求解，得到筒體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)為z1=489 mm、z2=21°、z3=722 mm，由此完成對(duì)分選機(jī)筒體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算。依據(jù)分選機(jī)筒體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對(duì)其內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后筒體流場的分析

針對(duì)優(yōu)化后筒體的結(jié)構(gòu)，采用Fluent 軟件進(jìn)行內(nèi)部流場的分析，具體的邊界條件設(shè)定與前述的分析一直，經(jīng)過模擬計(jì)算，其內(nèi)部的顆粒分布如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后的筒體內(nèi)部流場分布

從圖4 可以看出，采用優(yōu)化后的筒體結(jié)構(gòu)形式，增加了流體的過流面積，上升水流由底部上升到第一段變徑時(shí)，其軸向的速度逐漸降低，繼續(xù)上升的過程中，過流面積的減小使得上升的水流速度增加。分選過程中的泥煤顆粒在向上、向外運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的過程中，受到的向上的流體作用力是變化的，其可以提高泥煤分選機(jī)的分選精度。在變徑段的區(qū)域，存在著部分顆粒的循環(huán)流動(dòng)，從傾斜的變徑段向下滑移的過程中，在變徑段的底端受到較大的上升水流作用，重新進(jìn)入變徑段的區(qū)域。次位置位于入流口的高度以下，過流面積逐漸增加，高密度的顆粒不會(huì)進(jìn)入溢流口中，從而可以提高分選的精度。

3 結(jié)論

泥煤分選機(jī)是進(jìn)行煤炭分選的重要設(shè)備，隨著對(duì)煤炭質(zhì)量的要求提高，對(duì)泥煤的分選質(zhì)量也提出了較高的要求。在泥煤分選的過程中，由于上升水流與入口泥煤流的相互作用，造成一定的紊流，低密度顆粒不能進(jìn)行充分的分選，從而使得分選的精煤灰分偏高，降低煤炭的質(zhì)量。采用二次回歸正交優(yōu)化的方式對(duì)分選機(jī)的筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了筒體結(jié)構(gòu)的變徑段，并得出分選質(zhì)量與筒體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的回歸方程，從而得到最優(yōu)化的筒體結(jié)構(gòu)。對(duì)優(yōu)化后的筒體結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場進(jìn)行分析可知，結(jié)果優(yōu)化后的在上升水流與入口泥煤流的相互作用的區(qū)域，過流面積是逐漸增加的，從而有利于低密度顆粒的充分析出，且高密度顆粒不會(huì)進(jìn)入溢流口中，提高了泥煤的分選精度，有利于煤炭的清潔使用。