王慧峰

（華陽新材料集團二礦選煤廠， 山西 陽泉 045000）

引言

在塊煤分選方面，重介淺槽分選機為主要設(shè)備，具有較高處理能力，在短時間內(nèi)取得較好分選效果，應(yīng)用日漸廣泛。而實際在設(shè)備應(yīng)用過程中，想要達到更高分選效率，實現(xiàn)精煤的高效生產(chǎn)，還應(yīng)對分選機槽體內(nèi)介質(zhì)入料運動規(guī)律展開分析，通過數(shù)值模擬方法把握入料運動形態(tài)，合理進行分選機結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過減少煤炭顆粒錯配達到清潔生產(chǎn)目的。

1 重介淺槽分選機槽體內(nèi)重介質(zhì)入料過程

如圖1 所示，為重介淺槽分選機的入料位置結(jié)構(gòu)，主要依靠阿基米德原理使重產(chǎn)物和輕產(chǎn)物分別在懸浮液中下沉和上浮，從而實現(xiàn)煤炭顆粒分選。通過水平和上升的介質(zhì)管，重介質(zhì)懸浮液會將槽體充滿。經(jīng)過篩分后，達到粒度要求的顆粒將從入料口進入分選機。懸浮液密度固定，能夠使密度小顆粒在上層懸浮，在水平介質(zhì)的帶動下進入排料口。而矸石密度大，將直接落入排料裝置。

圖1 分選機入料位置結(jié)構(gòu)圖

在物料輸送期間，水平介質(zhì)流依靠給入夾角確保物料完全浸入槽體，同時發(fā)揮穩(wěn)定上層介質(zhì)密度的作用。依靠上層介質(zhì)流，可以使礦粉在向上作用力下保持懸浮態(tài)。在淺槽內(nèi)物料可以保持恒定密度，平穩(wěn)運動，在懸浮液中減少相互加壓摩擦，在相對靜態(tài)下完成分選，達到較高分選精度[1]。

2 槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運動形態(tài)的模擬分析

2.1 模型建立

從槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運動過程來看，主要受上升流和水平流的影響。在槽體內(nèi)不同的區(qū)域，上升流和水平流的流速將發(fā)生變化，可能造成局部流場穩(wěn)定被破壞，繼而給物料分揀精度帶來影響。因此應(yīng)對槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運動形態(tài)進行模擬分析，有效揭示物料分選過程中流體運動規(guī)律?？紤]到重介質(zhì)入料需要經(jīng)歷復(fù)雜流動過程，涉及流動、傳動等相關(guān)理論，需要引入計算流體力學(xué)CFD 產(chǎn)品進行數(shù)值模擬，運用離散化數(shù)學(xué)思想對流體力學(xué)問題展開研究[2]。而Fluent 作為廣泛應(yīng)用的CFD 軟件包，擁有豐富物理模型和強大運算功能，可以用于對淺槽側(cè)部二維圖進行模擬，生成形狀規(guī)范的物理模型。在工業(yè)生產(chǎn)實踐中，分選機擁有較大結(jié)構(gòu)尺寸，利用試驗?zāi)Ｐ脱b置展開分析，槽體長、寬、高分別為1300 mm、350 mm 和350 mm，溢流堰和入料口長均為525 mm，如圖2 所示。對模型進行網(wǎng)格劃分，需要劃分為上升槽、水平槽、溢流堰等部分，生成579665 個網(wǎng)格。在參數(shù)設(shè)置上，將入口上升流速和水平流速分別設(shè)定為0.2 m/s 和0.3 m/s，滿足VELOCITY-IN-LET 邊界條件，溢流堰出口滿足OUTFLOW 條件。

2.2 分析過程

對重介質(zhì)入料運動進行模擬，可知分選機內(nèi)部流體將保持湍流流動，由來自側(cè)面水平流和底部上升流構(gòu)成，同時也將受到刮板擾動影響。按照從上至下的順序，需要將槽體劃分為溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)三個區(qū)域，各區(qū)擁有不同的速度場。煤和給入介質(zhì)將一同進入槽體，假設(shè)二者初始速度相同，想要使物料進入中間分選區(qū)，避免被上層溢流區(qū)帶入溢流堰，進入槽體速度通常與Y 軸保持一定夾角，在不同區(qū)域產(chǎn)生相應(yīng)的分速度。在實際分析時，需要分別對Y 值為300 mm、200 mm 和100 mm 位置流體速度進行分析，確定不同區(qū)域流速變化。而在相同區(qū)域內(nèi)，核心位置速度通過上升流和水平流獲得，擁有較大數(shù)值，而邊緣位置因流體擾動將產(chǎn)生較小速度值。因此在物料進入槽體后，將與X 軸保持夾角，需對X 值為300 mm和100 mm 處的流速展開分析。根據(jù)各區(qū)界線對選區(qū)上中心點和邊緣點的流速展開分析，能夠掌握槽體內(nèi)流場分布沿X 和Y 軸發(fā)生的變化。在理想狀態(tài)下，物料進入后將穿過溢流區(qū)，在分選區(qū)受上升流作用產(chǎn)生向上速度。而流速過高或過低，將造成流場紊亂，造成物料進入底流區(qū)，矸石也無法順利下沉。對各區(qū)理想流速進行分析，能夠為槽體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 流場分析

從分析結(jié)果來看，溢流區(qū)邊緣位置流速從0 逐步提升至0.25 m/s，接近槽體中間時開始下降。到達溢流堰周圍，速度重新提升，達到0.2 m/s。如圖3 所示，為仿真效果圖，受水平流擾動因素的影響，槽體邊緣將產(chǎn)生流速，促使入料向溢流堰運動，能夠為物流提供動能，加速物料排出。在該區(qū)的核心位置，流速從0.25 m/s 迅速降低，接近溢流口時重新提升至0.2 m/s。分析原因可知，受水平流影響，入料斷面逐步擴大，因此流速有所下降。但在溢流口位置斷面迅速收縮，促使流速突然提升，容易給溢流堰帶來較大沖擊，造成該部位磨損嚴重。

從分選區(qū)的流場分布情況來看，邊緣位置流速不斷上下波動，數(shù)值在0.05～0.12 m/s 范圍內(nèi)。在到達中間位置時，流速迅速提升至0.25 m/s，主要是由于同時受到上升流和水平流的擾動。因為流速波動過大，容易引發(fā)渦流，與流體膨脹后產(chǎn)生較多能量損耗，給分選效果帶來了不利影響。在核心位置，流速從0 提升至0.3 m/s，隨后下降。在接近溢流口位置，重新提升至0.15 m/s。該處流速通過水平流和上升流獲得，有助于精煤向上懸浮。

從底流區(qū)的流場分布來看，邊緣位置流速從0 提升至0.12 m/s，接近中間位置后開始下降。在接近底部邊緣時，流速重新提升至0.14 m/s，主要是受到上升流作用，有助于重介質(zhì)保持懸浮態(tài)。在核心區(qū)域，流速從0 提升至0.16 m/s，隨后開始下降，接近槽體中央時達到最大值，而該處流速同樣受上升流作用。

2.3.2 運動分析

通過模擬分析可知，水平流發(fā)揮將物料從入口送至出口的作用，應(yīng)避免流速過快造成物料在槽體內(nèi)停留時間過短，同時避免流速過慢造成物料無法順利輸送。上升流的設(shè)定應(yīng)確認最大斷面位置流速比干擾沉降速度大，發(fā)揮穩(wěn)定重介懸浮液密度的作用，但也應(yīng)當避免流速過大造成高密度細粒到達懸浮區(qū)，隨著水平流沖出，給精煤帶來污染。在分選區(qū)，同時受上升流和水平流作用，造成流體流速較大，容易出現(xiàn)復(fù)雜湍流，給分選帶來不利影響，因此還應(yīng)確保水平流和上升流保持恰當?shù)谋壤?，確保槽體內(nèi)部流體可以平穩(wěn)流動，有效提高分選效率和精度。

實際在入料流速與X 軸保持40°夾角時，將水平流速設(shè)定為0.287，上升流達到0.28 m/s。在槽體內(nèi)流場穩(wěn)定后，使顆粒粒度從6 mm 增加至150 mm，重介質(zhì)密度達到1500 kg/m3，確認各粒徑物料運動路徑。如果物料可以穿越分選區(qū)進入底流區(qū)，判斷能夠順利分選。從分析結(jié)果來看，在流速相同的情況下，各粒徑物料沉降速度出現(xiàn)了明顯差異。物料粒徑越小，沉降越慢，因此粒徑6 mm 物料在10 s 內(nèi)難以到達沉降區(qū)，影響了分選速度，而粒徑10 mm 以上物料均能順利到達淺槽底部。

如果提高上升流速，使流速達到0.36 m/s，粒徑在8 mm 以上的物料能夠達到精選要求，但粒徑為6 mm 的物料在接近溢流口時容易被水平流夾帶，造成精煤受到污染，由此可見試驗的分選機的分選下限為8 mm。

3 結(jié)論

對分選機槽體內(nèi)重介質(zhì)入料運動形態(tài)進行模擬可知，在溢流區(qū)、分選區(qū)和底流區(qū)中，只有分選區(qū)同時受水平流和上升流作用。在水平流大小達到物料溢流要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)與上升流保持適合比例，確保槽體內(nèi)部流體平穩(wěn)，確保物料能夠得到高效、精確分選。根據(jù)分析結(jié)果可知，上升流從0.28 m/s 提升至0.36 m/s，能夠?qū)? mm 以上物料進行高效精選，使槽體內(nèi)維持理想流場分布。