史文亮

（華陽集團新景公司洗煤廠， 山西 陽泉 045000）

0 引言

煤炭洗選過程中，固液分離是其中的一項關(guān)鍵核心工藝流程，該項工藝的技術(shù)水平和質(zhì)量直接決定了最終的選煤效果。壓濾機為實現(xiàn)固液分離技術(shù)的核心設(shè)備，采用壓濾機所得到的濾餅非常平整，而且所得到的濾液也非常清澈。尤其是對過濾面積要求大且應(yīng)用條件限制的情況下對壓濾機的性能要求越高[1]。故而設(shè)計性價比最高，即過濾效率和生產(chǎn)能力以及生產(chǎn)成本等因素兼顧的壓濾機尤為重要。本文主要開展結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對壓濾機壓濾效果和生產(chǎn)能力影響的仿真研究，為壓濾機的設(shè)計提供依據(jù)。

1 壓濾機概述

選煤廠中懸浮液的分離是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對應(yīng)的最佳設(shè)備為壓濾機。本文以板框壓濾機為例開展研究，該類型壓濾機有操作簡單、使用壽命長等優(yōu)勢；而且，該型壓濾機對所過濾物料的適應(yīng)能力強、固相的回收率高且所得濾餅的含濕量低等高性能特點。板框壓濾機的實物如圖1 所示，板框壓濾機的主要結(jié)構(gòu)包括有濾板、濾框、壓緊板、止推板以及預(yù)警裝置等。在實際工作中，板框壓濾機需經(jīng)歷壓緊、壓濾、松板以及卸餅四個關(guān)鍵步驟完成其過濾功能。其中，壓緊是在液壓系統(tǒng)的作用下，通過活塞桿推動壓緊板將待過濾的物料壓緊，并形成一個封閉的濾室。壓濾在壓力泵或壓縮空氣壓力的作用下，將濾室內(nèi)待過濾的物料進行固液分離操作；當出液量非常少時，壓濾操作終止[2]。松板，當壓濾操作結(jié)束后，系統(tǒng)會控制進料閥和進料泵將其關(guān)閉，并通過液壓系統(tǒng)的活塞桿將其壓緊板退回。卸餅，當壓緊板完全退回后將濾餅卸下，并且在其中重力作用下主動脫落，并將濾餅運走。

圖1 板框壓濾機實物

本文將重點通過數(shù)值模擬方式對影響壓濾機過濾效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)展開研究，為后續(xù)優(yōu)化壓濾機的設(shè)計，提高設(shè)備的壓濾效率和生產(chǎn)能力奠定基礎(chǔ)。

2 壓濾機數(shù)值模擬模型的搭建

本文所研究壓濾機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 壓濾機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了保證數(shù)值仿真模擬結(jié)果的準確性和全面性，在建立壓濾機仿真模型時需要對其作一些簡化。本著不影響仿真結(jié)果準確性的基礎(chǔ)上，對建模中的如下問題作出簡化：將壓濾機的操作過程簡化為固相和液相兩種狀態(tài)；對壓濾機結(jié)構(gòu)中的濾板的凸臺忽略不計，其不會影響過濾效果；認為過濾所得的濾液直接從濾布表面流出；假定認為在整個過濾過程中反應(yīng)溫度處于恒定不變的狀態(tài)[3]；過濾機中所配套的過濾介質(zhì)中孔的分布是相對均勻的，而且表現(xiàn)為各向同性的特點。

設(shè)定壓濾機的操作壓力為0.13 MPa，操作過程中的溫度為20 ℃。為了提高壓濾機數(shù)值仿真模擬的精度，并有效對其計算量進行有效控制，對所建立的壓濾機三維模型進行網(wǎng)格劃分。其中，濾液的排出通道和所采用的過濾介質(zhì)將其劃分為六面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；將濾室等結(jié)構(gòu)劃分為四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；總的網(wǎng)格數(shù)量為520 000[4]。經(jīng)網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬仿真模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 壓濾機過濾效果數(shù)值模擬仿真結(jié)果分析

在上述模型搭建的基礎(chǔ)上，重點對結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)對壓濾機過濾效果進行仿真分析。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓濾機過濾效果仿真分析

本文所述的結(jié)構(gòu)參數(shù)重點指的是壓濾機過濾介質(zhì)的孔隙率。從理論上講，孔隙率過小，會影響濾液的排出效率，導(dǎo)致其過濾效率低；孔隙率過大，會導(dǎo)致過濾所得濾液不夠清澈。本小節(jié)對應(yīng)孔隙率ε0分別為0.1、0.2 和0.4 下對應(yīng)的壓濾機的過濾效果進行對比。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 孔隙率對壓濾機過濾速度的影響

如圖3 所示，孔隙率越小，在同一時間段內(nèi)，對應(yīng)過濾速度越小。經(jīng)分析，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因包括有兩方面，第一方面，由于孔隙率小對應(yīng)的單位面積內(nèi)濾液的通道面積??；第二個方面，孔隙率小對應(yīng)的通道孔徑直徑較小，濾液通過時阻力較大，從而導(dǎo)致過濾速度低[5]。而且，不同孔隙率對應(yīng)的濾液中固相的含量如圖4 所示，當孔隙率為0.4 中濾液中的固相含量大于孔隙率為0.1 和0.2 的情況；同時，孔隙率為0.1 和0.2 對應(yīng)的濾液中固相含量相差不大。

圖4 不同孔隙率對應(yīng)濾液中固相的含量

因此，綜合考慮孔隙率對應(yīng)濾液的過濾速度和最終濾液中固相含量的影響。針對此型過濾機將其孔隙率確定為0.2。

3.2 操作參數(shù)對壓濾機過濾效果的影響

操作參數(shù)重點對壓濾機的進料壓力和進料濃度兩項參數(shù)展開研究。

進料壓力將會直接影響壓濾機的生產(chǎn)效率。從理論上講，當壓濾機的操作壓力過小時，對應(yīng)過濾的效率較低。當壓濾機的操作壓力過大時，在過濾操作的初期會將過濾孔堵塞，從而影響設(shè)備的過濾效率；同時，進料壓力過大對設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面的要求較高，從而對設(shè)備的安全運行造成影響。因此，合理確定壓濾機的進料壓力是十分重要。本小節(jié)分別對進料壓力p為0.10 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa 和0.25 MPa 對應(yīng)的過濾效果進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖5 所示，在同一時段內(nèi)，隨著進料壓力的增加對應(yīng)壓濾機的過濾速度增加；而且，在過濾初期過濾速度下降較快。但是，可以看出在同一時間段內(nèi)，隨著進料壓力的增加，對應(yīng)過濾速度的增加趨勢逐漸減緩；而且當進料壓力大于0.2 MPa 時，過濾速度的增加幅度較小。

圖5 不同進料壓力對應(yīng)壓濾機壓濾速度對比

因此，綜合考慮進料壓力對過濾速度和壓濾機性能要求的影響。最終將最佳進料原理設(shè)定在0.2 MPa。同理，得出對應(yīng)過濾效果最佳的進料質(zhì)量分數(shù)為15%。

4 結(jié)論

壓濾機為實現(xiàn)固液相分離的關(guān)鍵設(shè)備，其過濾性能對于選煤廠最終的分選效果和效率有著重要的影響。本文通過數(shù)值模擬仿真分析的方法重點對結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對壓濾機過濾效果的影響進行研究，并得出如下結(jié)論：

1）綜合考慮孔隙率對應(yīng)濾液的過濾速度和最終濾液中固相含量的影響。針對此型過濾機將其孔隙率確定為0.2。

2）綜合考慮進料壓力對過濾速度和壓濾機性能要求的影響。最終將最佳進料原理設(shè)定在0.2 MPa。同理，得出對應(yīng)過濾效果最佳的進料質(zhì)量分數(shù)為15%。