方建新

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤炭作為我國(guó)主要的化石能源，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)占據(jù)我國(guó)能源的主要形式，我國(guó)有大量的煤礦進(jìn)行煤炭資源的開采，在開采過程之后，對(duì)煤炭的分選同樣對(duì)煤炭的質(zhì)量具有重要的影響[1]，從而影響煤炭的使用效果。在煤炭分選的過程中，重介質(zhì)旋流器作為重選的主要設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分選精度高的特點(diǎn)，在煤礦的分選中具有廣泛的應(yīng)用。在重介質(zhì)旋流器進(jìn)行重選的過程中[2]，依靠泥煤流動(dòng)產(chǎn)生的離心力對(duì)不同密度的原煤進(jìn)行分離，從而達(dá)到分選的目的，分選過程中泥煤內(nèi)部流場(chǎng)的變化復(fù)雜，難以對(duì)重介質(zhì)旋流器的工藝過程進(jìn)行有效的分析。針對(duì)重介質(zhì)旋流器的工藝過程[3]，采用仿真模擬的形式進(jìn)行分析，通過單向耦合的方式對(duì)重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的壓力、密度等進(jìn)行分析[4]，從而對(duì)重介質(zhì)旋流器的工藝過程進(jìn)行分析，提高重介質(zhì)旋流器分選的效果，提高煤炭的分選質(zhì)量。

1 重介質(zhì)旋流器數(shù)值分析模型的建立

重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部流場(chǎng)的變化復(fù)雜，采用CFD 仿真分析的形式基金逆行數(shù)值模擬，從而可以對(duì)內(nèi)部分選的工藝過程進(jìn)行直觀的分析。采用分選過程中使用的FZ1000 型重介質(zhì)旋流器進(jìn)行分析[5]，其圓筒的直徑為1000 mm，圓柱體深度為800 mm，入料口的直徑為340 mm，入料口深度為500 mm，出料口的直徑為170 mm，錐角為20°。由于重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用三維建模軟件SolidWorks 進(jìn)行三維模型的建立[6]，在建模過程中，對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。在建模過程中，對(duì)溢流管及進(jìn)料口的壁厚等同于主體尺寸，從而便于對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[7]，對(duì)旋流器的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略處理，僅保留主體結(jié)構(gòu)，從而便于對(duì)模型進(jìn)行建模分析，經(jīng)過簡(jiǎn)化，建立重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)模型

采用CFD 分析軟件Fluent 對(duì)旋流器進(jìn)行流場(chǎng)的模擬分析，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，由于重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用自適應(yīng)網(wǎng)格的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到重介質(zhì)旋流器的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬分析[8]。在進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)模擬時(shí)，設(shè)定旋流器采用速度入口的初始條件，溢流口及底流口為壓力出口，入口速度為5 m/s，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，泥煤懸浮液的密度為1450 kg/m3。

采用CFD 進(jìn)行旋流器流場(chǎng)的分析，需將旋流器內(nèi)部流場(chǎng)連續(xù)的物理量變化場(chǎng)差分轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn)上的值，依照一定的約束方程對(duì)物理場(chǎng)進(jìn)行求解，從而得到不同物理場(chǎng)在旋流器內(nèi)部的分布規(guī)律[9]。重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜，懸浮液作三維的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，采用RSM雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在旋流器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的過程中，徑向分布上存在一定的壓力差，中心旋轉(zhuǎn)區(qū)域的壓力要低，從而造成內(nèi)部的空氣柱，影響懸浮液的流動(dòng)，采用VOF 模型對(duì)氣體的接觸體積進(jìn)行分析，從而消除對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)顆粒的運(yùn)動(dòng)可以分為平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，平動(dòng)受到煤粒自身的重力作用及懸浮液在徑向上的壓力梯度及流體的曳力作用[10]，同時(shí)，懸浮液的黏度對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的密度及分選性能也具有重要的影響，采用Napier-munn 方程對(duì)懸浮液的黏度進(jìn)行修正，從而保證流場(chǎng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。依據(jù)所建立的重介質(zhì)旋流器分析模型，對(duì)旋流器分選過程中內(nèi)部流場(chǎng)的壓力及壓力梯度的分布進(jìn)行分析[11]，并對(duì)懸浮液的密度場(chǎng)進(jìn)行分析，從而針對(duì)旋流器分選的工藝過程進(jìn)行模擬，確定分選過程中壓力及密度的變化規(guī)律。

2 重介質(zhì)旋流器內(nèi)部分選工藝過程模擬分析

2.1 旋流器分選懸浮液壓力分布模擬

采用Fluent 軟件對(duì)懸浮液的壓力分布進(jìn)行模擬分析，得到懸浮液的壓力及壓力梯度變化分別如圖2、圖3 所示。從圖2 中可以看出，進(jìn)行分選過程中，旋流器內(nèi)部的懸浮液壓力呈對(duì)稱分布的形態(tài)，在中心軸線的位置處具有藍(lán)色的空氣柱，空氣柱的壓力值為負(fù)值；溢流口和底流口處的壓力值最低，在旋流器徑向方向上，從旋流器的中心位置向著外側(cè)的壓力逐漸增加[12]，在筒體的壁面位置處的壓力達(dá)到最大。從圖3中可以看出，旋流器內(nèi)部的懸浮液形成較大的壓力梯度，由筒體壁面的位置向著中心位置形成較大的壓力梯度力，有利于對(duì)懸浮液分選過程的進(jìn)行。

圖2 旋流器懸浮液壓力分布

圖3 旋流器懸浮液壓力梯度分布

2.2 旋流器分選懸浮液密度分布模擬

進(jìn)行煤炭重介質(zhì)分選的懸浮液主要由磁鐵礦粉及水組成，這種粗分散相形成的懸浮液體的密度對(duì)分選效果具有重要的影響。對(duì)旋流器內(nèi)部懸浮液的密度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到旋流器懸浮液的密度分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，進(jìn)行分選過程中旋流器的中部位置具有完整的空氣柱，在旋流器徑向上，懸浮液的密度沿著中心向筒體的外側(cè)逐漸增加，在靠近圓錐段的壁面位置及底流口位置處，懸浮液的密度較大，這是由于圓錐段磁鐵礦粉堆積造成的，空氣柱及溢流口位置處的密度較低。在重介質(zhì)懸浮液旋轉(zhuǎn)過程中，在離心力的作用下，懸浮液形成了不同的密度層分布，在旋流器的高度方向上，越靠近底流口位置，懸浮液的密度越高，呈現(xiàn)上低下高的特點(diǎn)，較高的懸浮液濃度靠近底流口則有利于進(jìn)行煤炭的分選，提高重介質(zhì)分選的效果。

圖4 旋流器懸浮液密度分布

3 結(jié)語(yǔ)

重介質(zhì)旋流器是進(jìn)行煤炭分選的重要設(shè)備，對(duì)煤炭的分選質(zhì)量具有直接的影響。采用CFD 仿真分析的形式對(duì)重介質(zhì)旋流器分選過程進(jìn)行模擬分析，建立了重介質(zhì)旋流器的分選模型，并進(jìn)行分選工藝過程的模擬計(jì)算。對(duì)懸浮液的壓力及壓力梯度分布進(jìn)行分析得到，旋流器內(nèi)部的懸浮液壓力及壓力的梯度分布以旋流器的中心呈對(duì)稱分布的狀態(tài)，且壓力梯度由筒體壁面的位置向著中心位置逐漸增加，有利于懸浮液梯度力對(duì)分選過程的促進(jìn)；對(duì)懸浮液的密度分布進(jìn)行分析得到，在徑向方向上，懸浮液的密度沿著中心向筒體的外側(cè)逐漸增加，在軸向方向上，懸浮液的密度呈上低下高的分布，有利于重介質(zhì)分選的進(jìn)行。通過對(duì)重介質(zhì)旋流器的工藝過程模擬，可以增加對(duì)旋流器分選過程的了解，選取合適的工藝參數(shù)，提高分選效果。