高重新 鄭 杰 吳 剛 王云鵬 王江勇 劉培坤 姜蘭越 杜啟隆

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司；2.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院）

旋流器為一種通用的分離設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于顆粒分離領(lǐng)域［1-3］。然而在實(shí)際分離過程中，由于流體波動(dòng)及窄口效應(yīng)，部分物料沿溢流管外壁下行，未經(jīng)分離便匯入內(nèi)旋流，并由溢流管排出，產(chǎn)生短路流，加劇了溢流跑粗現(xiàn)象［4-6］。

為解決上述問題，諸多學(xué)者進(jìn)行了旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，探究通過減少短路流來提高旋流器分離性能的方法。Francisco 等［7］通過模擬研究了30 多種溢流管結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)度、曲線位置和曲率半徑）對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)影響的規(guī)律；Reza 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，溢流管直徑變化對(duì)旋流器等效面積系數(shù)的影響大于進(jìn)料口直徑的變化；Jiang 和Nor 等［9-10］探究了溢流管直徑對(duì)旋流器分離性能和內(nèi)部流場(chǎng)的影響；Li 等［11］設(shè)計(jì)了一種厚壁結(jié)構(gòu)的溢流管，通過增加短路流進(jìn)入溢流管底端入口的距離，從而引導(dǎo)短路流重新進(jìn)入分離區(qū)；Vakamalla 等［12］提出一種內(nèi)部倒錐形溢流管，增大了短路流進(jìn)入溢流管的難度，以減少短路流、改善溢流產(chǎn)物的品質(zhì)。

1 內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器及其分離原理

在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種具有自旋葉輪結(jié)構(gòu)的內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器（圖1），葉輪由溢流口頂端至溢流口底端下方的中心軸固定，基于旋流器分離理論，旋流器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)為組合渦，徑向位置約等于2/3 倍溢流管半徑處為強(qiáng)制渦向自由渦的過渡狀態(tài)，因此，溢流管壁處切向速度最大，該位置會(huì)形成極大的剪切力，以帶動(dòng)自旋葉輪旋轉(zhuǎn)，從而提高旋流器柱段的離心強(qiáng)度，通過引導(dǎo)短路流來減少進(jìn)入溢流管的短路流流量，從而達(dá)到減少溢流產(chǎn)物中粗顆粒含量、提高溢流產(chǎn)物質(zhì)量的目的；同時(shí)，自旋葉輪結(jié)構(gòu)不占據(jù)分離空間，只是部分占據(jù)溢流管內(nèi)空氣柱位置，可以減小空氣柱直徑，更好地利用分離空間。基于以上設(shè)計(jì)理念，本研究擬采用試驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究?jī)?nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器，揭示在自旋葉輪結(jié)構(gòu)的作用下流場(chǎng)變化及顆粒分布特性。

通過占據(jù)空氣柱的位置來減小對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，從而提高分離性能的自旋葉輪隨內(nèi)旋流的轉(zhuǎn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。在內(nèi)旋流中，葉輪邊緣處產(chǎn)生額外的切向力，對(duì)短路流產(chǎn)生一定的擾亂沖散作用，短路流中的粗顆粒受到的切向力遠(yuǎn)大于細(xì)顆粒，導(dǎo)致粗顆粒重新進(jìn)入外旋流參與第二次離心分級(jí)，有效改善了“溢流跑粗”現(xiàn)象。分離過程得到強(qiáng)化后，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的分離粒度減小，更多粗粒固體進(jìn)入外旋流，并由底流口排出，增大了底流產(chǎn)率，這對(duì)于固液分離旋流器來說，可在不增加額外動(dòng)力的前提下，獲得更高的分離效率。同時(shí)由于短路流流量減少，溢流中粗顆粒的攜帶量降低，意味著可以獲得細(xì)粒級(jí)含量更高的溢流產(chǎn)物，這對(duì)于礦物的高效分級(jí)也有重要意義。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

本研究設(shè)計(jì)了φ150 mm 的普通旋流器和內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器，區(qū)別僅在于有無葉輪，基本結(jié)構(gòu)見圖2，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。采用SolidWorks 軟件建立三維模型，選取底流口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸豎直向上，選取Z1=160 mm、Z2=230 mm 的高度截面進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，采用ICEM CFD 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Fluent 21.1軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比研究其內(nèi)部流場(chǎng)的性能。

2.2 模擬條件

為了更好地模擬強(qiáng)旋渦流場(chǎng)特性，采用RSMVOF 模型和RSM-Mixture 模型，進(jìn)料口設(shè)置為速度入口，溢流和底流口設(shè)置為壓力出口，內(nèi)部槳葉采用動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，空氣回旋系數(shù)設(shè)為1，以保證有空氣吸入，壁面均設(shè)置成“無滑移”邊界條件。模擬物料選用ρ=2.65 t/m3的石英砂顆粒，粒度分布見表2。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 空氣柱

圖3為2種旋流器的空氣柱對(duì)比。

由圖3 可以看出，常規(guī)旋流器空氣柱兩端粗、中間細(xì)，內(nèi)置槳葉旋流器的空氣柱直徑整體小于常規(guī)旋流器，槳葉下方變化顯著，甚至在柱錐交界面處無法貫通，這是因?yàn)闃~結(jié)構(gòu)的存在阻礙了底流管、溢流管與大氣的直接聯(lián)通，導(dǎo)致軸向負(fù)壓在自旋葉輪結(jié)構(gòu)區(qū)域無法貫通，同時(shí)也降低了自溢流吸入流場(chǎng)的空氣含量，導(dǎo)致流場(chǎng)中心負(fù)壓區(qū)域減小，空氣柱直徑也隨之減小。

2.3.2 切向速度

切向速度決定著旋流器分離過程中離心力場(chǎng)的強(qiáng)度，對(duì)旋流分離性能起主導(dǎo)作用。常規(guī)旋流器與內(nèi)置槳葉旋流器切向速度對(duì)比見圖4。

從圖4可以看出，不同截面上的切向速度分布均符合準(zhǔn)自由渦分布規(guī)律；在半徑為20 mm處附近達(dá)到切向速度的最大值，該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)制渦和自由渦交界處，隨后速度急劇減小，在軸心位置切向速度減小至零。在旋流器柱段槳葉結(jié)構(gòu)下方，內(nèi)置槳葉旋流器切向速度明顯高于常規(guī)旋流器，特別是在槳葉結(jié)構(gòu)上方，切向速度最大值由10.08 m/s 提高到11.54 m/s，增幅為14.48%，離心力場(chǎng)增強(qiáng)，有助于減小粗顆粒進(jìn)入溢流管的概率，增強(qiáng)旋流器的分離能力。

2.3.3 軸向速度

軸向速度大小決定著顆粒在旋流分離場(chǎng)內(nèi)的停留時(shí)間，影響旋流器的分離精度。2 種旋流器軸向速度對(duì)比見圖5。

從圖5 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)置槳葉旋流器在內(nèi)旋流與外旋流區(qū)域的軸向速度的絕對(duì)值較小，這是由于槳葉結(jié)構(gòu)增大了流體的上行阻力，使得內(nèi)旋流中的粗顆粒再次向外遷移進(jìn)入外旋流，從而減少未經(jīng)分離直接進(jìn)入溢流的顆粒數(shù)，改善溢流跑粗現(xiàn)象。

2.3.4 短路流

2種旋流器內(nèi)流場(chǎng)流線短路流對(duì)比見圖6。

從圖6 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)置槳葉旋流器短路流流量較小，在槳葉結(jié)構(gòu)的作用下部分短路流克服曳力，從而混入外旋流，導(dǎo)致短路流的軌跡發(fā)生改變，繼而減少溢流管短路流的流量，有效提高溢流的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器、離心泵、變頻器、壓力表等裝置組成，將配制好的質(zhì)量濃度9.0%的石英砂混合料漿倒入攪拌桶內(nèi)，開啟攪拌器使桶內(nèi)料漿充分混勻，調(diào)節(jié)變頻器控制初始給料壓力，再由離心泵將礦漿以一定壓力打入旋流器內(nèi)，溢流、底流均返回?cái)嚢柰耙跃S持料漿穩(wěn)定。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖7，試驗(yàn)用自旋葉輪結(jié)構(gòu)見圖8。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為探究有無自旋葉輪的旋流器性能，進(jìn)行了2種旋流器的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表3，2種旋流器溢流產(chǎn)品的粒度負(fù)累計(jì)曲線見圖9，2 種旋流器的分級(jí)性能對(duì)比見表4。

從表3 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器溢流濃度降低、流量減?。坏琢鳚舛纫步档?.77 個(gè)百分點(diǎn)，底流流量提高0.47 m3/h，底流固相產(chǎn)率提高9 個(gè)百分點(diǎn)。這主要是因?yàn)閮?nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的自旋葉輪增大了流體上行的阻力，導(dǎo)致部分?jǐn)y帶顆粒的內(nèi)旋流重新進(jìn)入外旋流，進(jìn)而導(dǎo)致底流流量及回收率提高。

從圖9可以看出，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器溢流粒度負(fù)累計(jì)曲線明顯較高，即粗顆粒含量減少，表明自旋葉輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)在溢流管末端營(yíng)造出了更強(qiáng)的離心力場(chǎng)，有效減少了溢流中粗顆粒的含量。

從表4 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的溢流-30 μm 含量提高了4.92 個(gè)百分點(diǎn)，底流-30 μm 含量提高了12.25個(gè)百分點(diǎn)，以-30 μm 計(jì)的綜合分級(jí)效率高3.21 個(gè)百分點(diǎn)。因此，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的溢流細(xì)顆粒回收率更高，溢流跑粗現(xiàn)象得到改善，旋流器分離性能得到提高，與模擬結(jié)論吻合。

4 結(jié)論

（1）與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的空氣柱直徑減小，葉輪下部區(qū)域減小更加明顯，旋流器的有效分離空間增大。

（2）內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器切向速度增大，離心力場(chǎng)增強(qiáng)，軸向速度降低，顆粒分離停留時(shí)間延長(zhǎng)，流場(chǎng)特性均向著強(qiáng)化分離過程的方向改善。

（3）內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器短路流流量減少，溢流產(chǎn)品-30 μm 含量提高了4.92 個(gè)百分點(diǎn)，以-30 μm 計(jì)的綜合分級(jí)效率高3.21 個(gè)百分點(diǎn)。因此，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的溢流細(xì)顆?；厥章矢撸缌髋艽脂F(xiàn)象得到改善，旋流器分離性能得到提高。