铁尾矿分级水力旋流器的数值仿真

李 亮，王守信，司炎飞 (太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

铁尾矿是采矿企业在一定技术经济条件下排出的“废弃物”，尾矿库占地面积大，而且极具安全隐患，另外在尾矿库中富含的选矿药剂尾矿的水渗透到地下，对环境、地下水也会造成极大的污染。因此选矿尾矿处理是摆在矿山生产者面前的一大问题。为了更好的解决尾矿库在安全方面及环境保护方面的问题，为尾矿干式堆存的设计及安全管理提供相关的技术对策措施，尾矿干式堆存工艺就孕育而生。

针对某矿山排放的铁尾矿颗粒分布情况，可以把尾矿进行分级处理，然后把它制成膏体，水力旋流器是一种用途广泛的分离，分级设备，它不单是作为固-液分离的设备，同时亦能完成液-液分离、气-液分离或者固-液-气分离等操作，所以，水力旋流器是一种通用设备。由于旋流分离技术具有分离效率高、操作方便、工艺简单、结构紧凑、设备体积小、重量轻、占地少、无运动部件及使用寿命长，易于实现连续化操作及自动控制等优点。在国内、国外的化工、石油、矿山、水处理、粉末工程、金属加工、食品、环保等领域得到广泛应用，并且应用范围还在扩大。

1 水力旋流器的结构和工作原理

按照Bradly[1]的定义，水力旋流器是一种利用液体压力产生旋转的装置，使各相不同密度的流体进行分离的设备，一般其结构较长，主要是由筒体，锥段，和底流管，溢流管和一到两个入口组成。水力旋流器内固液分离过程是基于离心沉降的原理。混合液沿着切向加压进料进入水力旋流器内部而产生旋转运动，由于固液两相存在密度差，在离心力作用下，重相介质向边壁移动，形成外旋流，而轻相介质则被向中心迁移，形成内旋流。重相介质沿轴线向下运动，经由底流口排出，轻相介质沿轴线向上运动，经由溢流口排出[2]。而在本文中因为铁尾矿大颗粒的质量比小颗粒的质量大，故铁尾矿大颗粒从底流口排出，小颗粒从溢流口排出，从而实现了铁尾矿大小颗粒的有效分离。

本论文选用的铁尾矿是山西某铁矿的尾矿，该厂的尾矿主要由粘土、石英、长石等非金属矿物组成，密度2.74 t/m3.尾矿粒度分析结果如表1.

表1 铁尾矿的粒度分析的结果

从铁尾矿的粒度分析的结果可以看出，该厂铁尾矿中-0.074 mm的含量为93.42%，-0.038 mm含量为82.77%，表明尾矿的整体粒度偏细。由于旋流器分离出来的铁尾矿小颗粒是用来制作膏体，而膏体最低要求为必须有15%以上的小于0.02 mm级别的颗粒，才能显示其流动性并保持有足够的成胶体状态的水，才能形成一种不离析的混合体。根据膏体的这个特点，结合旋流器和分离粒度之间的关系图[3]，由图可以看出直径为75 mm旋流器的分离粒度范围为0.01 mm～0.025 mm，刚好符合满足颗粒制作膏体的要求，故本文选择的旋流器的直径为75 mm，而旋流器其他结构参数采用的是Hsien[4]实验所所使用的结构参数，故旋流器的结构参数为：

表2 水力旋流器的结构参数

2 水力旋流器网格生成

本数值模拟计算选取水力旋流器的三维模型作为计算区域，由于雷诺应力模型(RSM)对网格的质量要求较高，故使用结构网格即六面体网格，而为了保证旋流器能够使用六面体网格划分，故对旋流器划分网格进行分块划分，水力旋流器的网格划分如下图所示：

图1 水力旋流器的网格

3 水力旋流器内流场的数值模型的选取

旋流器内的湍流模型选择用于各向异性的RSM模型，这是由于雷诺应力模型(RSM)彻底摆脱了各向同性的涡黏假设，并且对流线极度弯曲、漩涡强烈的三维流动很适合，因此采用RSM模型对旋流器内部强旋流流场进行模拟应该是首选方法[5]。铁尾矿和水的两相流采用MIXTURE模型，压力-速度耦合算法采用SIMPLE，压力插补格式选取PRESTO，离散格式采用精度较高的QUICK格式。

4 水力旋流器数值模拟分析

旋流器的边界条件为：铁尾矿颗粒的体积分数为20%，进口条件为速度入口，水相的速度为4.63 m/s，湍流强度为I=4.04%，溢流口和底流口都采用自由流出口条件，分流比为0.3，计算中假定底流口水封，没有空气柱存在。

4.1 混合液流体轨迹

图2 混合液流体轨迹

图2所示为铁尾矿和水的混合液体轨迹线，从图中可以清楚地看到流体的双螺旋运动即，且在旋流器的进口处和溢流口处附近紊流现象比较严重，大部分的混合液中从溢流口流出，少部分混合液经外旋流从底流口流出。铁尾矿通过旋流器这种工作过程之后，就能够实现大小铁尾矿颗粒的分离。

4.2 混合液压力分布

图3 x=0截面压力分布图

图3是水和铁尾矿颗粒组成的混合液压力截面分布图，由图可以看出，等压线与轴线基本平行，在柱体区和锥体区的同一位置上，压力都随半径的减小而减小，在轴心附近，混合液的压力值最小，产生的能量损失也就较大，由于底流口密封所以就在轴心附近形成了一个水柱。作者认为由于压力的变化与离心力相平衡，因而旋转时产生了较大的径向压降。而图4中，可以看出，压力分布的轴对称性不是很好，这是由于进口是单进口，而导致了流场的不对称，且外旋流压强较高，内旋流压强较低。

图4 截面不同位置处压力径向分布

4.3 铁尾矿混合液速度分布

图5 各个截面上切向速度的分布

图6 各个截面上径向速度的分布

从图5可知，水力旋流器内部的铁尾矿混合液切向速度几乎是对称分布的，呈典型的Rankine涡分布[6]，并且在轴心处切向速度的速度梯度最大，越靠近器壁处，切向速度越小，这是由器壁的阻力和摩擦力导致的，从图6径向速度的分布可以看出，有一部分流体的径向速度在轴心处小于0，这是因为铁尾矿大颗粒所受的离心力较大，运动到器壁，经外旋流到达底流口，还有一部分流体是负值，是因为铁尾矿小颗粒所受离心力较小，使它不能运动到器壁，这些颗粒就经由内旋流向上运动，轴心的位置处的径向速度的速度梯度也是最大的，这也说明了在轴心的位置，一部分流体由外旋流变为内旋流，从溢流口流出，进而实现了大小颗粒的分离，从器壁到轴心这段距离，径向速度与半径成正比，半径越大，径向速度越大。

4.4 铁尾矿颗粒的浓度分布

图7～图10是x=0界面处各铁尾矿颗粒大小的浓度分布。

图7～图10是中心截面x=0上的铁尾矿颗粒相的体积分数分布云图，从整体分布来看，大部分的铁尾矿颗粒相主要集中于旋流器器壁附近，其中以器壁处的铁尾矿颗粒相的体积分数为最高，与之形成鲜明对比的是，在轴心处颗粒相的分布很少，几乎没有。颗粒相体积分数分布几何轴线在总体上呈对称分布现象。

图7颗粒d=19μm的浓度分布图8颗粒d=38μm的浓度分布

Fig.7Thevolumefractionofparticled=19μmFig.8Thevolumefractionofparticled=38μm

图9颗粒d=74μm的浓度分布图10颗粒d=150μm的浓度分布

Fig.9Thevolumefractionofparticled=74μmFig.10Thevolumefractionofparticled=150μm

而对于各个纵向截面而言，从图7～图10可以看出，随着颗粒粒径的增大，粒子逐渐往器壁附近运动，而旋流器轴心附近的颗粒越来越少，取而代之的是液体水，因为颗粒的粒径越大，颗粒所到的离心力越大，颗粒就越往器壁运动，轴心附近的颗粒就越少，浓度特别低，这非常符合旋流器的运动规律。

5 结论

本文采用RSM模型和多相流mixture模型对旋流器内铁尾矿颗粒的运动规律进行了数值模拟，在水力旋流器内部，压力分布几乎是轴对称性的，并且在柱体和锥体空间处，压力随着半径的减小而减小，由于轴向处压力值较小，所以就形成了水柱，同时，通过分析水力旋流器内部铁尾矿不同颗粒大小的浓度分布得出，随着铁尾矿颗粒直径的增大，颗粒的离心力越大，颗粒在壁面处的浓度越高，说明旋流器对大颗粒铁尾矿的分离效果较好，本文只是对水力旋流器内的运动规律进行了模拟，应用到铁尾矿分级时，它的性能并不一定时最好的，为了得到旋流器最佳的性能，需要进一步对影响旋流器性能的结构参数，操作参数以及物性参数进行数值模拟，以得到旋流器的最佳工作性能。

参考文献：

[1] Bradley D.Hydro-cyclone[M].London：Permamon Press，1965.

[2] 褚良银，陈文梅.水力旋流器结构与分离性能研究(五)[J].化工装备技术，1999，20(2)：16-18.

[3] Hsien K T，Rajamni R K.Mathematical model of the hydrocyclone based on physica of fliud flow[J].A IChE Journa，1991，37(5)：735-745.

[4] 庞学诗.水力旋流器理论与应用[M].中南大学出版社，2005.

[5] 苏劲，袁智.水力旋流器细粒分离效率优化与数值模拟[J].机械工程学报，2011，47(20)：183-190.

[6] 徐继润，罗茜.水力旋流器流场理论[M].北京：科学出版社，1998.