渐扩进料体旋流器分级性能试验研究

刘培坤，姜兰越，杨兴华，张悦刊(山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

渐扩进料体旋流器分级性能试验研究

刘培坤，姜兰越，杨兴华，张悦刊
(山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

针对水力旋流器处理细粒级颗粒分级时易出现溢流跑粗的问题，设计出一种渐扩式进料体旋流器，并通过粉煤灰的分级试验，研究底流口直径、压力、给料浓度对其分离性能的影响。研究表明，随着底流口直径增大，底流浓度减小、底流产率升高、分级粒度变细，分级效率明显增大；随着压力增大，溢流浓度减小，底流浓度明显升高，分级效率升高；随着给料浓度增大，溢流和底流浓度都升高，底流产率减小，分级效率降低。当底流口直径为Φ18mm、压力为0.06MPa、浓度为16%时，旋流器分离粒度d50为54μm，且-54μm分级质效率为49.50%，量效率为88.66%；此时，溢流-45μm含量达到88%以上，符合一级灰标准。

旋流器；渐扩式进料体；试验研究；分级效率

旋流器以其结构简单、效率高等优点而广泛应用于各个工业生产领域。传统的旋流器采用柱锥结构，矿浆以一定的压力切向进入旋流器，在圆柱腔内产生高速旋转流场。矿浆中密度大的颗粒在旋流场的作用下同时沿轴向向下运动，沿径向向外运动，在到达锥体段沿器壁向下运动，并由底流口排出，形成外旋流场；密度小的颗粒向中心轴线方向运动，并在轴线中心形成一向上运动的内旋流，然后由溢流口排出，从而达到两相分离的目的。但是，在旋流器顶盖处，一部分给矿由于器壁的摩擦阻力作用，先向上再沿顶盖下表面向内，又沿溢流管外壁向下运动，最后同内旋流汇合由溢流管的溢流口排出，形成短路流[1]。这部分矿浆未经分离作用直接进入溢流产物，严重影响了分离效果。特别是针对细颗粒的分离，容易造成溢流跑粗，导致分级精度降低。

由于盖下流和短路流的复杂性，目前国内外对其研究主要集中在溢流管和进料体的结构改进。褚良银等[2]发明了一种具有环齿形外壁的溢流管结构，王光风等[3]提出一种外带环流旁路的溢流管，Hwanga K J等[4]提出一种锥形顶盖旋流器，Wang B等[5]提出一种伞状溢流管，这些改进都可以在一定程度上减少溢流跑粗，但分离精度仍然有待提高。为进一步提高旋流器的分离精度，本文提出了一种锥形渐扩式进料体旋流器，并通过对粉煤灰的分级试验，深入研究其分离性能。

1 渐扩进料体旋流器

1.1 分离机理

渐扩式进料体旋流器的结构如图1所示，不同于传统旋流器的圆柱形进料筒体，渐扩式进料体筒体上端采用小直径圆筒，在与锥段连接处仍为旋流器主体直径的筒体，中间通过渐扩式的倒锥结构连接成整个进料体筒体。在进料口位置，该进料体筒体直径小于传统旋流器筒体直径，可以有效控制短路流的产生。相同给料工况下，在同一轴向位置处，渐扩式筒体比传统柱形筒体的直径小，使得其内部流体具有更高的轴向速度和切向速度。由于切向速度决定着旋流器中心离心力场的强度，因此更高的切向速度以及渐扩式筒体可以促进固体颗粒被快速分离，而轴向速度的提高可以使矿浆在锥形筒体的导流作用下快速远离溢流管，减少短路流的产生[6]。

图1 渐扩进料体旋流器结构示意图

1.2 旋流器结构参数

以粉煤灰分级为目的设计了渐扩式进料体旋流器，根据处理量及分级粒度要求，其主要结构参数见表1。

表1 渐扩进料体旋流器主要结构参数

2 试验物料及试验装置

2.1 试验物料

试验用物料为火力发电厂烟道中收集的粉煤灰，其主要成分为SiO2和Al2O3，原灰含硫量小于3%，烧失量小于5%。经激光粒度仪粒度检测，其中粒径小于13μm(-1000目)的产率占35.3%，粒径小于45μm(-325目)的产率占69.43%，粒径小于75μm(-200目)的产率占84.71%，可知粉煤灰中细颗粒所占比例最大。

2.2 试验装置

渐扩进料体旋流器试验平台如图2所示，其装置主要由搅拌槽、管路系统、渣浆泵、压力表及水力旋流器5部分组成。矿浆在搅拌桶内搅拌均匀后，由渣浆泵送入旋流器进行分离，经分离后的细颗粒从溢流管排出流回搅拌桶，粗颗粒从底流管返回搅拌桶，形成一个闭路循环系统。在旋流器的入口处设有采样支管，以进行采样分析。

图2 渐扩进料体旋流器试验平台

2.3 试验方法

试验采用控制变量法研究渐扩式进料体旋流器结构参数(底流口)、操作参数(压力)以及物性参数(给料浓度)对粉煤灰分级效果的影响。用天平称取一定质量的粉煤灰与水配成一定质量浓度(16%～28%)的矿浆，通过调节回流阀的开度控制入口流量进而改变压力(0.02M～0.06MPa)，确定底流口直径(12～20mm)。在固定其它参数不变的基础上只改变其中某个参数，同时记录流量变化并取样。采用过滤称量法对所取样品进行浓度分析，并计算产率。用激光粒度仪BT-9300S分析取样粒度组成，由下式计算综合分级效率，研究分析各参数的变化对分离性能的影响。

E汉

式中：E汉为汉考克综合分级效率，%；α为给矿中计算级别含量，%；β为溢流中计算级别含量，%；θ为沉砂中计算级别含量，%。

3 试验结果及分析

3.1 底流口对分级性能的影响

在工业生产中，底流口是最易调节并且对旋流器分级性能影响最大的结构参数，试验首先研究底流口参数对分级性能的影响规律。试验给料浓度16%，入口压力0.06MPa，采用不同底流口直径(12～20mm)分别进行试验，对比溢流和底流浓度、产率、粒度和级效率等方面的变化规律。

底流口直径与产物浓度的关系如图3所示，当底流口直径增大，溢流浓度变化不大，底流浓度仅从65.15%减小到55.56%。由图4中底流口直径与产率的关系可看出，底流产率由29.01%升高到38.28%；这是由于底流口直径增大，分离粒度减小，底流产物分配量增大，大量的粗颗粒从底流排出，其中混杂有较多细颗粒，因而造成溢流和底流粒度都变细。这一点也可从图5中底流口直径与-45μm含量的关系可看出，即底流口直径增大，溢流和底流中-45μm含量均有所提高。就特定粒级的分级效率而言，如图6所示，对于10～60μm的颗粒，分级效率随底流口增大而明显增大，而对于小于10μm和大于60μm的颗粒，底流口增大对分级效率的影响则不明显。

图3 底流口直径与产物浓度的关系

图4 底流口直径与产率的关系

图5 底流口直径与-45μm含量的关系

图6 底流口直径与各粒级综合分级效率的关系

、3.2 压力对分级性能的影响

试验确定给料浓度为20%，由底流口试验确定底流口为Φ18mm，调节给料压力进行试验，对比分析产物浓度、产率、粒度以及分级效率的变化规律。

给料压力对产物浓度、压力和-45μm含量的关系如图7～9所示，表明给料压力增大，对溢流影响较小，溢流浓度和粒度均变化不大，-45μm含量没有明显变化；底流浓度从40.38%升高到54.56%，产率先由35.15%减小到31.6%，当压力超过0.04MPa后趋于稳定，底流粒度明显增大，-45μm含量由40.92%减小到35.74%。从图10中可看出各粒级分级效率随压力升高而增大，这是因为压力升高，物料流速增大，旋流器内离心力场增强，颗粒分离效果加强。

图7 给料压力与产物浓度的关系

图8 给料压力与产率的关系

图9 给料压力与-45μm含量的关系

3.3 浓度对分级性能的影响

在工业生产过程中，由于矿浆物料沉降及颗粒分散不均匀，导致给料浓度往往在一定范围内随机波动对旋流器分离性能有较大影响。结合底流口试验和压力试验，确定底流口为Φ18mm，给料压力为0.06MPa，改变给料浓度，分析分离性能。

从图11、图12和图13中给料浓度对分离结果的关系可看出，给料浓度增大，溢流浓度从11.96%升高到23.14%，-45μm含量由88.73%降低到82.9%；底流浓度从58.53%升高到62.32%，产率由39.35%减小到30.55%，-45μm含量减少。图14中显示各粒级分级效率随浓度增大而减小且趋势明显。这是因为随给料浓度的升高，矿浆的密度和粘度都增大，流体粘滞阻力增大，必然导致分级粒度变粗，分级效率下降。

图10 给料压力与各粒级综合分级效率的关系

图11 给料浓度与产物浓度的关系

3.4 分离粒度

综合上述试验因素，在底流口直径为Φ18mm，压力为0.06MPa，给料浓度为16%时，底流产率为35.62%，由物料平衡计算各粒级组成及粒级分配率如表2，粒级分配曲线见图15。可知给料中+180μm颗粒全部进入底流，由图15可看出溢流和底流分配率均为50%的分离粒度d50为54μm，经计算可得-54μm颗粒的分级质效率为49.50%，量效率为88.66%。

4 结 论

1)设计的渐扩式进料体旋流器进行细粒级粉煤灰分级试验，底流产率达到35.62%，分离粒度d50为54μm，且-54μm颗粒的分级质效率为49.50%，量效率为88.66%。

2)渐扩式进料体旋流器随着底流口直径增大，底流浓度减小、产率升高、粒度变细，分级效率明显增大；随着压力增大，溢流浓度减小，底流浓度明显升高，分级效率升高；随着给料浓度增大，溢流和底流浓度都升高，底流产率减小，分级效率降低。

图12 给料浓度与产率的关系

图13 给料浓度与-45μm含量的关系

图14 给料浓度与各粒级综合分级效率的关系

图15 粒级分配曲线图

表2 粒级组成及粒级分配率

3)当底流口直径为Φ18mm，压力为0.06MPa，给料浓度为16.69%时，溢流粉煤灰-45μm含量达到88%以上，符合粉煤灰一级灰细度标准，可应用于工业生产。

[1] 庞学诗.水力旋流器技术与应用[M].北京：中国石化出版社，2010：46-72.

[2] 禇良银，罗茜.高分离精度的水力旋流器的开发[J].流体机械，1994，22(6)：3-6.

[3] 王光风，李峻宇，邵国兴.环流旁路旋流器的分级试验与理论研究[J].化工机械，1991，18(6)：1-7.

[4] Kuo-Jen Hwanga，Ya-Wen Hwanga，Hideto Yoshidab，et al.Improvement of particle separation efficiency by installing conical top-plate in hydrocyclone[J].Powder Technology，2012，232：41-48.

[5] B.Wang，A.B.Yu.Numerical study of the gas-liquid-solid flow in hydrocyclones with different configuration of vortex finder[J].Chemical Engineering Journal，2008，135：33-42.

[6] 蒋基安，赵天彪，杨兴华，等.疏浚底泥分离用旋流器的数值模拟与试验研究[J].流体机械，2013，41(8)：12-15.

Experimental research on the classification performance of the hydrocyclone with conical feed part

LIU Pei-kun，JIANG Lan-yue，YANG Xing-hua，ZHANG Yue-kan

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

The overflow granularity often became coarse when fine particles were classified in a hydrocyclone.In order to solve this problem，a new type of hydrocyclone with conical feed part was put forward and an experimental study on its separating performance for fly ash grading was carried out.Different structural and operating parameters including the apex diameter，the inlet pressure and the feed concentration have been used in the experiments.The experimental results show that，as the apex diameter increases，the underflow concentration decreases but the productive rate increases，and the comprehensive classification efficiency is improved obviously.When the inlet pressure increases，the overflow concentration decreases while the underflow concentration and the classification efficiency increases at the same time.However，compared with the increasing overflow and underflow concentration，both the underflow production rate and the classification efficiency gradually decrease with the increase of feed concentration.In conclusion，the grading granularity d50is 54μm，and the classification efficiency reaches 88.66% by quantity and 49.50% by quality when the apex diameter is 18mm，the inlet pressure is 0.06MPa and the feed concentration is 16%.Moreover，the -45μm particle content is above 88%，which meets the requirement of the first grade fly ash standard well.

hydrocyclone；conical feed part；experimental research；classification efficiency

2015-01-22

国家自然科学基金项目“基于Y型溢流管结构的疏浚旋流器分离机理研究”资助(编号：21276145)

刘培坤(1971-)，男，教授，主要研究方向为固液分离技术与装备。E-mail：lpk710128@163.com。

TD98

A

1004-4051(2015)12-0099-05