煤泥水分级池设计与数值计算

朱宏政,刘令云,朱金波,闵凡飞

(安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南 232001)



煤泥水分级池设计与数值计算

朱宏政,刘令云,朱金波,闵凡飞

(安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南 232001)

摘 要:针对煤泥水不分级处理存在的重复分选、浮选效率低等问题,提出一种新型煤泥水分级池。利用水力分级原理和黏性流体阻力规律,设计了新型煤泥水分级池以及正四边形和正六边形2种形状整流管束,利用Fluent软件对两种形状时池体内流场分别进行了数值计算,并对比分析了两者流场分布特征,以及流速、雷诺数、沿程损失等流体力学参数。研究表明,正四边形和正六边形管束均有控制流态的作用,采用正六边形管束时,管束之间速度差略大,但平均沿程损失略小,而采用正四边形管束时,各管束之间速度差较小,但平均沿程损失更大,流场分布更均匀,更有利于颗粒的准确分级。因此,煤泥水分级池将煤泥水连续分为多个粒级是可行的,可进一步进行实践试验研究。

关键词:煤泥水;分级;流场;粒级

责任编辑:张晓宁

朱宏政,刘令云,朱金波,等.煤泥水分级池设计与数值计算[J].煤炭学报,2015,40(8):1924-1928.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1584

随着我国煤质的不断下降,原料煤中细粒含量越来越大,遇水浸泡易泥化的黏土类矿物含量不断增多,易造成浮选药剂消耗量大、浮选精煤灰分高、压滤量集中等问题[1-2]。研究表明,重介质旋流器分选下限低于0.25 mm,0.50~0.25 mm粒级颗粒进入浮选系统属于重复分选,同时浮选的最佳粒度范围为0.250~0.045 mm[3],因此,有必要对煤泥水进行预先分级,并对各粒级分别处理。

1 煤泥水分级池

1.1 煤泥水分级池原理

我国大部分煤泥水中矿物颗粒符合“粒度越细,灰分越高”的规律,而不同粒度颗粒的干扰沉降末速度存在差异,因此,借助水力分级原理可以实现不同粒度颗粒的分离[10]。煤泥水中矿物颗粒粒度较小,控制上升水流速度,使其流态为层流,可按斯托克斯公式[11]计算颗粒的干扰沉降速度vg,即

其中,v0为自由沉降速度;n为浓度干扰指数;c为固体浓度。煤泥水经过整流管束产生沿程损失,可按达西公式[12]计算其沿程损失,即

式中,ξ为沿程阻力系数;l为整流管束长度;d为整流管束当量直径;u为煤泥水运动速度;g为重力加速度。

1.2 煤泥水分级池结构

煤泥水分级池由多个紧密相邻且高度不同的圆环柱组成(图1)。煤泥水分级池上方设有一个环形入料槽,煤泥水沿入料槽内侧均匀溢入最外侧池体的下降区,在下降区内,煤泥水沿隔板向下流动,并绕过隔板到达池体的分级区,在分级区内设有整流管束,煤泥水经过整流管束调整为层流状态,颗粒按其干扰沉降末速度进行水力分级(图1中D1),大于D1的颗粒沉降至池体底部,由底流口排出,携带小于D1粒级颗粒的上升煤泥水流沿该池体的内侧均匀溢入下一个池体,并完成类似分级过程,逐渐向中心池体流动,由于各池体分级区内侧与隔板距离不同,其分级粒度也不相同,因此,煤泥水分级池由外向内,分级粒度逐渐减小,直至所设置的最小粒度(图1为D6)。煤泥水分级池的底流由渣浆泵输送到后续工艺,渣浆泵电机设有变频调速器,通过调节底流流量,可间接调整对应池体的分级粒度,保证分级精度。

图1　煤泥水分级池Fig.1 Schematic diagram of the slurry classification pond

当同值流量经过面积相等而湿周不等的2种过流断面时,湿周长的过流断面对流体阻力大。相同过流面积时,正四边形管束湿周大于正六边形管束,即采用正四边形管束产生的阻力大于正六边形管束,但流场分布特征未知,可对不同形状整流管束时,煤泥水分级池内流场进一步研究。

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2 基于CFD的数值计算

2.1 数学模型

(1)连续性方程。

流体为水相,密度为常数,流动不可压,因此连续性方程为

式中,u′为x方向的速度分量;v′为y方向的速度分量;w为z方向的速度分量。

(2)动量守恒方程。

式中,p为流体微元体上的压力(静压);F为微元体上的其他外部体积力;τ为黏性应力张量;v为速度矢量;ρ为密度;t为时间;g为微元体上的质量体积力[13]。

2.2 边界条件

设定分级池分级粒度为0.030 mm,入料口设置为速度入口(Velocity Inlet),条件为

式中,v为入料速度;Q为入料流量;S为入料面积;Re为雷诺数;R为水力半径;ν为运动黏度系数;I为湍流强度。

出口设置为压力出口,出口为自然溢流,与大气相连,绝对压强pa= 101 325 Pa,由于参考压强pr设置值为101 325 Pa[14],因此压力出口的表压强pb应设置为0,即pb=pa-pr=0

过流区面积大,速度小,核心区的流动可认为是湍流,而壁面区黏性力在动量、热量及质量交换中起主导作用,湍流切应力可忽略,流动几乎为层流,采用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区求解变量相连接,即固体壁面设置为标准壁面函数[15]。

2.3 计算模型

煤泥水分级池各个池体内的分级过程均类似,且为完全对称结构,因此,可将模型简化为如图2所示的几何体模型,模型结构参数见表1。

图2　简化模型三维视图Fig.2 3D view of the simplified model

表1　简化模型结构参数Table 1 Structural parameters of the simplified model

在Gambit2.2.30中建立模型,并对模型进行网格划分,如图3所示,图4为四边形和六边形整流管束的网格划分。将网格几何模型导入Fluent6.3.13,将黏性模型设置为k-ω模型,介质为液态水相,考虑重力作用,压力-速度耦合求解方式采用SIMPLE,对流项采用一阶迎风格式离散,残差设置为五阶收敛。

3 计算结果与分析

3.1 流场分析

截取z=0和y=75 cm截面,以及部分管束中心线,分析其流场分布和速度特征,如图5,6所示。

图3　模型网格划分Fig.3 Mesh generation of the model

由图5可知,采用正四边形管束或正六边形管束时,池体内流场分布较为相似,水相流经隔板时,惯性力占主导作用,质点所受约束降低,产生速度梯度,在隔板右侧区域形成了小面积低压区,容易形成旋涡。经过整流管束后,流场较为均匀,有利于颗粒的分级。

由图6可知,采用正四边形管束或正六边形管束时,池体内下降区流场分布基本一致,但采用正四边形管束时,其下降区流体运动速度略小,主要是由于正四边形管束湿周大,产生的阻力大,而流体具有较好的传递性,使得下降区流体运动受阻增大。正四边形管束和正六边形管束内速度分布规律相同,由中心向四周逐渐减小,主要是由于黏性力占主导作用,管束壁面对流体有剪切力作用,流体运动受其约束。

图4　管束网格划分Fig.4 Mesh generation of the pipes

图5　z=0截面速度云图Fig.5 Velocity nephogram of z=0 section

图6　y=75 cm截面速度云图Fig.6 Velocity nephogram of y=75 cm section

3.2 流体参数分析

图7中line1~7为对应管束中心线的速度-高度分布曲线,管束中心线垂直于xz平面,在xz平面内投影坐标分别为line1 (52.21,0),line2 (58.31,0), line3 (64.41, 0 ), line4 (50.99, 0 ), line5 (54.65, 3.27),line6(60.14,0),line7(63.80,3.27)。由图7(a)可知,正四边形管束中流体运动速度大小依次为:vline2>vline3>vline1,说明采用正四边形管束时,池体分级区沿x轴方向,中心管束内速度最大,靠近外侧壁面管束其次,靠近隔板管束内速度最小。由图7(b)可见,正六边形管束中流体运动速度大小依次为:vline6>vline5>vline7>vline4,说明采用正六边形管束时,池体中心2个管束中靠近外侧壁面管束内速度最大,另一个管束其次,与外侧壁面相邻的管束内速度较小,与隔板相邻的管束内速度最小。由上述分析可见,两者速度分布特征相同,即“中心管束大于两侧管束,外侧管束大于内侧管束”,主要是由于固体壁面对黏性流体的剪切力作用,使中心管束内流体运动速度大于两侧管束,而靠近外侧壁面管束内流体运动速度大于靠近隔板的管束,是由于流体经过隔板时的惯性力作用。

图7　管束中心线速度曲线Fig.7 Velocity curves of pipe centerlines

对整流管束内流体运动参数进行计算,结果见表2。可知,采用正四边形或正六边形管束时,管束内雷诺数均小于575,即流态均可控制为层流。正四边形管束中流体最大运动速度小于正六边形管束中流体最大运动速度,表明相同过流面积时,正四边形湿周产生的阻力大于正六边形。正四边形管束中最大速度与最小速度之比为1.18,正六边形管束中最大速度与最小速度之比为2.57,同时正四边形管束的雷诺数方差(0.272 2)远小于正六边形管束(7.890 9),表明在整流区域内设置正四边形管束时,管束之间速度差较小,流场分布更均匀。正四边形和正六边形管束内平均沿程损失分别为3.20×10-9,2.77×10-9m,表明正四边形管束对流体的阻力更大,产生的沿程损失更大,更有助于流态的控制。

表2　管束内流体动力学参数计算Table 2 Hydrodynamics parameters calculation for the pipes

4 结 论

(1)针对煤泥水不分级处理存在的问题,利用水力分级原理,设计了煤泥水分级池。通过隔板与池体内侧距离的设置,以及底流排放速度的调节,实现对水流上升速度的控制,从而达到连续分级的目的。

(2)采用正四边形或正六边形整流管束时,池体内流场分布较相似,整流区管束内流速均符合“中心管束大于两侧管束,外侧管束大于内侧管束”规律。

(3)正四边形或正六边形整流管束均可控制流态,但采用正四边形管束时,池体内管来之间速度差更小,平均沿程损失更大,流场分布更均匀,更有利于颗粒的准确分级。

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Design and numerical simulation of slurry classification pond

ZHU Hong-zheng,LIU Ling-yun,ZHU Jin-bo,MIN Fan-fei

(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

Abstract:According to repeated coal cleaning and low flotation efficiency due to no-classified slurry separation,a novel slurry classification pond was proposed.Based on the hydraulic separation principle and the viscous fluid resistance principle,the slurry classification pond,square shape and regular hexagon shape pipes were designed.The flow field of the slurry classification pond with different shape pipes was numerically simulated,and distribution characteristics the velocity,reynolds number,route energy loss and other hydrodynamic parameters were analyzed.The results show that both square and regular hexagon shape pipes can control the flow state well.When the regular hexagon shape pipes are used,the velocity difference is great,but the mean route energy loss is small.When the square shape pipes are used, the velocity gradient is smaller,the mean route energy loss is larger,and the flow field is smoother.So the square shape pipes are better for the accurate classification of particles.Based on the analysis,the continuous classification of slurry by the slurry classification pond developed is feasible,and it suggests that an actual test should be conducted.

Key words:slurry;classify;flow field;grade

作者简介:朱宏政(1987—),男,江苏盐城人,助教。Tel:0554-6668649,E-mail:zhuhongzheng699@163.com

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51174006);安徽省自然科学基金资助项目(1308085ME73)

收稿日期:2014-11-18

中图分类号:TD94

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2015)08-1924-05