单槽容积60 m3大型圆筒形浮选机单相流场仿真研究

刘春艳

(1.天地(唐山)矿业科技有限公司,河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

单槽容积60 m3大型圆筒形浮选机单相流场仿真研究

刘春艳1， 2

(1.天地(唐山)矿业科技有限公司,河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

利用CFD软件，模拟了XJM-S型机械搅拌式60 m3圆筒形浮选槽初始虚拟样机的三维流动状态，分析了该样机的流场特征，发现：在各稳流板流道内矿浆流动不均衡，稳流效果不理想；在浮选槽入料口处，存在入料未经假底和叶轮而直接进入浮选槽，以及槽内部分矿浆回流到入料口的不合理现象。根据流场特征分析，提出了对该样机的入料口、稳流板等结构进行改进和优化的建议。

浮选；大型圆筒形浮选机；计算流体力学；流场特征；结构优化

浮选是煤泥分选的主要方法。在众多浮选设备中，机械搅拌式浮选机是应用最普遍的煤泥浮选设备。近几年来，浮选机在大型化方面取得了一定进展，但是其发展依然不能满足选煤厂大型化发展的需求。《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)》[1]重点工作之一是：大力发展高精度煤炭洗选加工，实现煤炭深度提质和分质分级；开发高性能、高可靠性、智能化、大型(炼焦煤600万t/a以上和动用煤1 000万t/a以上)选煤装备，实现关键分选设备的自动化。因此，选煤厂大型化、系统单元化、控制自动化的发展趋势迫切需要大型浮选设备。

浮选机的大型化需要使大型浮选机的流场研究变得极为重要。但是，从传统的设计方法来看，国内外浮选设备[2-8]的设计和按比例放大仍然是以经验公式为基础，需要通过大量的试验来确定其结构及工艺参数，新机型的研究需要投入大量的人力、物力和财力，且研发周期长。近年来，计算流体力学软件(CFD)技术发展迅速，使得通过计算机仿真技术，实现对大型浮选机的流场分析，对浮选机的结构与性能进行优化成为了可能[9-11]。

XJM-S型机械搅拌式浮选机是我国自主研发、具有自主知识产权的浮选设备，目前已经形成了系列，多种规格型号的浮选机在选煤生产中应用广泛。为研发设计新的大型选煤用浮选机，课题组人员运用CFD软件对XJM-S型机械搅拌式60 m3圆筒形浮选槽初始虚拟样机进行了流场分析，以得到该型浮选机的槽内流场特征，为大型浮选机设计与优化提供参考。

1 大型圆筒形XJM-S型浮选机槽内流场仿真研究

1.1 实体建模

仿真计算的模型是XJM-S型60 m3圆筒形浮选槽初始虚拟样机。该样机是根据传统的相似放大原理及公式[12]设计而成，只是槽体结构由原来传统的矩形改变为圆筒型，槽体直径为5.5 m，高2.35 m，从入料端到出料端长7.0 m。

该型浮选机的叶轮、定子、定子盖板、假底稳流板、钟形罩、吸浆管、槽体均参照设计实际尺寸完成立体图绘制。最终得到的该大型浮选机的三维装配模型透视图如图1所示。

图1 大型圆筒形浮选机整体三维模型透视图

1.2 仿真策略及边界条件

由于本次仿真模拟的模型尺寸较大，内部结构复杂，划分网格数量达1 400万，为了节省计算时间，本次模拟采取的是单相仿真，模拟的单相流体为清水。采用FLUENT计算软件，使用PISO算法耦合压力-速度，压力项采用PRESTO!格式离散方程，其余采用二阶迎风格式离散方程，流动场的计算采用多重参考系法(MRF)，湍流区域采用标准κ-ε模型计算。近壁区湍流流动选择标准壁面函数进行处理。

矿浆入口为速度入口，速度值设置为0.1 m/s，矿浆出口设置为outflow边界条件。将叶轮、特殊螺母部分设为旋转边界条件，顺时针旋转，旋转速度为145 r/min。浮选槽顶部设为无剪切力、无滑移壁面条件。计算过程包含重力影响，所以加入了重力条件。沿z轴方向重力加速度g=-9.81 m/s2。

2 槽内流场特征分析

研究浮选机的流场分布时截取了若干切面，通过切面的速度、流线分布图及速度矢量图等来分析浮选机的流场特征和矿浆运动规律，从而检验流动状态和设备结构的合理性。

建模时采用的是三维直角坐标系，以叶轮轴心线在浮选槽底的投影点为坐标原点，以浮选机进浆管向排料管方向为x轴方向，以浮选机高度方向为z轴方向，以同时垂直于x、z轴的方向为y轴方向。按照叶轮流道的矿浆流向，剖切与x轴正方向呈45°、105°、165°三个纵切面。按照稳流板流道的矿浆流向，剖切与x轴正方向呈17°、35°、53°、71°、89°、107°、125°、143°、161°、179°的十个纵切面。按照槽体高度(即z轴方向)，以高度数值剖切0.2、0.4、0.6、0.8、0.95、1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 m的13个横切面。以下选取其中若干代表性切面来进行分析。

2.1 纵切面流场特征分析

图2—4所示分别为45°、165°、179°纵切面流线图与速度等值线分布图。

图2 45°纵切面流线图与速度等值线分布图Fig.2 Flow lines and distribution of velocity contour on 45° longitudinal profile

图3 165°纵切面流线图与速度等值线分布图

图4 179°纵切面流线图与速度等值线分布图

由图2可见，稳流板叶片高度不够，稳流效果不明显：稳流板叶片上方矿浆速度仍存在高值，从叶轮经定子甩出的矿浆与稳流板叶片发生碰撞，矿浆改为斜向上运动，这部分矿浆又被吸入钟形罩及盖板孔中。

由图3可知，由于矿浆入口的高度高于稳流板假底高度，因此由入料口流入的矿浆未经假底、叶轮直接从稳流板上部流入浮选槽内。

由图4可知，槽内部分经稳流板稳流后的矿浆仍以较大速度射向筒壁，其中部分矿浆重新经假底吸入叶轮，部分矿浆射入入料口，形成漩涡，从而阻碍了新鲜矿浆的顺利流入。

此外，通过分析图2—4还可以得出：

(1)叶轮的吸浆能力很强，叶轮下吸口处不仅吸入吸浆管内的矿浆，还吸入了假底以上吸浆管周边区域的矿浆。因此，吸浆管上侧边缘的磨损很快，这与实际情况相符。

(2)稳流板的各个流道的下半部分主要用于矿浆回流至叶轮。

(3)纵切面的漩涡偏高。通过观察纵切面的速度等值线分布图，可以看出：在纵切面的顶部，矿浆的速度仍很高，达到0.5 m/s以上，这将造成矿化气泡粘附的煤粒脱附概率增加，不利于浮选。

(4)根据矿浆的流动状态，将稳流板的流道分为上下两个部分：上部由叶轮甩出的矿浆向斜下方流动，下部矿浆由于叶轮的抽吸作用流向叶轮下吸口，两部分矿浆在稳流板流道的某一位置碰撞可形成漩涡。由于各个流道的流量不均衡，漩涡位置不定。

2.2 横切面流场特征分析

图5—8分别为z轴方向0.4、0.6、0.8、1.4 m切面的流线图与速度等值线分布图。

图5 z轴方向0.4 m截面流线图与速度等值线分布图

图6 z轴方向0.6 m截面流线图与速度等值线分布图

图7 z轴方向0.8 m截面流线图与速度等值线分布图

图8 z轴方向1.4 m截面流线图与速度等值线分布图

由横切面的流场特征图可以得出，在水平切面稳流板的大部分流道共存向内及向外的两方向矿浆，由于矿浆流动方向相反，碰撞时可引发漩涡。由于全槽流场不均衡，向内及向外矿浆碰撞位置不固定，故漩涡位置也不固定。经叶轮、定子甩出的矿浆较大部分甩向稳流板的叶片弯曲处，并实现撞击降速。由于矿浆斜向下射流，因此经叶轮、定子甩出的矿浆一开始在稳流板叶片的弯曲段形成速度高值场，速度高值场随切面高度降低，逐渐由叶片弯曲段集中到叶片直线段，且随着切面高度的降低，稳流板流道内向外矿浆速度值逐渐下降，并越来越集中在叶片的直线段，向外矿浆速度值较向内矿浆速度值大。

在z轴方向0.4 m切面，甩出矿浆的速度高值场集中于稳流板叶片的直线段部分，甚至超出稳流板叶片长度。由于叶轮抽吸作用引起的向内矿浆速度值较甩出矿浆速度值小，向内矿浆速度值集中在0.1～0.3 m/s，向外甩出的矿浆速度值达到1～2.5 m/s。

在z轴方向0.6 m切面，同样由于向内向外相反流动矿浆的碰撞，在稳流板流道内形成漩涡。数个定子流道存在较大漩涡。

在z轴方向0.8 m切面，多数稳流板流道的绝大部分为向外流动矿浆，其速度高值可达5 m/s，稳流板流道的向内流动矿浆量较小。在此切面，稳流板叶片靠筒壁端已经开始有消除部分，从图中可见矿浆通过稳流板流道未完全降速，因此稳流板叶片上部靠筒壁端的消除不合理，并且在这个切面上存在一定量低速度值区间。

根据z轴方向0.2、0.4、0.6、0.8 m切面的流场特征可以得出，定子、稳流板流道回流区域的速度值均偏低，甩出矿浆的速度值都很高。通过浮选过程分析发现，这几个切面的流场特征均不合理，各个流道矿浆流量不均衡是一个非常重要的原因，这导致部分流道矿浆通过量非常大，速度非常高，经过定子及稳流板之后，矿浆速度依然没有降低到预期值；而部分流道矿浆通过量小，回流量大，速度低，形成低速区。

分析认为，造成切面流场特征不合理的原因不止流量不均衡这一项，还与稳流板的结构形式、位置、叶片弯曲度，叶片后部直线段长度、叶片上部靠筒壁端的消除均有直接关系。结合纵切面的流场特征，发现浮选机全槽流场未形成合理的W循环流态(矿浆的W循环流态为经叶轮、定子甩出的矿浆斜射到假底上，经撞击矿浆方向发生改变，反射至槽内)，而本样机模型稳流板假底的位置偏低，与叶轮的相对距离较大。根据模拟仿真，大部分矿浆未斜射到假底上，而是斜射出假底流道，因此应将叶轮位置降低或者将假底位置提高。在假底稳流板叶片高度以上部分，经叶轮、定子甩出的高流量矿浆不是斜向下射出，反而具有一定的向上速度，这是由于稳流板叶片高度不够，经叶轮、定子甩出的矿浆自由射流，在稳流板上方与稳流板叶片碰撞使速度方向发生改变，由斜向下变为向上，从而造成纵切面上方形成漩涡，不利于浮选工艺的正常进行。

随着切面高度的增加，流线图出现明显不同，如图8所示，在1.4 m切面上，形成了一个打旋区域，并形成向内为逆时针吸入，向外为逆时针甩出的流线图。出口处出现打旋区域，即出现回流。随着切面高度的增加，还可以看到，浮选槽内达到一定高度以上，矿浆的速度值变化不大，为平稳的分离区。

3 结论与建议

通过本次仿真模拟得到了该大型圆筒型浮选机的流场特征，分析发现：在各稳流板流道内矿浆流动不均衡，部分流道内矿浆速度偏大，由于稳流板叶片沿高度方向尺寸偏小，导致稳流板上方产生了不利于矿物浮选的漩涡，使搅拌区的稳流效果不理想；在浮选槽入料口处存在入料未经假底和叶轮而直接进入浮选槽及槽内部分矿浆回流到入料口的不合理现象。因此建议对该虚拟样机的设计做出如下改进与优化：

(1) 由于在浮选槽入料口处存在入料未经假底和叶轮而直接进入浮选槽及槽内部分矿浆回流到入料口的不合理现象，建议更改矿浆入口截面位置及截面大小，将矿浆入口截面(即入料管)移至稳流板假底以下位置。

(2)稳流板的结构形式、位置，叶片的弯曲度，叶片后部直线段长度及叶片上部靠筒壁端的消除均与槽内流场的不合理及不均衡性存在直接关系，建议对稳流板重新设计。

(3)吸浆管与叶轮下吸口处的间隙虽然很小，但通过的吸浆量很大，容易造成吸浆管管口的磨损，应对吸浆管的易磨损区域做耐磨处理。

[1] 国家能源局. 煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)[R].2015.

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Stimulation of the single-phase flow field of a large-sized cylindrical flotation machine with a cell volume of 60 m3

LIU Chun-yan

(1. Tiandi (Tangshan) Mining Technology Co., Ltd., Tangshan 063012, Hebei, China; 2. Hebei Province Coal Washing & Engineering Technology Research Center, Tangshan 063012, Hebei, China)

Simulation of the 3D flow pattern in a prototype XJM 60 m3cylindrical flotation cell is made using CFD software. Through the analysis of the characteristics of the flow field indicates that: unideal flow stabilization effect due to imbalanced pulp flow in each stabilizer channel; flow of pulp directly into cell from feed inlet without passing through the false bottom and impeller, causing a port of pulp to flow back to feed inlet. Based on the analysis of the characteristics of the flow field, the measures for structural improvement and optimization of the feed inlet, and stabilizer are proposal.

flotation; large-sized cylindrical flotation cell; computational fluid mechanics; characteristics of flow field; structural optimization

1001-3571(2016)04-0001-05

TD943

A

2016-03-13

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.001

河北省重大科技成果转化专项项目(16044104Z)

刘春艳(1982—)，女，河北省唐山市人，工程师，硕士，从事浮选工艺及设备的研发工作。

E-mail：liuchunyan19820424@163.com Tel：0315-7759642

刘春艳. 单槽容积60 m3大型圆筒形浮选机单相流场仿真研究[J]. 选煤技术，2016(4)：1-5.