选煤厂压滤机入料工艺仿真模拟研究

2019-07-25冯曙庆

煤矿现代化 2019年5期

冯曙庆

（霍州煤电集团吕梁山煤电公司洗煤厂，山西方山 033100）

0 引言

压滤机主要有上部入料、中部入料、中上部入料下部入料等这几种入料方式，入料方式的不同，会造成压滤机虑室中的压力、流体流速迥异[1]。压滤机虑室其他条件一样，限定入料压力在某个确定值，若给压滤机不同的入料，则压滤机虑室流体流速分布情况千差万别，进而影响了滤饼的形成时间。要想滤饼快速形成，提高压滤机工作效率，只有控制住虑室中的流体流速均匀分布。入料方式的不同，也造就了虑室中的压力分布情况差异迥然，若在生产过程中，虑室压力过于集中化，就会对滤板和滤布的使用寿命造成严重影响，进而给选煤厂提高了维修支出。

为了减小选煤厂经济成本，论文利用Fluent计算机模拟软件对压滤过程进行仿真，通过仿真模拟研究，分析入料工艺中的压力和流体流速分布，并结合生产实际情况，确定出最优入料工艺方式。可为压滤机的选型、设计等提供理论支持。另外适宜的入料工艺能够提高压滤机生产效率，节约生产成本，最重要的是还会降低滤饼水分，有效降低滤布的损伤，有利于机械化生产。

1 压滤机结构及工作原理简介

1.1 压滤机结构

支撑系统、吹风系统、液压系统、液压收集系统、自动控制系统、执行机构等各个系统组成了压滤机的结构。固定头板、活动尾板、孔板、盲板、主装液体液压缸、辅助液体液压缸、隔开膜片泵、滤液收集装置等组成压滤机执行机构[2]。

用来支撑整个系统的是固定头板、机架并和孔板闭合组成的虑室。滤板又由孔板和盲板组成，在液压系统作用下，他们压紧，煤泥水这时就通过料孔进入，经过滤布过滤作用产生固液分离，这样滤饼就形成了。

液压系统主要提供动力，压滤机的打开关闭也是液压系统实现的。煤泥水在高压过滤过程中，液压系统会让压滤机一直处于闭合状态。完成后压滤机的卸饼状态靠主副液压系统共同作用完成。

用来收集和分流滤板中的液体是滤液收集系统完成。每一个滤板都安装有滤液管，煤泥水经过固液分离后，滤液就会通过滤液管集中到滤液溶装桶内，滤液溶装桶内装有传感器，传感器能够监测感知是否高压过滤是否顺利实现。

压滤机在高压过滤煤泥水时，虑室需要高压空气，因为只有在高压空气的作用下，滤饼中的残留水分才能被吹离，进一步满足较低含水量的滤饼，这个过程就需要吹风系统来控制完成。

压滤机结构的部分重要技术参数详见表1。

表1 主要技术参数统计表

1.2 工作原理

压滤机分为矿浆填充、加压过滤、排水吹风、自动卸饼等四个工作过程，正常情况，压滤机循环时间约为10～12min[3]。压滤机工作原理的几个阶段如下：

矿浆填充阶段：在煤泥水送入压滤机之前，液压泵启动，使主液压缸推动活动板，这时相邻滤板相互紧贴，进而为矿浆充填创造空间。随即隔膜泵自动启动，运用管道迅速把矿浆液输送到各自虑室中。

加压过滤阶段：在上个阶段结束后隔膜泵继续运转，使得每个充满矿浆液的虑室形成压力差，煤泥水中的绝大数水分会被过滤掉，过滤出来的液体经过排水槽和排水板排到规定区域。

排水吹风阶段：在排水的过程中，滤饼就慢慢形成，随着滤饼的成型，水分慢慢减少，这个时候滤液桶中的水位低于阀限时，就会自动显示信号，隔膜泵随即停止运转。虑室会把高压空气压进滤布和排水沟槽中间，强行排走滤饼周围的水分，避免滤饼倒吸，引起反弹。在高压作用下，空气强行进入滤饼颗粒空隙中，将空隙中的水分强行排出，我们称之为空气换水。

自动卸饼阶段：液压泵启动，在其运转下，主液压缸活塞推动活板进行首次卸饼，随后各组辅助液压缸一次完成卸饼。

2 建立Fluent仿真模拟模型

2.1 仿真模拟数学原理

压滤机处理煤泥水过程，就像多孔介质流体渗流作用[4]，附加的动量损失就是由内部损失和粘性损失之和。

式中：Si为动量；D为阻力系数；C为惯性系数；Μ为粘性系数；ρ为密度；v为固液混合速度。

仿真模拟中阻力系数和贯性系数借鉴Ergun[5]方程

式中：ε为孔隙率；Dp2颗粒直径均值。

2.2 建立模型

三维仿真模拟时，虑机过滤面积取200m2，虑室高度取40mm，滤饼的长宽为1800mm×1800mm。因此次模拟三维流体流动，我们采用的是六面体网格，也就是说用六面体进行了块体网格的划分。

结合选煤厂压滤机的实际工作状态，为研究三种入料方式工艺，建立的仿真模拟模型详见图1所示，其中滤室厚度模型中取的50mm，虑室入口直径取80mm，虑室高和宽均取的是1800mm，滤布厚度按实际尺寸定为2mm。

图1 入料方式仿真模型图

3 仿真模拟分析

3.1 上部入料工艺仿真结果分析

在建立的三维模型中，施加初始条件，待模型运行稳定后，创造实际生产状态，设置相应参数对压滤机滤室产生过滤作用进行仿真模拟。上部入料工艺在压滤机滤室中压力、流体流速仿真模拟如2所示。

图2 上部入料方式虑室压力和流体流速

从仿真模拟图2看出，虑室中刚加入煤泥，并且煤泥还未形成滤饼这个过程，压力从上面到下面是一种由大变小的变化趋势。而从入料口方向分析，压力是先变小再增大的变化过程，应力集中在入料口的盲板处，此种情况说明滤板局部会受到很大的冲击载荷作用。若长时间处于这种状态下，必然造成滤布破损，加之孔板与盲板之间力的不均衡性，材料硬件会发生变形破坏。从图中可以读出，底部区域明显比两侧压力值小，原因是煤泥在运到底部位置时，会受到滤板阻碍的作用，进而造成煤泥率先向这个区域运动。从流体流速云图可知，煤泥在上下流动过程中，在入料口速度达到最大值，并随着入料口方向不断衰减，从虑室上下煤泥速度也在不断减小。从整体上看，只有在入料口附近速度变化较大，其他区域正较为均匀，而且是从上往下流动。

3.2 中部入料工艺仿真结果分析

在建立的三维模型中，施加初始条件，待模型运行稳定后，创造实际生产状态，设置相应参数对压滤机滤室产生过滤作用进行仿真模拟。中部入料工艺在压滤机滤室中压力、流体流速仿真模拟如3所示。

图3 中部入料方式虑室压力和流体流速

中部入料工艺仿真模拟压力云图可知，压滤机刚加入煤泥时，煤泥沿着虑室入口方向，压力从大变小变化，压力又从小增大，盲板集中了大量应力，分析其原因，是煤泥刚入速度造就的。因为煤泥速度大，必然引起滤布阻碍，显然煤泥也对滤布产生局部冲击。从虑室竖直方向分析，压力在中间最大，而在两侧是衰减的。从流体速度云图分析，煤泥不仅从水平方向穿过滤布，而且会上下同时运动进而产生滤液，在入口处其流速达到最大。从入口方向来看，煤泥流速是慢慢变小的，在入料口处，煤泥速度也是在向两侧递减的。

3.3 下部入料工艺仿真结果分析

利用计算机仿真下部入料工艺过程，煤泥在液压虑机的虑室作用过程中压力和流体流速的仿真结果如图4所示。

图4 下部入料方式虑室压力和流体流速

从上图4压力云图可以看出，沿着虑室入口方向，煤泥在被运作过程中，其压力是由大变小再变大，而且局部区域集中了大量压力，因为煤泥在送入虑室中时，经过滤布的过滤，相应增加了阻力，因而下部入料口必然会受到较大冲击作用。另外，从滤室竖直方向观察，发现压力由下往上先增大，再减小，在震动作用下，煤泥向两侧运动过程中会发生固液分离，进而滤液进入滤室。流体流速云图观察得出，下部入料管中达到了最大流速，因煤泥同时向上向下运动，入料口盲板处流速要比其他区域小很多，主要是因为流体在盲板区域形成了涡流现象。入料口盲板因其率先接触煤泥，底部与入料口之间整体出现较大流速，再从入料口向上方向观察，发现煤泥速度渐渐变小。

4 三部入料工艺对比分析

为了比较三部入料工艺优劣，确定最佳入料方式。把三部入料工艺中煤泥刚进行过滤流程的仿真模拟结果，导入matlab软件中，三种压力曲线结果如图5所示。

图5 三部入料压力曲线图

由图5可知，三部入料工艺均会产生压力集中，都会冲击滤板。但是上部入料工艺对滤板产生压力最大，中部入料工艺次之，底部入料工艺压力最小。从图中也能看出无论采用上部入料工艺还是下部入料工艺，均会造成较大压力于滤室顶部和滤室底部。当运用下部入料工艺时，在滤室中部反而产生了负压，这不利于滤饼的生成，运用中部入料工艺上下运作过程中受力较为均匀，就压力来看，采用中部入料工艺较为适宜。

为了比较三部入料工艺优劣，确定最佳入料方式。把三部入料工艺中煤泥刚进行过滤流程的仿真模拟结果，导入matlab软件中，三种速度曲线结果如图6所示。

图6 三部入料速度曲线图

从三部入料速度曲线图看，在煤泥刚输送进滤室中时，三种入料工艺的入料管中煤泥速度都是处于峰值。但从入口煤泥速度来看，下部入料工艺最大，中部次之，下部入料工艺最小，主要是因为下部入料工艺的煤泥较快充填。在三部入料工艺中，入料口区域均存在小于其他区域的流速，因为这三步入料工艺煤泥在进入时均会产生涡流。上部入料工艺煤泥是向下流动的，中部入料工艺的煤泥同时向上向下均会流动，下部入料工艺煤泥不仅向下也会向上流动，但是入料口向下流动速度大于上部流速，因而煤泥率先在底部吃满。单就煤泥流速来看，中部入料工艺较好。

综上，结合入料工艺煤泥压力和速度，三部入料工艺中采用中部入料工艺效果最佳，也是最有利的。