多锥水介旋流器的流场特性及其分选效果

赵 辉， 崔广文

(1.陕西能源职业技术学院， 陕西 咸阳 712000； 2.山东科技大学 化学与环境工程学院， 山东 青岛 266590)

0 引 言

水介旋流器是一种利用离心力对物料实现按密度分选的设备，在选煤厂中往往被用来处理和回收0.2～3.0 mm粗煤泥[1-3]。与重介质旋流器不同，其在工作时不需要额外添加重介质，而是依靠自身的结构特点，在内部形成高密度悬浮液，一般称之为自生介质。因此，水介旋流器也被称之为自生介质旋流器。几乎所有水介旋流器均具有以下相似的内部结构特征。首先，拥有较大的锥体角度或较大的第一段锥体角度；其次，下端边距较小，即溢流管插入筒体后距离底流口较近；最后，水介旋流器还拥有较粗的溢流管。大锥角的存在加之插入更深的溢流管造成溢流管下端与底流口的距离显著缩短，这种结构变化减少了径向方向上不同粒子的沉降时间。因此，在颗粒从水介旋流器排出之前，大多数较大但较轻的粒子仍处在相对较小的径向位置，因而沿内螺旋上升流运动。较粗的溢流管可以扩大溢流与底流的分割比，使上述颗粒有更大的机会出现在溢流[4-6]。总的来说，上述结构特征促使水介旋流器降低了分选密度，提高了分级粒度，实际分选性能有了进一步提升。在粗煤泥分选中，传统水介旋流器拥有结构简单，无运动部件，无需自生介质，生产维修成本低等优点，在与其它粗煤泥分选设备相比时具有一定优势[7-8]，然而，分选精度差，与效率低是该旋流器明显的缺点[9]。

崔广文[10-11]首次提出将多锥水介旋流器应用到粗煤泥分选中，在原有传统水介旋流器结构特点的基础上进一步改进，提高其分选精度及效率。该旋流器拥有3段锥体，每段锥体的角度均不相同且角度从锥体顶部到底部递减。锥体是旋流器主要分选部分，改变锥体结构优化分选效果被很多学者竞相研究。将旋流器锥体部分分为3段，起初旨在松散煤泥，扩展分选空间，延长分选时间。为了更好地揭示多锥水介旋流器的分选原理，提高对粗煤泥的分选效果，笔者应用CFD数值模拟对比分析多锥水介旋流器与传统水介旋流器内部流场的差异，阐明旋流器内3段锥体的分选原理，通过实验室实验，验证其相较于传统水介旋流器分选效果的优越性。

1 内流场数值模拟

1.1 参数设置

基于商业CFD软件ANSYS Fluent 15.0模拟两种旋流器内部流场，主要结构参数如表1所示 。筒体直径D、筒体高度H、入料管长和宽尺寸l×b、溢流管直径d1、底流管直径d2、溢流管插入深度h。

表1 旋流器的主要结构参数

根据实验室真实尺寸，运用Design Modeler对两种旋流器进行三维建模。将三维模型导入ICEM中划分网格，两种旋流器模型均按照块拓扑六面体结构形式进行网格划分，如图1所示。与非结构网格相比，结构网格能够在减少网格划分数量的同时提供较高的模拟精度[12]。根据网格无关性验证，多锥水介旋流器与传统水介旋流器的网格数量分别被确定为21万和19万。

图1 旋流器网格Fig. 1 Cyclone grid

入料口被设置为速度入口，入口流速为5.5 m/s，溢流口和底流口均被设置为压力出口，且空气相的回流系数设为1，相对压力设为0(与大气相连)。旋流器内部壁面定义为静止无滑移壁面，近壁面采用标准壁面函数[13-14]。由于雷诺应力模型具有各向异性的优势，能直接计算雷诺应力相及湍流耗散系数，尽管可能需要更高性能的计算机及更长的计算时间，但鉴于其能对旋流器内三维旋转强湍流进行精准计算，故模拟选择雷诺应力模型作为湍流模型[15-17]。体积分数模型用来模拟旋流器内部水-气两相流场，能够得出清晰的水-气界面，更好地模拟空气柱[18]。随后将体积分数模型改为混合物模型，得到水-气-煤三相流场的密度分布。

1.2 数据模拟

模拟全程采用SIMPLEC算法作为速度-压力耦合关系的算法。本次模拟在获得两种旋流器稳定两相流场后，均加入体积浓度为10 % 的1.0 mm、1 600 kg/m3的煤颗粒来获得两种旋流器稳定的三相流场。选取与入料管平行的中轴平面作为研究平面，在研究平面上各取3条长度相等的特征线，如图2所示。其中，sz表示三锥，dz表示单锥。

图2 旋流器特征线Fig. 2 Cyclone characteristic line

2 分选实验

2.1 实验煤样

粗煤泥选自新汶矿业集团有限责任公司孙村选煤厂。为了解煤质特性，明确适宜分选方法，根据国标对其进行筛分，浮沉实验。该煤样粒度和密度组成分别见表2和3。

表2 煤样粒度组成

从表2可以看出，此粗煤泥的粒度主要集中在0.3～1.0 mm，每个粒度级的灰分接近于总灰分。大于1.0 mm的煤泥灰分为31.60%，相对较高，但该粒度级较少。0.5～1.0 mm质量分数最高，达到41.61%。从表3可知，此粗煤泥低密度级含量较高，-1.3 g/cm3密度级质量分数为45.69%，表明该粗煤泥含有大量低灰精煤。高密度级质量分数同样较高，+1.8 g/cm3密度级为16.69%，其它密度级相对较少，说明该煤泥较适合重力分选。

表3 煤样密度组成

2.2 实验系统与方法

旋流器分选实验在一个闭路循环系统中进行，如图3所示。

图3 旋流器分选系统Fig. 3 Cyclone sorting system

实验开始，打开回流控压阀、渣浆泵及混料桶中的搅拌器，随后将煤样加入混料桶中，该混料桶事先加入定量清水(本次实验入料矿浆质量分数设置为15 %)；待搅拌均匀后，打开阀1，煤浆被切向注入旋流器中。通过调节回流控压阀和阀1对旋流器入料压力进行调节(本次实验压力设置为0.06 MPa)，待压力稳定后，从取样点接取溢流、底流样品进行灰分测定。分选实验所使用的旋流器尺寸与CFD数值模拟相同。分选实验将-0.20 mm粒级物料看作自生介质，故+0.20 mm粗煤泥被视为分选物料。在取样结束后，分别对溢流、底流0.20 mm以上的粒级进行灰分测定，根据灰分平衡法，计算出两种产品的产率。同时，对上述物料进行浮沉实验，获得其密度组成，进而求解出两种旋流器分选该煤样的分配曲线。

3 结果与讨论

3.1 多锥水介旋流器流场

3.1.1 压力分布

两种旋流器内部流场的压力分布如图4所示。从图4可以看出，两种旋流器内部流场的压力分布情况基本一致，压力分布在径向方向呈现轴对称形态，径向最大点即旋流器壁面处压力达到最大，径向最小点即旋流器轴心附近压力最小，一般降低至0以下，形成负压区，也正是由此形成了空气柱。相比较而言，锥体内部除中心负压区外，其他区域多锥水介旋流器在各特征线上的压力值均低于传统水介旋流器。由于空气柱运动中心与大气相连，其静压值基本为负值，故而说明在相同处理能力下，多锥水介旋流器的能耗低于传统水介旋流器。

图4 两种旋流器压力分布Fig. 4 Pressure distribution of two cyclones

3.1.2 速度分布

流体在旋流器内部做三维运动，其速度由3个速度分量组成，分别为切向速度、轴向速度和径向速度。切向速度具有决定旋流器流场中颗粒离心力和旋流器分离效率的重要作用，是旋流器三维速度中最核心的部分。两种旋流器内部流场的切向速度分布如图5所示。从图5可以看出，两种旋流器切向速度分布情况与压力分布情况类似，均呈现轴对称形态，但沿径向方向从壁面到轴心处逐渐增大，在到达确定径向位置后，该速度值反而快速下降。这体现出两种旋流器内部流场均符合组合涡运动。所有切向速度最大值组成类柱锥面，称为最大切向速度轨迹面，该轨迹面被认作组合涡的分界面，轨迹面外部被称为准自由涡，流体微元基本只绕轴公转，无太多能量消耗，此区域为旋流器主要分离区域，轨迹面内部为强制涡，流体微元除绕轴公转外，也会发生自转，故而存在较高的能量损耗，这也是切向速度在此区域急剧下降的原因。相较于传统水介旋流器，多锥水介旋流器基本上具有更大的最大切向速度，较大的离心强度提高了旋流器的分选效率与精度。

图5 两种旋流器切向速度分布Fig. 5 Tangential velocity distribution of two cyclones

轴向速度在锥体内径方向上的改变是旋流器内溢流和底流两种产物发生分离的最直接原因。内螺旋流的轴向速度向上，其携带部分颗粒向上运动从溢流管排出，形成溢流产品。外螺旋流轴向速度向下，携带剩余部分颗粒从底流口排出，形成底流产品。两种旋流器内部流场轴向速度分布如图6所示。从图6可以看出，两种旋流器轴向速度分布具有相似特征，径向上基本呈轴对称分布。近壁区域，流体轴向速度向下，随着径向上的深入，其轴向速度逐渐减小，到达确定径向位置后变为0，随后，流体转向，轴向速度向上，并且逐渐增加。所有轴向速度为0点组成类柱锥面，被称为零速包络面，是内外螺旋流的分界面。从图6可以看出，多锥水介旋流器内外螺旋流的轴向速度均大于传统水介旋流器，在促进物料排出和提高旋流器处理能力方面均起到了积极作用。

图6 两种旋流器轴向速度分布Fig. 6 Axial velocity distribution of two cyclones

径向速度在3个速度分量中最小，很难通过传统计算获得，通过数值模拟则可较易获得该速度。两种旋流器特征线上的径向速度比较如图7所示。

图7 两种旋流器径向速度分布Fig. 7 Radial velocity distribution of two cyclones

从图7可以看出，两种旋流器的径向速度分布具有相似的特征，基本在径向上呈现出中心对称的“摆动”分布。径向上距中轴线相同距离的两侧具有方向相反但大小相等的径向速度。两种旋流器在筒体及锥体上部具有极为相似的径向速度值及分布特征，但锥体底部，该速度值及分布方式存有较明显的差异。多锥水介旋流器的径向速度在锥体底部较小，这也与其下部锥体角度较小有关，可以促进煤颗粒按离心力获得分选。

3.1.3 湍流强度

当流场中流速较大时，流体内部相互干扰、碰撞，运动杂乱无章，形成小漩涡，此时的流动状态即为湍流。由于旋流器内能够产生强烈的三维强旋转湍流运动，因此湍流强度的大小会对最终的分选效果产生严重影响。获得两种旋流器特征线上的湍流强度分布并进行对比，如图8所示。

图8 两种旋流器湍流强度分布Fig. 8 Turbulence intensity distribution of two cyclones

从图8可以看出，对于旋流器的筒体部分，两种旋流器的湍流强度分布具有相似的特征，均在径向上呈轴对称形态。湍流强度沿径向方向从壁面到轴心处逐渐降低。而对于旋流器的锥体部分，两种旋流器的湍流强度分布则呈现差异性，虽然在径向方向的变化规律相对一致，均类似于抛物线表现为先降后升，但湍流强度的大小差异较大。传统水介旋流器的最大湍流强度位于锥体壁面处，而多锥水介旋流器则位于锥体轴心处，且轴心处的湍流强度明显高于前者。两种设备相比较，多锥水介旋流器在锥体轴心处的流体运动更剧烈，有助于物料更好的松散分层以实现高效分选。

3.1.4 密度分布

密度是水介旋流器实现轻重产物分离的根本影响因素，因此，密度分布就显得尤为重要。与重介旋流器不同，水介旋流器的密度场是由部分入料在离心力的驱使下形成的，密度场的形成增加了等沉比，促进了对煤颗粒按密度分离。多锥水介和传统水介旋流器的密度分布如图9所示。

图9 两种旋流器密度分布Fig. 9 Density distribution of two cyclones

由图9可见，两种旋流器1 000～1 100 kg/m3和1 100～1 200 kg/m3密度层具有相似的分布位置及特点。多锥水介旋流器1 200～1 300 kg/m3密度层的分布范围小于传统水介旋流器，然而，1 300～1 400 kg/m3及+1 400 kg/m3密度层的分布范围要大于传统水介旋流器。煤颗粒的密度基本大于1 200 kg/m3，可以判断两种旋流器的有效分选区域集中在筒体下部和锥体部分，后者相对是主要分选区域。

两种不同的旋流器其锥体部分密度层变化情况略有异同，相同点在于密度自上而下，由内向外逐渐增大，越靠近锥壁和底流口密度越大，越靠近溢流管则密度越小；不同点是对于多锥水介旋流器其密度层在轴向方向自上而下密度逐渐增大。随着分选过程的进行，被重产物包裹在内的物料逐渐被释放出来，加之锥体高度较大带来的较长分选时间，使物料的分选在多锥水介旋流器中更加充分准确。

3.2 分选效果

两种旋流器的分选结果如表4所示。从表4可以看出，传统水介旋流器的溢流灰分高达20.13%，分选效果较差，得到的溢流不能够满足精煤灰分要求。相比而言，多锥水介旋流器在保证产率的同时，其溢流灰分下降了近8%，降灰显著，由此可见，多锥水介旋流器的分选效果要明显优于传统水介旋流器。绘制两种旋流器的重产物分配曲线，如图10所示。

表4 两种旋流器分选结果

图10 两种旋流器重产物分配曲线Fig. 10 Product distribution curves of two cyclones

结合旋流器本身结构特点和分选特性，采用可能偏差和不完善度评比两种旋流器的分选精度。利用分配曲线图查值后计算得到，多锥水介旋流器的可能偏差为0.08 g/cm3，不完善度为0.17；传统水介旋流器的可能偏差为0.21 g/cm3，不完善度为0.31。对比可知，多锥水介旋流器的两项评定指标均较小，由此，可见其分选精度更高。

4 结 论

(1)多锥水介旋流器与传统水介旋流器相比，其锥体分选特点相同，在压力分布、速度分布、湍流运动形态，以及密度场等三维旋转流场特征方面均有较高的相似性，表明多锥水介旋流器具有与传统水介旋流器相同的分选原理。

(2)两种不同旋流器的模拟表明，在相同结构参数条件下，多锥水介旋流器在密度分布、锥体结构和湍流强度具有一定优势，能够使物料得到充分松散和分选，证明多锥水介旋流器能够提高分选精度。

(3)通过实际煤样分选实验得到多锥水介旋流器的可能偏差为0.08 g/cm3，不完善度为0.17，两项重选指标均低于传统水介旋流器，验证了模拟结果的可靠性和准确性。