参数变化对水力旋流器流场的影响

郭丹丹

（山西焦煤霍州煤电三交河煤矿， 山西 洪洞 031400）

0 引言

选煤厂是对原煤进行处理加工的场所，可对原煤的等级进行划分，从而实现了对煤炭资源的充分利用。旋流器、振动筛等均为选煤厂的核心设备。其中，旋流器包括水力旋流器和重介质旋流器。水力旋流器由于其结构简单、操作方便以及成本低等优势被广泛应用。但是，当前对水力旋流器的理论研究较少，对其生产时的流场特性掌握不充分。基于此，将重点研究水力旋流器的流场特性，为今后水力旋流器的分选效果、分级效果以及浓缩等效果参数设计奠定基础。

1 水力旋流器概述

水力旋流器主要对两种或多种密度不等的液相在流体压强的作用下进行分离。鉴于水力旋流器的离心加速度远大于待分选物料的重力加速度；因此，水力旋流器的分选效果远高于重力旋流器，水力旋流器的基本结构如图1 所示。

图1 水力旋流器基本结构示意图

从理论上讲，水力旋流器的分选效果与其本身的参数相关，包括结构参数、操作参数以及物性参数等[1]。本文重点对不同结构参数和操作参数下水力旋流器的流程进行分析，为确定最佳工艺参数提供支撑。其中，操作参数主要指水力旋流器的给入流量、分散相浓度和安装角度。结构参数重点指水力旋流器的入口结构尺寸、柱段结构尺寸、溢流管结构尺寸、锥段结构尺寸、沉砂管结构尺寸等[2]。

2 参数变化对水力旋流器流场的影响

2.1 给入流量对水力旋流器流场的影响

本节对水力旋流器给入流量为5 L/min、15 L/min、25 L/min、35 L/min 以及45 L/min 五种情况下其内部流场的变化进行分析。

2.1.1 给入流量对空气柱的影响

给入流量参数直接反映为水力旋流器中的矿压强。当给入流量越大时，在水力旋流器内部形成空气柱所需的时间越短，其内部流场越快达到动态平衡状态；而且不同给入流量对应最终所形成空气柱的直径也存在明显的差异。对上述两种情况进行定量仿真分析，仿真结果如表1 和图2 所示[3-4]。

表1 不同给入流量对应空气柱成型所需时间

图2 不同给入流量对应所成型空气柱的直径

如表1 所示，随着给入流量的增加，水力旋流器内部空气柱的成型所需时间减小；不同的是，当给入流量为25 L/min 时，继续增大给水流量，空气柱成型所需时间减少幅度减小。

如图2 所示，空气直径最大对应的给入流量为5 L/min，其次为15 L/min；从给入流量为25 L/min 开始所形成的空气柱的直径大致相同。

单从对不同给入流量对空气柱的影响来看，应将给入流量设定在25～45 L/min 之间。

2.1.2 给入流量对水力旋流器分离比和压强降的影响

通过上述研究，重点对给入流量为25 L/min、35 L/min 以及45 L/min 时对水力旋流器分离比压强降的影响仿真分析，通过仿真分析得出不同给入流量下对应水力旋流器内部沉砂分流比和总压降结果如表2所示。

表2 不同给入流量下水力旋流器的压降和分流比对比

如表2 所示，随着给入流量的增加，水力旋流器中沉砂分流比减小；对应的水力旋流器中总压降增大。水力旋流器分选的动力源为通过压强实现物料的分选。因此，当压降过大时，会直接影响物料的分选效果。

综上对于水力旋流器而言，为保证分选效果应将给入流量设定为25 L/min 为最佳。

2.2 柱高度对水力旋流器流场的影响

本节对水力旋流器给柱高度为50 mm、72 mm、85 mm 以及100 mm 四种情况下其内部流场的变化进行分析。

2.2.1 柱高度对空气柱的影响

柱高度属于水力旋流器的结构参数。当柱高度越大时，在水力旋流器内部形成空气柱所需的时间越长，其达到内部流场动态平衡状态所需时间也越长；而且不同柱高度对应最终所形成空气柱的直径也存在明显的差异。对上述两种情况进行定量仿真分析，仿真结果如表3 和图3 所示。

表3 不同柱高度对应空气柱成型所需时间

图3 不同柱高度对应所成型空气柱的直径

如表3 所示，随着柱高度的增加，水力旋流器内部空气柱的成型所需时间延长；不同的是，当柱高度为72 mm 时，持续增加柱高度对应空气柱成型的时间相近，与100 mm 柱高度仅差0.1 s[5]。

如图3 所示，随着柱高度的增加对应所形成空气柱的直径减小；而且当柱高度为100 mm 时，空气柱还存在中断的趋势。单从对不同给柱高度对空气柱的影响来看，应将柱高度设定在72～85 mm 之间合理。

2.2.2 柱高度对水力旋流器分离比和压强降的影响

对柱高度为50 mm、72 mm、85 mm 以及100 mm对水力旋流器分离比压强降的影响仿真分析，通过仿真分析得出不同柱高度下对应水力旋流器内部沉砂分流比和总压降结果如表4 所示。

表4 不同柱高度下水力旋流器的压降和分流比对比

如表4 所示，随着柱高度的增加，水力旋流器中沉砂分流比先增大后减小，且在柱高度为85 mm 时对应的沉砂分流比最高；对应旋流器总压降减小。

因此，综合比较不同柱高度对水力旋流器内部成型空气柱达到稳态所需时间和总压降、沉砂分流比，将柱高度设定在85 mm 为最佳。

3 结论

水力旋流器为选煤厂的分选设备之一，其依靠设备内部压强以及离心加速度实现对物料的分离，与传统重介质旋流器相比具有分选效果好、成本低以及操作简单的优势。水力旋流器的结构参数和操作参数是影响最终分选效果的关键参数。本文通过试验仿真重点对结构参数中的柱高度和操作参数中的给入流量对水力旋流器流场的影响展开研究，并总结如下：

1）对于操作参数的给入流量而言，当给入流量为25 L/min 时，对应空气柱成型达到动态稳定的时间、总压降等方面最佳，有利于对物料的分选。

2）对于结构参数的柱高度而言，当柱高度为85 mm 时，对应空气柱成型达到动态稳定的时间、总压降等方面最佳，有利于对物料的分选。