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预分选无压给料三产品重介质旋流器的流场分析与应用


第4期









No.4

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文章编号:100l一357l

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预分选无压给料三产品重介质旋流器的 流场分析与应用
张力强’,秦云2,郭秀军。 (1.煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山063012; 2.河北能源职业技术学院,河北唐山063000) 摘要:介绍了无压给料三产品重介质旋流器的应用现状。深入分析了其在运行过程中精煤产品受 重产物污染、中煤带煤量高的原因,设计开发了带预分选装置的无压给料三产品重介质旋流器, 从而有效解决了精煤产品夹矸、中煤带煤量高的问题,提高了分选精度和精煤产率。文章还利用 计算流体力学软件对带预分选装置的无压给料三产品重介质旋流器的流场进行了数值模拟,通过 与普通旋流器流场数值对比。分析了预分选装置对无压给料三产品重介质旋流器内部流场的影 响,并介绍了耷1400/1050型预分选无压给料三产品重介质旋流器的现场应用情况。 关键词:预分选无压三产品重介质旋流器;分选效果;影响因素;预分选装置;内部流场;应用
中图书分类号:TD942+.7

文献标识码:A 出了当时世界上规格最大的3Nwxl200/850型无 压给料三产品重介质旋流器,台时处理能力达250
一350

在选煤技术中,重介质选煤工艺是一种效率很 高的分选方法,自问世以来,便以高效率、高分选 精度得到迅速推广,为选煤生产所广泛采用。重介 质选煤技术的核心设备之一是重介质旋流器,因而 重介质旋流器事关该技术的发展。近年来,我国重 介质选煤技术得到了迅速发展,极大得益于以无压 三产品重介质旋流器为核心的简化重介工艺的推广
应用。


t,而且分选效率高,二段分选密度可在线

调节.分选下限达0.3mm。 2002年,我国又研制成功了直径由1300/ 920mm、由】400/1000mm型重介质旋流器,并成功 应用于选煤生产,单机处理能力达450—550t/h, 取得了显著的经济效益。目前,已广泛应用于全国 不同规模的选煤厂。

无压给料三产品重介质旋流器的发展及


应用现状

2无压三产品重介质旋流器分选效果的影 晌因素分析H吒1
虽然无压三产品重介质旋流器已得到广泛的应 用,但在实际运行中,很多设备不同程度地存在精 煤带矸和中煤带煤量大的现象,原因在于该类型产 品在工艺参数设置和自身结构方面尚存在一定的不
足。

无压给料三产品重介质旋流器是我国20世纪 80年代后期研究开发的高效选煤设备,具有体积 小、本身无运动部件、处理量大、分选效率高、性 能稳定等特点。上世纪80年代末,煤炭科学研究 总院唐山研究院率先研制成功了3NwX型无压给 料三产品重介质旋流器及其配套工艺,并成功应用 于工业生产。 1999年.由煤炭科学研究总院唐山研究院承 担、贵州盘江煤电(集团)公司老屋基选煤厂协 作实施的“九五”攻关课题的研究成功,为重介 质选煤设备的大型化发展奠定了坚实的基础,研制
收稿日期:2009一∞一2l 作者简介:张力强(1979一),男,河北省石家庄人.工程师。 2∞3年毕业于西安工业学院机械工程专业,现就职于煤炭科学研 究总院唐山研究院旋流器研究室。主要从事矿物加工工艺及设备方 面的技术研究工作,E—mail:mumuxwol@163.com。联系电话: (0315)7759443。

目前,很多使用厂家都在通过增加介质的入介 压力、减少给煤量等方法来改善无压三产品重介质 旋流器分选效果,但这种调节方式并不能彻底解决 问题,反而造成了产量的降低以及能耗与磨损的增
加。 2.1影响因素分析

(1>人介压力。入介压力对分选精度有很大的 影响,压力过低,将使旋流器内部原煤的切向速度 降低,作用于颗粒上的离心力变小,造成轻重产物
:,‘

相互搀杂,影响分选精度;压力过高,又会使旋流


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器内部非工作需要而产生的空气柱直径增大,且变 得更加不稳定,并使气一液界面加厚,大大影响分 选精度,使分选效果变坏。所以,入介压力的选取 对精煤带矸、中煤带煤的影响很关键o (2)悬浮液黏度。原煤中细颗粒的含量对原煤 的精确分选也有很大的影响。原煤中细颗粒增多, 很容易造成悬浮液黏度增大,在入介压力一定的前 提下,悬浮液黏度越大,在旋流器内部形成的流速 梯度场就相应越小,对细颗粒煤分选的干扰就越严 重。同时,细颗粒煤在旋流器内部与悬浮液接触过 程中,还容易形成团聚现象。从而造成细颗粒原煤 分选效果差,各种产品相互污染。 (3)原煤人选量。不同旋流器的直径对应不同 处理量,根据入选煤质的不同。降低处理量,分选 精度会有所升高,但影响产能,无法满足选煤厂生 产需求;当处理量过大时,产品相互污染程度会加 剧。原因在于,入介压力不变则进入旋流器的悬浮 液总量和其自身动能是基本不变的,入选原煤量增 大,则悬浮液带动原煤旋转消耗的能量就增大。悬 浮液的切向速度就会相应降低.从而影响原煤的精 确分选;而且,合理的液固比是精确分选的保证, 当人选原煤增加时,旋流器内部的液固比会相应降 低,分选效果也会变差,从而造成产品相互污染。 (4)中心给料方式。目前无压给料三产品重 介质旋流器均采用中心给料方式。悬浮液和原煤分 开给人旋流器内,悬浮液在一定压力下由泵给人, 从而在旋流器内部形成一定的速度场和密度场,原 煤依靠重力给人旋流器,避免了原煤的过粉碎.减 小了管道、设备的磨损。但是.原煤由自重进入旋 流器后,由于原煤人口临近一段旋流器的中矸出 口。因而可造成部分原煤还未经分选便直接进入了 二段,从而使部分精煤流失。同时,在离心力的作 用下,被选原煤由中心向器壁按密度分层,低密度 产物随中心内螺旋流由溢流口排出,高密度重产物 很快到达器壁,并从给料端的周边沿切向排出,而 中间密度产物会在距离旋流器周边排料口不远处形 成一个动平衡的阻挡层,部分原煤在这里进行二次 分选。由于中心给料方式的旋流器在远离中心而靠 近器壁的切向速度较低,故在原煤进行二次分选 时,作用于颗粒的离心力明显要低于在中心处的离 心力,因而细粒重产物、中间密度产物与轻产物分 离精度降低,从而造成轻、重产物相互搀杂。这是 其分选细粒级煤精度低、效率低。以及精煤污染问 题的主要原因。


2.2解决方法 如何解决中心给料方式的无压三产品重介质 旋流器的精煤污染问题是众多选煤厂亟待解决的 问题,很多选煤厂也进行了尝试性试验,并取得 了一定的效果。目前,各厂采取的主要措施有: 严格控制悬浮液的给人压力和原煤给入量;在原 煤给人旋流器前设置结构合理的给料漏斗;设置 原煤缓冲仓,使原煤均匀给入,并得到充分润 湿、分散;在入料缓冲漏斗内增设圆锥型条缝分 散罩等。 经过现场实践,以上方法实施较为简单,运用 较为灵活,调节也相对方便,可取得一定的效果, 使分选效果有所改善,但是或多或少带来了能耗、 磨损等相应问题,并不能从根本上解决精煤带矸的 问题。 ‘煤炭科学研究总院唐山研究院针对目前广泛应 用的无压给料三产品重介质旋流器存在的不足,在 深入分析旋流器内部流场和多次试验的基础上,合 理改变了设备结构,设计开发了带预分选装置的无 压给料三产品重介质旋流器¨o,通过增加预分选 装置,从根本上解决了中心给料方式的无压三产品 重介质旋流器在应用过程中的精煤带矸问题,同时 也使中煤带煤量大大降低。由于该旋流器具备了更 稳定的内部流场,因而与普通旋流器相比,带预分 选装置的无压给料三产品重介质旋流器分选精度得 到了提高,处理量也略有增加。

3预分选无压给料三产品重介质旋流器的 内部流场分析‘4-6】 研究采用先进的计算流体力学——Fluent软件
数值模拟配合设计,对普通结构旋流器和带预分选 装置的旋流器的内部流场进行了数值模拟,以探讨 预分选装置对内部流场的影响。 在试验的基础上,建立了由850mm数值模拟 模型,得到了两种不同形式旋流器模拟模型的密度 场、压力场和速度场。基于理论性研究,模拟时, 带预分选装置的旋流器压力设置比普通旋流器低
5%。 3.1

压力场 由图l可以看出。带预分选装置的旋流器内部

压力场梯度要比普通结构旋流器均匀,压力扰动带 来的流场紊乱大大降低,这对煤在旋流器内按密度 精确分选是有利的。

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张力强等:预分选无压给料三产品重介质旋流器的流场分堑墨生旦

兰塑生墨旦堑旦

(a)普通结构旋流器 圈l

(b)预分迓结构旋流器

两种形式旋漉嚣数值模拟压强剖面圈

在旋流器中.依靠入口的速度和压力产生旋 转的很少有(几乎没有)单一涡存在,通常都是 由自由涡和强制涡两种涡形成的组合涡。 从图2两种不同形式的旋流器数值模拟旋涡

状态尺度图中可以看出。带预分选装置的重介 质旋流器其内部旋涡状态要比普通旋流器平稳, 这对煤的分选和减少无谓的能量损耗是有好处
的。

(a)普通结构旋流器

(b)预分选结构旋流器

圈2两种形式旋凌嚣数值模拟旋涡状态尺度翻面田

在旋流器内,由于回流的作用在溢流口和入料 口之间形成了空气柱。从图l中可以看出,在两种 形式旋流器中心都形成一个负压区,由于这个负压 区的存在把空气从人料口吸人从溢流口排出,从而 形成了空气柱,如图3。 由图3可以看出。两种形式旋流器中心处均

有一个相通的空气柱存在,空气柱的表面也形成 了极不稳定、极不均匀的气一液界面,它对原煤 的分选起到干扰作用。由图3比较得出,与普通 旋流器相比。带预分选装置的旋流器气一液界面 更稳定,更均匀.梯度变化更平稳,这就提高了 原煤的分选精度。

(a)普通结构旋流器

(b)预分选结构旋流器

啊3两种形式旋流嚣数值模拟密度梯鹰分布圈

3.2密度场 从两种不同形式旋流器的轴向不同位置截面的 密度对比图(图4)中可以看出沿轴向贯通的空气 柱的存在,且带预分选装置的空气柱更接近于中心 处,即空气柱的波动更加稳定。空气柱的平稳度决 定了旋流器内部能量损耗的大小和分选精度,空气 柱越平稳.空气柱与悬浮液交界处的气一液混合层 越薄,能量损耗越小,分选精度越高。因此,带预 分选装置的旋流器空气柱消耗掉的无谓能量要低于 普通旋流器,而分选精度要高于普通旋流器。

3.3速度场
3.3.1

切向速度

无压给料三产品旋流器在运行时,原煤从中心 无压轴向给入,故开始时原煤的切向速度为零,尔 后随着原煤在悬浮液的带动下产生径向位移,并逐 渐达到悬浮液的切向速度,这就造成了被选原煤与 悬浮液在旋转速度上有较大的差异.两者速度拟合 过程中也造成了流场的紊乱。切向速度为零的原煤 被悬浮液带动产生同步的切向速度。消耗了原煤给 入处悬浮液的大量能量。


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半径/岫 (a)轴向500岫处密度对比图
圈4 (b)轴向l 500咖处密度对比图 (c)轴向2 500啪处密度对比图

两种形式旋流器轴向密度对比田

从图5中可以看出。带预分选装置的旋流器, 轴向靠近中心处的尾端切向速度较普通旋流器篓大 得多,即此处的悬浮液由于预分选装置的存在而具 有更多的动能,以保证原煤在给入旋流器后,在较 大的离心力下得到迅速的预分选,在较短的时间内 达到和悬浮液相同的切向速度,保证了旋流器原煤 给入区域的流场稳定。同时。较大的切向速度能够 保证细颗粒的快速分选,避免了普通旋流器由于原 煤给入处切向速度过低而造成无切向速度的细颗粒 高密度产物无法有效分选而直接随内螺旋流从溢流 排出污染精煤的现象。从图6和图7中可以看出, 带预分选装置的旋流器即使在人介压力低于普通旋 流器的条件下,旋流器内部介于高密度区域和低密 度区域中问部分的二次分选区内的悬浮液也可以达 到和普通旋流器相同的切向速度。同时,由图中还 可以看出,带预分选装置的旋流器内部二次分选区 域相同半径处轴向方向上切向速度变化率要比普通 旋流器小,这就保证了原煤特别是中间密度产物的 精确分选,因此带预分选装置的旋流器分选精度要 高于普通旋流器。从图8中可以看出,在贴近器壁 处,两种旋流器的切向速度的轴向变化率相对都比 较均匀,但带预分选装置的旋流器切向速度要低于 普通旋流器,这对降低筒壁的磨损是有好处的。需 要说明的是,图5所示切向速度相对于其他图来说 波动率要大得多。这是因为半径lOOmm处正处于 空气柱与悬浮液交界面,不稳定的空气柱对该处的 切向速度产生了影响。


程,中间存在一个零速点,若干个零速点形成了零 速包络面.物料随其外部悬浮液强烈旋转,并同时 沿着器壁向下做螺旋运动。形成向下的外螺旋流从 底流口排出,在其内部形成的内螺旋流从溢流口排 出。旋流器内悬浮液的轴向速度决定着轻重产物在 内外螺旋流中移动的时间。

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轴向长度/哪

圈6半径200mm处切向速度对比

轴向长度/咖
圈7半径300mm处切向速度对比

圈8半径400mm处切向速度对比

图9为两种型号旋流器轴向不同截面的轴向速 度对比图。从图9(a)中可以看出,在靠近精煤 出口的溢流端,带预分选装置的旋流器内螺旋的轴 向速度要大于普通旋流器。这有利于减少精煤及部 分低密度悬浮液在旋流器内的停留时间,加快溢流 的排出速度。可以起到增大处理量的作用。从图9
轴向长度/哪



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图5半径100mm处切向速度对比

(b)、图9(c)中可以看出,沿轴向到旋流器尾 部,带预分选装置的旋流器的内螺旋轴向速度逐渐 降低.到达尾部的原煤给入处时,其轴向速度已大 大低于普通旋流器。旋流器在运行时,原煤从中心

3.3.2轴向速度 旋流器内部存在着轴向速度,轴向速度从器壁 到中心由大变小再增大,其方向是由负变正的过


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张力强等:预分选无压给料三产品重介堕莺鎏器堕塑塑坌堑墨生旦

兰塑生墨旦垫旦

无压给入旋流器,在尾部的初始分选区域,较低的 轴向速度可以保证充足的分选时间,降低相近密度


原煤的相互搀杂几率,从而可保证原煤的精确分
选。

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直径/硼
(a)轴向500咖截面处 圈9 (b)轴向l 500哪截面处

直径/哪 (c)轴向2 500哪截面处

两种形式旋流器轴向500、l 500、2 500mm处轴向速度对比图

4苎坌选无压给料三产品重介质旋流器的 艋川
兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿选煤厂是一 座原设计人选原煤3.OML/a的大型矿井选煤厂, 于1993年扩建了重介排矸车间和浮选车间,.选 煤产品增加了洗大块精煤。2000年,鲍店矿井进 行了技术改造,因而选煤厂也进行了相应的改 造,更换了跳汰机及配套设备,人选能力达到 5.OM∥a,生产工艺为原煤50—Omm跳汰混合入 选。随着矿井开采的延伸和回收率的提高,矿井
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篁?豢塞;磊主妻主雯磊驾知?誉妻冀篡孝纛蒺
选煤工艺无法适应矿井和市场发展的要求,因而 鲍店矿选煤厂采用重介选煤工艺对选煤生产系统 进行了技术改造。 2009年初,鲍店矿选煤厂采用了以 3SNwxl400/1050型预分选无压给料三产品旋流器 为主洗设备的重介工艺对原跳汰选煤工艺进行了改 造,经过2个月的运行,对旋流器分选效果进行了 评定,其数量效率达到了95.49%,精煤中 >1.809/cm3的重产物含量为0(表1)。

带预分选装置的3SNwxl400/1050无压给料三产品旋流器分选效果裹

通过采样分析结果可见,带预分选装置的大型 中心给料式小1400/1050型无压三产品重介质旋流 器较好地满足了工艺需求,分选效果良好。

选装置的小1400/1050型无压给料三产品旋流器, 并成功地应用于现场,取得了良好的分选效果。
参考文献:



结论
无压给料三产品重介质旋流器特别是大型旋流

[I]

王生义.增设分散罩改善无压三产品旋流器分选效 果[J].山西焦煤科技,2008,(6):14一16. 彭荣任,魏杰锐.中心(无压)给料圆筒形重介质 旋流器选煤机理及效果分析[J].矿业快报,
2002,(8):24—29.

器,在简化重介质洗选工艺中具有无可比拟的优 势,但随着设备大型化的发展,精煤易被重产物污 染的问题却是致命缺陷。在现场实际应用中,采取 严格控制悬浮液的给人压力和原煤给入量,在原煤 给人旋流器前设置合理结构的给料漏斗,以及在入 料缓冲漏斗内增设圆锥型条缝分散罩等措施,可取 得一定效果,但无法从根本上解决问题。 文章从旋流器自身结构人手,找出了无压给料 三产品重介质旋流器分选细粒煤精度差、效率低的 最主要原因,通过大量的试验研究并结合计算流体 力学模拟设计,开发了新型带预分选装置的无压给 料三产品重介质旋流器,有效地解决了普通无压给 料三产品重介质旋流器精煤易被重产物污染、中煤 带煤量大等产品相互搀杂的问题,研制出了带预分

[2]

【3]

张力强,张雅珊,等.带预分选结构的无压给 料三产品重介质旋流器[P].中国专利,zL
200520l 13365.1-

[4]

刘峰,钱爱军,郭秀军.重介质旋流器流场湍流数 值计算模型的选择【J]。煤炭学报,2006,3l
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[5]

刘峰,钱爱军.重介质旋流器流场的计算流体力学 模拟【J].选煤技术。2004(5). 刘峰.重介质旋流器流场的计算流体力学数值模拟 与结构参数优化的研究[D].北京:中国矿业大 学(北京)。2005.

[6]

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