單 超
(天地科技股份有限公司唐山分公司,河北省唐山市,063012)
新型煤泥分級用旋流器的研究
單 超
(天地科技股份有限公司唐山分公司,河北省唐山市,063012)
研究設(shè)計(jì)一種帶有蝸殼分離室來提高分級效率的新型旋流器,并利用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)對其內(nèi)部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究,分析壓力場、速度場、密度場的分布規(guī)律。
分級 旋流器 分級效率
在選煤廠的工藝系統(tǒng)中,煤泥的處理是一個重要環(huán)節(jié)。分級旋流器以其工藝簡單、操作維護(hù)方便、濃縮效果好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于選煤行業(yè)煤泥水處理工藝環(huán)節(jié)。目前傳統(tǒng)的分級旋流器在某些方面還不能適應(yīng)選煤廠的要求,主要是對分級旋流器的理論和實(shí)踐研究并沒有完整地結(jié)合起來,對影響分級旋流器工藝效果的因素研究還不夠透徹。與國外同型號設(shè)備相比,國內(nèi)分級旋流器存在著處理量小、效率低的問題,這就造成了煤泥水分級系統(tǒng)若采用國產(chǎn)設(shè)備時,由于處理能力和分級效率的限制,會增加廠房空間,增加多余的能量消耗,同時為煤泥的后續(xù)處理增大了壓力。因此,對分級旋流器做比較全面系統(tǒng)的理論分析,并建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,針對不同的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)條件,重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)參數(shù)方面入手,尋求提高選流器分級效率是今后研究的一個方向。
選煤廠應(yīng)用較為廣泛的煤泥水分級設(shè)備有弧形篩、分級旋流器等。在應(yīng)用過程中,弧形篩存在易堵塞、分級效率低等缺點(diǎn),工藝效果受到很大的限制;分級旋流器是利用離心力進(jìn)行分級的設(shè)備,在國外得到廣泛的應(yīng)用,近年來國內(nèi)很多選煤廠的技術(shù)改造和新建選煤廠已大量采用分級旋流器,其分級效率為40%~60%,基本能滿足工藝需求,但處理不當(dāng)時,分級效率將大打折扣,煤泥水分級旋流器生產(chǎn)效果見表1。
表1 煤泥水分級旋流器生產(chǎn)效果
新型煤泥分級旋流器主要由入料管、細(xì)顆粒排出口、上分離室、下分離室、粗顆粒排出口組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。將一定濃度的煤泥水以一定壓力由入料管給入旋流器,在離心力作用下,煤泥顆粒在上分離室內(nèi)按粒度大小進(jìn)行預(yù)分級,按粒級排列好的煤泥顆粒進(jìn)入下分離室后分級效果進(jìn)一步鞏固加強(qiáng),細(xì)顆粒隨內(nèi)螺旋流從上部細(xì)顆粒排出口排出,粗顆粒隨外螺旋流從下部粗顆粒排出口排出。在旋流器內(nèi)部,流體的流動方式是復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
圖1 新型煤泥分級用旋流器結(jié)構(gòu)示意圖
旋流器工作時,煤泥水經(jīng)過入料管切線進(jìn)入上分離室進(jìn)行預(yù)先分級,增大了設(shè)備的分級空間,延長了分級時間,有效地提高了旋流器的分級效率和精度。采用計(jì)算流體動力學(xué)技術(shù)對旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究,可以相對準(zhǔn)確的得出流體流動的細(xì)節(jié),如速度場、壓力場、密度場的分布情況,使其內(nèi)部流場可視化。
1.2.1 壓力場
圖2為不同軸截面壓力分布曲線圖,從圖2中可以明顯看出,同一平面上,壓力隨著半徑的減小而減小,壓力分布曲線幾乎重合,說明各軸截面上徑向壓力梯度幾乎相同,降低了壓力擾動造成的流場紊亂,提高了分級精度。沿軸向方向,同一半徑上的壓力幾乎相等,說明軸向壓力梯度幾乎為零,徑向壓力梯度逐漸增大。從某種意義上說,壓力代表著可用機(jī)械能,壓力的降低可以用來表征能量的損失。
圖2 不同軸截面壓力分布曲線圖
1.2.2 速度場
旋流器中煤泥水的速度以切向速度、徑向速度和軸向速度3個分速度來表示,三維速度對旋流器的分級作用都有著明確的物理意義。
(1)切向速度。旋流器內(nèi)的三維液流運(yùn)動中,切向速度具有重要的地位。不僅是因?yàn)榍邢蛩俣仍跀?shù)值上要大于其余兩個速度,更重要的是切向速度產(chǎn)生的離心力是旋流器內(nèi)兩相或多相分離的基本前提。旋流器中不同橫截面切向速度分布如圖3所示。
圖3 不同橫截面切向速度分布圖
從圖3中可以看出,切向速度從旋流器器壁向中心軸線方向上隨著半徑的減小而增大,在某一半徑處達(dá)到最大值,而后隨著徑向位置的進(jìn)一步減小在靠近中心軸線處隨著半徑的減小急劇降低;切向速度對稱性好,消除了分離室內(nèi)部流場的偏心問題。
(2)軸向速度。在旋流器的三維流體運(yùn)動中,軸向速度方向發(fā)生明顯變化,旋流器不同截面軸向速度分布如圖4所示。從圖中可以看出,由器壁向中心方向,軸向速度首先從向下方向 (設(shè)定向下為正方向)隨著半徑的減小而先增大再逐漸減小至零,然后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏戏较虻乃俣取Mㄟ^礦漿軸向速度為零的各點(diǎn)可以描繪出一個圓錐形表面,即零軸速包絡(luò)面,它是軸向速度方向發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折面,也是內(nèi)螺旋流與外螺旋流的分界面,該面內(nèi)部流體向上流動,形成內(nèi)螺旋流,而在其外部的流體則向下流動,形成外螺旋流。圖中 [-50,50]坐標(biāo)處軸向速度急劇變化區(qū)域?yàn)榭諝庵鶇^(qū)域。就軸向速度絕對值而言,內(nèi)螺旋流速度遠(yuǎn)大于外螺旋流速度,由于外螺旋流區(qū)域軸向速度很小,對旋流器的分離過程以及主分離區(qū)煤泥顆粒的受力運(yùn)動影響很小。
(3)徑向速度。圖5為旋流器不同截面徑向速度分布圖,相對于其他兩向速度而言,徑向速度較小,在分離過程中,固體顆粒所受到的徑向遷移阻力主要來源于流體的徑向運(yùn)動帶來的摩擦阻力,切向速度產(chǎn)生的離心力主要用來克服或平衡這一摩擦阻力。從圖5可以看出,速度大小的變化規(guī)律基本上滿足先增大后減小的變化規(guī)律,同一截面的徑向速度基本上存在2個極值點(diǎn),第1個極值點(diǎn)出現(xiàn)在細(xì)物料排出口的半徑所對應(yīng)位置,隨著截面高度的降低 (遠(yuǎn)離細(xì)物料排出口)該極值逐漸降低;第2個極值點(diǎn)出現(xiàn)在旋流器壁面附近,對于下分離室錐段而言,該極值大于細(xì)物料排出口下方的極值,是該截面整個徑向速度的最大值。
新型分級旋流器的設(shè)計(jì)思想源于傳統(tǒng)分級旋流器,但其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分級旋流器,設(shè)計(jì)發(fā)散狀蝸殼分離室,降低了入口流場紊亂度,降低了入料對分離室內(nèi)壁的沖擊磨損,延長了使用壽命。發(fā)散狀蝸殼分離室有利于內(nèi)部流場穩(wěn)定,消除了進(jìn)入第二分離室的偏心問題,提高了分級精度,預(yù)期分級效率可穩(wěn)定在60%以上,滿足后續(xù)工藝環(huán)節(jié)要求。同時,新型分級旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、占地面積小,操作方便,設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn),具有更大的處理能力和更好的節(jié)能效果。
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The research of new type coal slime classification cyclone
Shan Chao
(Tangshan Branch,Tiandi Science & Technology Co.,Ltd,Tangshan,Hebei 063012,China)
A volute separation chamber has been designed into cyclone to improve the efficiency of classification.The research of three-dimensional numerical simulation of internal flow field is conducted by using Computational Fluid Dynamics technology.The distribution regularities of pressure field,velocity field,density field have been analyzed.
classification,cyclone,efficiency of classification
TD94
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單超 (1977-),男,河北滄州人,工程師,現(xiàn)就職于煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院。主要從事選煤設(shè)備的研發(fā)及管理工作。
(責(zé)任編輯 孫英浩)