楊宏麗，樊民強

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

浮選是煉焦煤選煤廠必不可少的分選環(huán)節(jié)，浮選柱由于選擇性好、占地面積小等優(yōu)點，在國內(nèi)外越來越多地用于細粒煤的浮選［1］。但浮選柱也存在對粗?；厥招阅懿睿∵x尾礦中精煤損失大的缺點［2-3］。為保證浮選指標(biāo)，經(jīng)常需要對尾礦進行多段掃選，或一臺浮選柱需多臺槽體配套［4-6］。針對粗粒精煤損失于浮選尾礦中的不足，一些浮選柱將部分浮選尾礦作為中礦進行循環(huán)再浮選，但也帶來了中礦循環(huán)量很大、大量細泥返回浮選惡化整個浮選過程等問題［7-9］。因此，對浮選尾礦進行分級，盡快排出大部分高灰細泥，僅對粗粒尾礦返回再浮選，對于提高浮選總效率和精煤回收率具有重要的意義。為了對浮選尾礦進行分級，實現(xiàn)粗、細尾礦的分別排放，設(shè)計了可以集成于浮選柱底部的靜態(tài)自溢流式分級裝置。關(guān)于這種分級裝置的基本構(gòu)型和分級性能，作者已進行了大量的試驗，驗證了其分級的可行性，并建立了相應(yīng)的分級數(shù)學(xué)模型［10］，這種分級裝置也是新型雙排尾重浮聯(lián)合分選機的重要組成部分［11-12］。為了進一步優(yōu)化分級裝置性能，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)，對分級裝置進行了流場模擬。

1 分級裝置

該分級裝置由內(nèi)桶、外桶以及和外桶相連的圓錐形底部組成，內(nèi)桶與外桶之間構(gòu)成環(huán)形通道。物料從上面（浮選柱下部)進入分級裝置后，一部分由圓錐底部的底流口排出（底流)，另一部分通過環(huán)形通道從上部溢流排出。環(huán)形通道內(nèi)為上升水流，理論上，控制上升水流速度可以控制某粒級以上的顆粒不進入溢流。事實上，在分級裝置中，流速并非均勻分布，這就導(dǎo)致部分沉降速度大于平均上升水流速度的部分粗顆?？赡苓M入溢流，造成“跑粗”。為此，作者對設(shè)計的分級裝置進行流場模擬，為分級裝置的理論設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。在分級過程中，水流速度對顆粒分級有著至關(guān)重要的影響，故本文先對單相流進行了模擬。模擬用FLUENT6.0商用軟件完成。

分級裝置的尺寸根據(jù)試驗裝置確定，試驗用浮選柱直徑為400mm，分級裝置設(shè)計為外桶直徑460 mm，內(nèi)桶直徑200mm，如圖1所示。

為加速顆粒沉降，在內(nèi)桶下部設(shè)置了錐形擋板，考察30°，60°，90°，120°共4種不同錐角的擋板對流場的影響，同時考察溢流管出口高度和浮選柱下游出口形式對流場的影響。其中四個不同錐角的擋板頂點都與內(nèi)桶下沿同平面，錐面母線等長，均為154 mm。內(nèi)桶下端出口即浮選柱底部形式包括直桶式、短縮口式和長縮口式，出口直徑分別為160 mm，120mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程與求解

圖1 浮選柱及分級裝置示意圖

分級裝置中存在速度的波動和變化，流體介質(zhì)之間相互交換動量，屬于湍流流態(tài)。FLUENT軟件提供了Spalart-Allmaras模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型等8種湍流模型，其中工程上計算機模擬中最常用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，該模型對于壁面流動，在較小壓力梯度下的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較符合［13］，故本研究中用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，假設(shè)流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。湍動能k和耗散率ε方程分別為：

式中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能，Cμ＝0.09，C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，湍動能k與耗散率ε的普朗特數(shù)分別為σk＝1.0，σε＝1.3。湍流粘性系數(shù)為

計算中用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁區(qū)域，力矩、湍流能量和湍流耗散率用一階迎風(fēng)格式進行插值，壓力項用標(biāo)準(zhǔn)格式進行插值，壓力-速度耦合方式采用簡單算法。

2.2 網(wǎng)格劃分

用Gambit軟件對分級裝置進行物理建模和網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 分級裝置模型及網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

模型共有4個邊界：軸向入口1，切向入口2，溢流口和底流口，其中裝置上表面為軸向入口1，模擬浮選柱與分級裝置的接口，浮選中礦由此進入分級裝置（即浮選柱下端口)；切向入口2模擬中礦循環(huán)返回。

入口1和2均設(shè)為速度入口，根據(jù)試驗中浮選的處理量35m3／m2·h計算得到入口1速度為0.01m／s；入口2根據(jù)試驗分流比數(shù)值確定流量為12m3／h，計算得到速度2.65m／s；溢流設(shè)為壓力出口，根據(jù)試驗中浮選柱的靜壓水頭折算壓力為0.015MPa；底流設(shè)為速度入口，根據(jù)流量-3m3／h計算得到速度值-0.66m／s。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 圓錐形擋板對流場的影響

4種分級裝置的流場速度矢量圖如圖3所示，為方便比較，4幅圖均僅顯示同一速度范圍內(nèi)的矢量（＜0.1m／s)。圖中空白區(qū)域表示速度（單位m／s，下同)高于圖例速度上限或低于圖例速度下限。

錐形擋板除了有加速顆粒沉降的作用，同時也對沉降在它上面的顆粒層起到松散的作用，令夾雜在其中的細顆粒有溢出的機會。由徑向速度云圖（圖4)可以看出，擋板錐角過小時，徑向速度也過小，起不到有效的松散床層的作用；相反，對于最大的120°錐形擋板，徑向速度又過大，導(dǎo)致?lián)醢迮c下降流間隙中速度局部集中，這樣就會阻礙顆粒（甚至是大顆粒)下沉，使分級過程惡化。故錐形擋板適宜的角度應(yīng)該為60°或90°。

錐形擋板對于軸向速度的影響（圖5)除了在擋板上面不同外，還間接對外桶近壁處上升水流速度造成重要影響，錐角越大，近壁處上升水流速度也越大。對于120°擋板，近壁上升水流速度達到了0.05 m／s以上，在煤的分級中，這會造成溢流跑粗。

圖3 流場速度矢量圖

圖4 錐形擋板角度對徑向速度云圖的影響

圖5 錐形擋板角度對軸向速度云圖的影響

3.2 溢流出口高度對流場的影響

以90°錐形擋板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，考察了溢流管出口高度對流場的影響。三個位置相鄰高差為150 mm。從軸向速度云圖（圖6)可以看出，溢流管出口過低時，外桶近壁處速度局部較高，粗粒物料很容易被攜帶進入溢流管。理想的高度是越高越好，這樣不會形成連續(xù)的高上升水流區(qū)，但這樣又會使整個設(shè)備的高度增加，從而增加后續(xù)基建等費用，故溢流管出口高度需統(tǒng)籌考慮?？傊?，只要采取管溢流出口方式，溢流跑粗和設(shè)備高度的矛盾就必然存在。

3.3 內(nèi)桶下端出口形式對流場的影響

在溢流管出口高度居中的基礎(chǔ)上，采用90°錐形擋板，考察三種內(nèi)桶下端出口形式對流場的影響：直桶式、短縮口式和長縮口式，出口直徑分別為160，120mm。圖7是不同內(nèi)桶出口方式下的徑向和軸向速度云圖。

圖6 溢流管出口高度對軸向速度云圖的影響

圖7 內(nèi)桶出口方式對速度云圖的影響

由圖7可見，內(nèi)桶若采用縮口式出口，一方面擋 板與底錐之間的間隙內(nèi)徑向速度過高，對顆粒沉降造成阻礙，另一方面也會造成底錐與內(nèi)桶近壁處局部上升水流速度過高，從而極易發(fā)生跑粗，故內(nèi)桶適宜采用直桶式出口。

4 結(jié)論

分級裝置的圓錐形擋板角度不宜過大或過小，應(yīng)在60°～90°內(nèi)選?。灰缌鞒隹趹?yīng)盡量布置在高處，以防跑粗；內(nèi)桶下端出口宜采用直桶式，不宜采用縮口式。研究結(jié)果對浮選柱底部分級裝置的設(shè)計和改進具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

［1］Gupta A，Yan D S.Mineral Processing Design and Operations：An Introduction［M］.Elsevier Science ＆Technology，2006：559-565.

［2］段海霞.汾西礦業(yè)集團選煤廠從浮選尾煤中再回收精煤的實踐［J］.選煤技術(shù)，2010（6)：47-49.

［3］劉繼霞，常勝，王偉，等.浮選尾煤中高附加值粗顆粒的回收研究［J］.煤炭加工與綜合利用，2008（1)：4-6.

［4］周凌鋒，傅聯(lián)海，張強.新型細粒浮選柱的研究［J］.金屬礦山，2006（1)：80-82.

［5］劉炯天，歐澤深，王振生.詹姆森型浮選柱的研究［J］.選煤技術(shù)，1995（1)：26-29.

［6］Arnold，Barbara J.，Klima，Mark S.，Bethell，Peter J.Designing the Coal Preparation Plant of the Future［M］.Society for Mining Metallurgy ＆Exploration，2007：109-115.

［7］劉炯天，歐澤深.利用旋流器式浮選柱分選煤泥［J］.煤炭加工與綜合利用，1994（4)：34-36.

［8］李振濤，謝廣元，彭耀麗.浮選柱串聯(lián)工藝改善粗顆粒煤泥浮選效果的探索.煤炭工程，2011（1)：85-88.

［9］李曉剛.呂家坨選煤廠浮選尾煤截粗系統(tǒng)應(yīng)用實踐［J］.選煤技術(shù)，2012（2)：41-42.

［10］楊宏麗，樊民強.一種新型煤泥分級裝置的分級曲線數(shù)學(xué)模型［J］.煤炭學(xué)報，2012（S1)：187-191.

［11］Yang Hongli，F(xiàn)an Minqiang.A new gravity ＆flotation separator with double-tailing discharge and its beneficiation performance［J］，Journal of Coal Science ＆Engineering，2012，18（2)：191-195.

［12］楊宏麗，樊民強，董連平等.雙排尾重浮聯(lián)合分選方法及裝置［P］，中國，ZL200910073976.0

［13］翟愛峰，劉炯天.基于FLUENT的浮選柱旋流分選結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬［J］.金屬礦山，2012（7)：136-140.