劉春艷

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司,河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

單槽容積60 m3大型圓筒形浮選機單相流場仿真研究

劉春艷1， 2

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司,河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

利用CFD軟件，模擬了XJM-S型機械攪拌式60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機的三維流動狀態(tài)，分析了該樣機的流場特征，發(fā)現(xiàn)：在各穩(wěn)流板流道內(nèi)礦漿流動不均衡，穩(wěn)流效果不理想；在浮選槽入料口處，存在入料未經(jīng)假底和葉輪而直接進入浮選槽，以及槽內(nèi)部分礦漿回流到入料口的不合理現(xiàn)象。根據(jù)流場特征分析，提出了對該樣機的入料口、穩(wěn)流板等結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化的建議。

浮選；大型圓筒形浮選機；計算流體力學(xué)；流場特征；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

浮選是煤泥分選的主要方法。在眾多浮選設(shè)備中，機械攪拌式浮選機是應(yīng)用最普遍的煤泥浮選設(shè)備。近幾年來，浮選機在大型化方面取得了一定進展，但是其發(fā)展依然不能滿足選煤廠大型化發(fā)展的需求?！睹禾壳鍧嵏咝Ю眯袆佑媱?2015—2020年)》[1]重點工作之一是：大力發(fā)展高精度煤炭洗選加工，實現(xiàn)煤炭深度提質(zhì)和分質(zhì)分級；開發(fā)高性能、高可靠性、智能化、大型(煉焦煤600萬t/a以上和動用煤1 000萬t/a以上)選煤裝備，實現(xiàn)關(guān)鍵分選設(shè)備的自動化。因此，選煤廠大型化、系統(tǒng)單元化、控制自動化的發(fā)展趨勢迫切需要大型浮選設(shè)備。

浮選機的大型化需要使大型浮選機的流場研究變得極為重要。但是，從傳統(tǒng)的設(shè)計方法來看，國內(nèi)外浮選設(shè)備[2-8]的設(shè)計和按比例放大仍然是以經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，需要通過大量的試驗來確定其結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，新機型的研究需要投入大量的人力、物力和財力，且研發(fā)周期長。近年來，計算流體力學(xué)軟件(CFD)技術(shù)發(fā)展迅速，使得通過計算機仿真技術(shù)，實現(xiàn)對大型浮選機的流場分析，對浮選機的結(jié)構(gòu)與性能進行優(yōu)化成為了可能[9-11]。

XJM-S型機械攪拌式浮選機是我國自主研發(fā)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的浮選設(shè)備，目前已經(jīng)形成了系列，多種規(guī)格型號的浮選機在選煤生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。為研發(fā)設(shè)計新的大型選煤用浮選機，課題組人員運用CFD軟件對XJM-S型機械攪拌式60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機進行了流場分析，以得到該型浮選機的槽內(nèi)流場特征，為大型浮選機設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 大型圓筒形XJM-S型浮選機槽內(nèi)流場仿真研究

1.1 實體建模

仿真計算的模型是XJM-S型60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機。該樣機是根據(jù)傳統(tǒng)的相似放大原理及公式[12]設(shè)計而成，只是槽體結(jié)構(gòu)由原來傳統(tǒng)的矩形改變?yōu)閳A筒型，槽體直徑為5.5 m，高2.35 m，從入料端到出料端長7.0 m。

該型浮選機的葉輪、定子、定子蓋板、假底穩(wěn)流板、鐘形罩、吸漿管、槽體均參照設(shè)計實際尺寸完成立體圖繪制。最終得到的該大型浮選機的三維裝配模型透視圖如圖1所示。

圖1 大型圓筒形浮選機整體三維模型透視圖

1.2 仿真策略及邊界條件

由于本次仿真模擬的模型尺寸較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，劃分網(wǎng)格數(shù)量達1 400萬，為了節(jié)省計算時間，本次模擬采取的是單相仿真，模擬的單相流體為清水。采用FLUENT計算軟件，使用PISO算法耦合壓力-速度，壓力項采用PRESTO!格式離散方程，其余采用二階迎風(fēng)格式離散方程，流動場的計算采用多重參考系法(MRF)，湍流區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型計算。近壁區(qū)湍流流動選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進行處理。

礦漿入口為速度入口，速度值設(shè)置為0.1 m/s，礦漿出口設(shè)置為outflow邊界條件。將葉輪、特殊螺母部分設(shè)為旋轉(zhuǎn)邊界條件，順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為145 r/min。浮選槽頂部設(shè)為無剪切力、無滑移壁面條件。計算過程包含重力影響，所以加入了重力條件。沿z軸方向重力加速度g=-9.81 m/s2。

2 槽內(nèi)流場特征分析

研究浮選機的流場分布時截取了若干切面，通過切面的速度、流線分布圖及速度矢量圖等來分析浮選機的流場特征和礦漿運動規(guī)律，從而檢驗流動狀態(tài)和設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性。

建模時采用的是三維直角坐標(biāo)系，以葉輪軸心線在浮選槽底的投影點為坐標(biāo)原點，以浮選機進漿管向排料管方向為x軸方向，以浮選機高度方向為z軸方向，以同時垂直于x、z軸的方向為y軸方向。按照葉輪流道的礦漿流向，剖切與x軸正方向呈45°、105°、165°三個縱切面。按照穩(wěn)流板流道的礦漿流向，剖切與x軸正方向呈17°、35°、53°、71°、89°、107°、125°、143°、161°、179°的十個縱切面。按照槽體高度(即z軸方向)，以高度數(shù)值剖切0.2、0.4、0.6、0.8、0.95、1.0、1.1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 m的13個橫切面。以下選取其中若干代表性切面來進行分析。

2.1 縱切面流場特征分析

圖2—4所示分別為45°、165°、179°縱切面流線圖與速度等值線分布圖。

圖2 45°縱切面流線圖與速度等值線分布圖Fig.2 Flow lines and distribution of velocity contour on 45° longitudinal profile

圖3 165°縱切面流線圖與速度等值線分布圖

圖4 179°縱切面流線圖與速度等值線分布圖

由圖2可見，穩(wěn)流板葉片高度不夠，穩(wěn)流效果不明顯：穩(wěn)流板葉片上方礦漿速度仍存在高值，從葉輪經(jīng)定子甩出的礦漿與穩(wěn)流板葉片發(fā)生碰撞，礦漿改為斜向上運動，這部分礦漿又被吸入鐘形罩及蓋板孔中。

由圖3可知，由于礦漿入口的高度高于穩(wěn)流板假底高度，因此由入料口流入的礦漿未經(jīng)假底、葉輪直接從穩(wěn)流板上部流入浮選槽內(nèi)。

由圖4可知，槽內(nèi)部分經(jīng)穩(wěn)流板穩(wěn)流后的礦漿仍以較大速度射向筒壁，其中部分礦漿重新經(jīng)假底吸入葉輪，部分礦漿射入入料口，形成漩渦，從而阻礙了新鮮礦漿的順利流入。

此外，通過分析圖2—4還可以得出：

(1)葉輪的吸漿能力很強，葉輪下吸口處不僅吸入吸漿管內(nèi)的礦漿，還吸入了假底以上吸漿管周邊區(qū)域的礦漿。因此，吸漿管上側(cè)邊緣的磨損很快，這與實際情況相符。

(2)穩(wěn)流板的各個流道的下半部分主要用于礦漿回流至葉輪。

(3)縱切面的漩渦偏高。通過觀察縱切面的速度等值線分布圖，可以看出：在縱切面的頂部，礦漿的速度仍很高，達到0.5 m/s以上，這將造成礦化氣泡粘附的煤粒脫附概率增加，不利于浮選。

(4)根據(jù)礦漿的流動狀態(tài)，將穩(wěn)流板的流道分為上下兩個部分：上部由葉輪甩出的礦漿向斜下方流動，下部礦漿由于葉輪的抽吸作用流向葉輪下吸口，兩部分礦漿在穩(wěn)流板流道的某一位置碰撞可形成漩渦。由于各個流道的流量不均衡，漩渦位置不定。

2.2 橫切面流場特征分析

圖5—8分別為z軸方向0.4、0.6、0.8、1.4 m切面的流線圖與速度等值線分布圖。

圖5 z軸方向0.4 m截面流線圖與速度等值線分布圖

圖6 z軸方向0.6 m截面流線圖與速度等值線分布圖

圖7 z軸方向0.8 m截面流線圖與速度等值線分布圖

圖8 z軸方向1.4 m截面流線圖與速度等值線分布圖

由橫切面的流場特征圖可以得出，在水平切面穩(wěn)流板的大部分流道共存向內(nèi)及向外的兩方向礦漿，由于礦漿流動方向相反，碰撞時可引發(fā)漩渦。由于全槽流場不均衡，向內(nèi)及向外礦漿碰撞位置不固定，故漩渦位置也不固定。經(jīng)葉輪、定子甩出的礦漿較大部分甩向穩(wěn)流板的葉片彎曲處，并實現(xiàn)撞擊降速。由于礦漿斜向下射流，因此經(jīng)葉輪、定子甩出的礦漿一開始在穩(wěn)流板葉片的彎曲段形成速度高值場，速度高值場隨切面高度降低，逐漸由葉片彎曲段集中到葉片直線段，且隨著切面高度的降低，穩(wěn)流板流道內(nèi)向外礦漿速度值逐漸下降，并越來越集中在葉片的直線段，向外礦漿速度值較向內(nèi)礦漿速度值大。

在z軸方向0.4 m切面，甩出礦漿的速度高值場集中于穩(wěn)流板葉片的直線段部分，甚至超出穩(wěn)流板葉片長度。由于葉輪抽吸作用引起的向內(nèi)礦漿速度值較甩出礦漿速度值小，向內(nèi)礦漿速度值集中在0.1～0.3 m/s，向外甩出的礦漿速度值達到1～2.5 m/s。

在z軸方向0.6 m切面，同樣由于向內(nèi)向外相反流動礦漿的碰撞，在穩(wěn)流板流道內(nèi)形成漩渦。數(shù)個定子流道存在較大漩渦。

在z軸方向0.8 m切面，多數(shù)穩(wěn)流板流道的絕大部分為向外流動礦漿，其速度高值可達5 m/s，穩(wěn)流板流道的向內(nèi)流動礦漿量較小。在此切面，穩(wěn)流板葉片靠筒壁端已經(jīng)開始有消除部分，從圖中可見礦漿通過穩(wěn)流板流道未完全降速，因此穩(wěn)流板葉片上部靠筒壁端的消除不合理，并且在這個切面上存在一定量低速度值區(qū)間。

根據(jù)z軸方向0.2、0.4、0.6、0.8 m切面的流場特征可以得出，定子、穩(wěn)流板流道回流區(qū)域的速度值均偏低，甩出礦漿的速度值都很高。通過浮選過程分析發(fā)現(xiàn)，這幾個切面的流場特征均不合理，各個流道礦漿流量不均衡是一個非常重要的原因，這導(dǎo)致部分流道礦漿通過量非常大，速度非常高，經(jīng)過定子及穩(wěn)流板之后，礦漿速度依然沒有降低到預(yù)期值；而部分流道礦漿通過量小，回流量大，速度低，形成低速區(qū)。

分析認為，造成切面流場特征不合理的原因不止流量不均衡這一項，還與穩(wěn)流板的結(jié)構(gòu)形式、位置、葉片彎曲度，葉片后部直線段長度、葉片上部靠筒壁端的消除均有直接關(guān)系。結(jié)合縱切面的流場特征，發(fā)現(xiàn)浮選機全槽流場未形成合理的W循環(huán)流態(tài)(礦漿的W循環(huán)流態(tài)為經(jīng)葉輪、定子甩出的礦漿斜射到假底上，經(jīng)撞擊礦漿方向發(fā)生改變，反射至槽內(nèi))，而本樣機模型穩(wěn)流板假底的位置偏低，與葉輪的相對距離較大。根據(jù)模擬仿真，大部分礦漿未斜射到假底上，而是斜射出假底流道，因此應(yīng)將葉輪位置降低或者將假底位置提高。在假底穩(wěn)流板葉片高度以上部分，經(jīng)葉輪、定子甩出的高流量礦漿不是斜向下射出，反而具有一定的向上速度，這是由于穩(wěn)流板葉片高度不夠，經(jīng)葉輪、定子甩出的礦漿自由射流，在穩(wěn)流板上方與穩(wěn)流板葉片碰撞使速度方向發(fā)生改變，由斜向下變?yōu)橄蛏希瑥亩斐煽v切面上方形成漩渦，不利于浮選工藝的正常進行。

隨著切面高度的增加，流線圖出現(xiàn)明顯不同，如圖8所示，在1.4 m切面上，形成了一個打旋區(qū)域，并形成向內(nèi)為逆時針吸入，向外為逆時針?biāo)Τ龅牧骶€圖。出口處出現(xiàn)打旋區(qū)域，即出現(xiàn)回流。隨著切面高度的增加，還可以看到，浮選槽內(nèi)達到一定高度以上，礦漿的速度值變化不大，為平穩(wěn)的分離區(qū)。

3 結(jié)論與建議

通過本次仿真模擬得到了該大型圓筒型浮選機的流場特征，分析發(fā)現(xiàn)：在各穩(wěn)流板流道內(nèi)礦漿流動不均衡，部分流道內(nèi)礦漿速度偏大，由于穩(wěn)流板葉片沿高度方向尺寸偏小，導(dǎo)致穩(wěn)流板上方產(chǎn)生了不利于礦物浮選的漩渦，使攪拌區(qū)的穩(wěn)流效果不理想；在浮選槽入料口處存在入料未經(jīng)假底和葉輪而直接進入浮選槽及槽內(nèi)部分礦漿回流到入料口的不合理現(xiàn)象。因此建議對該虛擬樣機的設(shè)計做出如下改進與優(yōu)化：

(1) 由于在浮選槽入料口處存在入料未經(jīng)假底和葉輪而直接進入浮選槽及槽內(nèi)部分礦漿回流到入料口的不合理現(xiàn)象，建議更改礦漿入口截面位置及截面大小，將礦漿入口截面(即入料管)移至穩(wěn)流板假底以下位置。

(2)穩(wěn)流板的結(jié)構(gòu)形式、位置，葉片的彎曲度，葉片后部直線段長度及葉片上部靠筒壁端的消除均與槽內(nèi)流場的不合理及不均衡性存在直接關(guān)系，建議對穩(wěn)流板重新設(shè)計。

(3)吸漿管與葉輪下吸口處的間隙雖然很小，但通過的吸漿量很大，容易造成吸漿管管口的磨損，應(yīng)對吸漿管的易磨損區(qū)域做耐磨處理。

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Stimulation of the single-phase flow field of a large-sized cylindrical flotation machine with a cell volume of 60 m3

LIU Chun-yan

(1. Tiandi (Tangshan) Mining Technology Co., Ltd., Tangshan 063012, Hebei, China; 2. Hebei Province Coal Washing & Engineering Technology Research Center, Tangshan 063012, Hebei, China)

Simulation of the 3D flow pattern in a prototype XJM 60 m3cylindrical flotation cell is made using CFD software. Through the analysis of the characteristics of the flow field indicates that: unideal flow stabilization effect due to imbalanced pulp flow in each stabilizer channel; flow of pulp directly into cell from feed inlet without passing through the false bottom and impeller, causing a port of pulp to flow back to feed inlet. Based on the analysis of the characteristics of the flow field, the measures for structural improvement and optimization of the feed inlet, and stabilizer are proposal.

flotation; large-sized cylindrical flotation cell; computational fluid mechanics; characteristics of flow field; structural optimization

1001-3571(2016)04-0001-05

TD943

A

2016-03-13

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.001

河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化專項項目(16044104Z)

劉春艷(1982—)，女，河北省唐山市人，工程師，碩士，從事浮選工藝及設(shè)備的研發(fā)工作。

E-mail：liuchunyan19820424@163.com Tel：0315-7759642

劉春艷. 單槽容積60 m3大型圓筒形浮選機單相流場仿真研究[J]. 選煤技術(shù)，2016(4)：1-5.