楊偉橋，王 進(jìn)，姚 雷，王 蒙，顏冬青

(陜西煤化選煤技術(shù)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

煤炭資源作為我國最重要的一次能源，2016年發(fā)電量65%以上由煤電提供。因此提供優(yōu)質(zhì)煤炭成為煤企的終極目標(biāo)。陜西彬長礦業(yè)文家坡煤礦主要提供優(yōu)質(zhì)動力煤，文家坡選煤廠屬于礦井型的選煤廠。在最初設(shè)計中末煤介質(zhì)回收系統(tǒng)不盡合理，導(dǎo)致了介質(zhì)回收率低，介耗高的問題。

針對文家坡選煤廠泥化-濕黏煤在生產(chǎn)中介耗高的問題，對介質(zhì)回收系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，采用SolidWorks中的Flow Simulation流體模擬軟件對“渦流分配稀介箱”進(jìn)行流場模擬和有限元分析。通過不同方案的對比，選出最優(yōu)方案，進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)對比，驗證效果。

1 研究原因、目的及方法

1.1 研究的原因

泥化-濕黏煤分選過程中對文家坡選煤廠洗選系統(tǒng)造成的影響表現(xiàn)在介耗居高不下，最嚴(yán)重時系統(tǒng)介耗高達(dá)1.80 kg/t。同時由于介質(zhì)系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致矸石帶煤比較嚴(yán)重。經(jīng)過現(xiàn)場的觀察和測試，發(fā)現(xiàn)了介耗過高的原因。

磁選機(jī)堆積堵塞：文家坡選煤廠的介質(zhì)回收工藝為直接磁選，由于矸石的泥化導(dǎo)致中矸磁選機(jī)中煤泥含量過高。在使用過程中出現(xiàn)矸石、中煤磁選機(jī)滾筒下末矸堆積嚴(yán)重，頻繁堵塞，嚴(yán)重影響磁選機(jī)的介質(zhì)回收效率。

磁選機(jī)入料不穩(wěn)：文家坡選煤廠三產(chǎn)品重介旋流器洗選系統(tǒng)中，2臺精煤脫介篩、1臺中煤脫介篩、1臺矸石脫介篩篩下稀介分別直接進(jìn)入相對應(yīng)的3臺磁選機(jī)，3臺磁選機(jī)入料濃度、流量不均勻且穩(wěn)定性差，導(dǎo)致磁選機(jī)總體回收效率差；稀介分流不能均勻分配到3臺磁選機(jī)入料中，導(dǎo)致磁選機(jī)的負(fù)荷不均勻，介質(zhì)回收效果差。

1.2 研究的目的

針對介耗過高問題研究改造稀介質(zhì)緩沖箱。其目的是使得進(jìn)入磁選機(jī)的稀介能夠得到充分的緩沖和穩(wěn)流，并且將物料均勻分配到3臺磁選機(jī)中，達(dá)到負(fù)荷均勻。

1.3 研究方法

采用SolidWorks軟件中的Flow Simulation對渦流分配稀介箱和末精煤分料箱的各個出入口參數(shù)和溢流堰高度等進(jìn)行有限元分析和仿真模擬。SolidWorks軟件是由法國達(dá)索公司旗下SolidWorks子公司開發(fā)的世界上第一款基于Windows系統(tǒng)的三維CAD設(shè)計軟件，是世界上優(yōu)秀的三維結(jié)構(gòu)制作和結(jié)構(gòu)模擬軟件，在三維設(shè)計制造中占有重要地位。SolidWorks包含大量擴(kuò)展性軟件插件，可分別完成不同場景和要求下的任務(wù)。

為了方便觀察模擬效果，以水來代替稀介作為箱內(nèi)料流的流體。對箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界計算域、出入口料流速度、流動介質(zhì)基本性質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖1 計算條件和參數(shù)的選取

如圖1所示，根據(jù)實際在計算中添加了與Y軸相反方向的重力。網(wǎng)格劃分中采取了細(xì)部優(yōu)化，共105 873個網(wǎng)格，以使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。由于本緩沖箱內(nèi)部熱量交換與傳遞極其微弱，對實際使用和流體運動的影響甚微，在計算中可以忽略不計。因此在參數(shù)選取中選擇絕熱壁面，無熱量傳遞，以降低計算量。同時根據(jù)文家坡選煤廠內(nèi)稀介質(zhì)循環(huán)量為500 m3/h計算得出入口體積流量為0.14 m3/s。

2 研究結(jié)果與分析

提出4種渦流分配稀介箱的結(jié)構(gòu)對比研究。

2.1 方案一

本方案是在渦流分配稀介箱內(nèi)部中心放置一道隔板，將入料口和出料口隔開，起到穩(wěn)流的作用。隔板為12 mm厚度的鋼板，高為900 mm。將緩沖箱內(nèi)部分割成2個部分，液流進(jìn)入到箱體內(nèi)部首先充滿隔板入料一側(cè)，而后通過隔板溢流到出料口一側(cè)從出料口排出。在設(shè)計中出料口管徑稍小于入料管道可以保證液流溢流過隔板以后保持一定的液位，保持出料壓力的穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)圖及模擬圖如圖2所示。

從方案一的流場模擬速度跡線分布圖上可以看出，在入料端渦流較大，存在較大面積的低流速區(qū)域。由于磁鐵礦粉重介質(zhì)密度大，重量較大，這樣會導(dǎo)致在低流速區(qū)域物料大量堆積，對入料管會造成嚴(yán)重的影響。同時在出料端物料串流嚴(yán)重，由于出料管徑的不同造成不能向3臺磁選機(jī)均勻給料。

2.2 方案二

本方案是在渦流分配稀介箱內(nèi)部加設(shè)兩道橫向隔板，將整個箱體劃分為3個區(qū)域。第一道靠近入料口處，隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為900 mm。第二道隔板靠近出料口，隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為500 mm。液流進(jìn)入箱體內(nèi)部，積累到液面超過900 mm時溢流過第一道隔板，進(jìn)入中間區(qū)域緩沖穩(wěn)流，再溢流過中間區(qū)域進(jìn)到出料端。第二道隔板高度高于出料管最高點，要形成穩(wěn)定的液面，保持出料穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)圖及模擬圖如圖3所示。

a-結(jié)構(gòu)圖；b-流場速度跡線分布側(cè)視圖圖3 方案二

在圖3(b)中可以看出，相對于方案一中入料端處大面積的低流速區(qū)域，在本方案中被大大壓縮，幾乎不存在大面積的低流速區(qū)域，物料得到了充分的緩沖。但是從模擬側(cè)視圖中可以看出緩沖箱中兩塊隔板中間的區(qū)域流速較低，出現(xiàn)了低流速區(qū)域，物料會堆積到兩塊隔板中間的區(qū)域，造成緩沖箱內(nèi)物料大量堆積。同時在出料端物料串流嚴(yán)重，由于出料管徑的不同造成不能向3臺磁選機(jī)均勻給料。

2.3 方案三

本方案是在緩沖箱內(nèi)部中間加裝隔板，隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為900 mm。再在出料側(cè)加裝垂直于隔板的擋板，將出料端按照出料管口分成3個部分。當(dāng)液流進(jìn)入到箱體內(nèi)部，經(jīng)過中間隔板的穩(wěn)流和緩沖，進(jìn)入到出料側(cè)，再通過兩排垂直于中間隔板的擋板分流到3個出料口，使得給料均勻穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)圖及模擬圖如圖4所示。

a-結(jié)構(gòu)圖；b-流場速度跡線分布圖圖4 方案三

可以看出入口流速主要分布在0.9～1.5 m/s之間，色彩表示為淡黃色。入料液流進(jìn)入到箱體內(nèi)部后撞擊箱體中部擋板分散開來，同時由于撞擊過程和流動過程中存在摩擦力和緩沖作用，導(dǎo)致了物料流動能降低。同時液面升高，液流流速方向沿著隔板向上，重力勢能逐漸增加，同時動能進(jìn)一步降低，導(dǎo)致液流速度逐漸降低。但是由于入料端有源源不斷的入料進(jìn)入，相當(dāng)于向箱體內(nèi)的物料注入能量，因此圖中會出現(xiàn)沿著隔板的物料上升流速度降低幅度很小的情況，可以看出沿著隔板的上升流速度分布約為0.9～1.4 m/s之間。并且正是由于輸入能量的存在，使得出口流速大于入口流速，其出口流速分布約為1.6～2.1 m/s。

同時在模擬結(jié)果圖中可以發(fā)現(xiàn)，箱體內(nèi)部的渦流范圍很大，幾乎充滿了整個箱體。這說明物料流在箱體內(nèi)部運動比較劇烈，可以大范圍攪動箱體內(nèi)部的磁鐵礦粉介質(zhì)，減少沉積。

如圖5中所示，表示的是箱體內(nèi)部流速及流動方向的分布云圖。從圖中可以明顯地看出，在箱體的邊角處流速很低，而且形成了大量的小渦流。速度的降低會形成流動中的死區(qū)，在這些死區(qū)會形成少量的磁鐵礦粉沉淀。隨著磁鐵礦粉沉淀的積累，箱體內(nèi)部的流動空間將隨之減少，液流速度加快，沖走一部分磁鐵礦粉沉淀，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

圖5 方案三主視剖面流速等值線圖

在出料管口處也形成了較大的渦流，這是由于出料管伸入到箱體內(nèi)部的長度較大造成的，這樣會導(dǎo)致出料口的液流穩(wěn)定性差。因此在實踐的過程中已經(jīng)將伸入箱體內(nèi)部的管道截短，消除了出口管道處的渦流，穩(wěn)定了出料。

2.4 方案四

本方案是在緩沖箱內(nèi)部按照出料管分布情況，豎排加裝隔板，將緩沖箱分為3部分。隔板為12 mm厚度的鋼板，高度為900 mm。通過SolidWorks軟件對這種形式的緩沖箱進(jìn)行流場模擬，結(jié)構(gòu)圖及模擬圖如圖6所示。

a-結(jié)構(gòu)圖；b-流場速度跡線分布圖圖6 方案四

從上面模擬圖中可以看出，本方案中3個入料管口對應(yīng)3個出料管口，入料管口和出料管口相對，保證每一個出料管和所對應(yīng)的入料管流量相等，使得出料順暢，保持箱體內(nèi)部不積料。但是本方案在流動的過程中并未起到充分的緩沖作用，也并未實現(xiàn)向3臺磁選機(jī)均勻給料。

2.5 結(jié)果分析

通過以上4種方案的對比，第三種方案中，物料得到了充分的緩沖和混合，在出料端的隔板設(shè)計也保證了給入3臺磁選機(jī)的物料是均勻的，同時高于出料管口的隔板設(shè)計也保證了物料液面能夠淹沒出料管口，保證了磁選機(jī)入料壓力和流量的穩(wěn)定。方案三在各方面都達(dá)到了要求，因此按照第三種方案對洗選系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造前4月份的生產(chǎn)情況與改造后5月份的生產(chǎn)情況對比如圖7所示。

a-介耗；b-矸石帶煤率圖7 4月份和5月份生產(chǎn)情況對比

改造以后選煤廠的介耗由原來的1.8 kg/t下降到1.2 kg/t以下，矸石帶煤率由改造前的0.5%下降到了目前的0.12%，改造效果較好。

3 結(jié)論

(1)通過利用SolidWorks對渦流分配稀介箱各方案的流場模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終選擇出了一種結(jié)構(gòu)的渦流分配稀介箱(方案三)，滿足充分緩沖物料、減少積料、出料壓力穩(wěn)定和物料分配均勻的要求。

(2)生產(chǎn)現(xiàn)場效果驗證試驗結(jié)果表明選煤廠的介耗由原來的1.8 kg/t下降到1.2 kg/t以下，矸石帶煤率由改造前的0.5%下降到了目前的0.12%，效果較好。