馮曙慶

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司洗煤廠，山西 方山 033100）

0 引 言

壓濾機(jī)主要有上部入料、中部入料、中上部入料下部入料等這幾種入料方式，入料方式的不同，會(huì)造成壓濾機(jī)慮室中的壓力、流體流速迥異[1]。壓濾機(jī)慮室其他條件一樣，限定入料壓力在某個(gè)確定值，若給壓濾機(jī)不同的入料，則壓濾機(jī)慮室流體流速分布情況千差萬別，進(jìn)而影響了濾餅的形成時(shí)間。要想濾餅快速形成，提高壓濾機(jī)工作效率，只有控制住慮室中的流體流速均勻分布。入料方式的不同，也造就了慮室中的壓力分布情況差異迥然，若在生產(chǎn)過程中，慮室壓力過于集中化，就會(huì)對(duì)濾板和濾布的使用壽命造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而給選煤廠提高了維修支出。

為了減小選煤廠經(jīng)濟(jì)成本，論文利用Fluent計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)壓濾過程進(jìn)行仿真，通過仿真模擬研究，分析入料工藝中的壓力和流體流速分布，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，確定出最優(yōu)入料工藝方式?？蔀閴簽V機(jī)的選型、設(shè)計(jì)等提供理論支持。另外適宜的入料工藝能夠提高壓濾機(jī)生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，最重要的是還會(huì)降低濾餅水分，有效降低濾布的損傷，有利于機(jī)械化生產(chǎn)。

1 壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

1.1 壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)

支撐系統(tǒng)、吹風(fēng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、液壓收集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等各個(gè)系統(tǒng)組成了壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)。固定頭板、活動(dòng)尾板、孔板、盲板、主裝液體液壓缸、輔助液體液壓缸、隔開膜片泵、濾液收集裝置等組成壓濾機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]。

用來支撐整個(gè)系統(tǒng)的是固定頭板、機(jī)架并和孔板閉合組成的慮室。濾板又由孔板和盲板組成，在液壓系統(tǒng)作用下，他們壓緊，煤泥水這時(shí)就通過料孔進(jìn)入，經(jīng)過濾布過濾作用產(chǎn)生固液分離，這樣濾餅就形成了。

液壓系統(tǒng)主要提供動(dòng)力，壓濾機(jī)的打開關(guān)閉也是液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。煤泥水在高壓過濾過程中，液壓系統(tǒng)會(huì)讓壓濾機(jī)一直處于閉合狀態(tài)。完成后壓濾機(jī)的卸餅狀態(tài)靠主副液壓系統(tǒng)共同作用完成。

用來收集和分流濾板中的液體是濾液收集系統(tǒng)完成。每一個(gè)濾板都安裝有濾液管，煤泥水經(jīng)過固液分離后，濾液就會(huì)通過濾液管集中到濾液溶裝桶內(nèi)，濾液溶裝桶內(nèi)裝有傳感器，傳感器能夠監(jiān)測(cè)感知是否高壓過濾是否順利實(shí)現(xiàn)。

壓濾機(jī)在高壓過濾煤泥水時(shí)，慮室需要高壓空氣，因?yàn)橹挥性诟邏嚎諝獾淖饔孟?，濾餅中的殘留水分才能被吹離，進(jìn)一步滿足較低含水量的濾餅，這個(gè)過程就需要吹風(fēng)系統(tǒng)來控制完成。

壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)的部分重要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 工作原理

壓濾機(jī)分為礦漿填充、加壓過濾、排水吹風(fēng)、自動(dòng)卸餅等四個(gè)工作過程，正常情況，壓濾機(jī)循環(huán)時(shí)間約為10～12min[3]。壓濾機(jī)工作原理的幾個(gè)階段如下：

礦漿填充階段：在煤泥水送入壓濾機(jī)之前，液壓泵啟動(dòng)，使主液壓缸推動(dòng)活動(dòng)板，這時(shí)相鄰濾板相互緊貼，進(jìn)而為礦漿充填創(chuàng)造空間。隨即隔膜泵自動(dòng)啟動(dòng)，運(yùn)用管道迅速把礦漿液輸送到各自慮室中。

加壓過濾階段：在上個(gè)階段結(jié)束后隔膜泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得每個(gè)充滿礦漿液的慮室形成壓力差，煤泥水中的絕大數(shù)水分會(huì)被過濾掉，過濾出來的液體經(jīng)過排水槽和排水板排到規(guī)定區(qū)域。

排水吹風(fēng)階段：在排水的過程中，濾餅就慢慢形成，隨著濾餅的成型，水分慢慢減少，這個(gè)時(shí)候?yàn)V液桶中的水位低于閥限時(shí)，就會(huì)自動(dòng)顯示信號(hào)，隔膜泵隨即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。慮室會(huì)把高壓空氣壓進(jìn)濾布和排水溝槽中間，強(qiáng)行排走濾餅周圍的水分，避免濾餅倒吸，引起反彈。在高壓作用下，空氣強(qiáng)行進(jìn)入濾餅顆?？障吨校瑢⒖障吨械乃謴?qiáng)行排出，我們稱之為空氣換水。

自動(dòng)卸餅階段：液壓泵啟動(dòng)，在其運(yùn)轉(zhuǎn)下，主液壓缸活塞推動(dòng)活板進(jìn)行首次卸餅，隨后各組輔助液壓缸一次完成卸餅。

2 建立Fluent仿真模擬模型

2.1 仿真模擬數(shù)學(xué)原理

壓濾機(jī)處理煤泥水過程，就像多孔介質(zhì)流體滲流作用[4]，附加的動(dòng)量損失就是由內(nèi)部損失和粘性損失之和。

式中：Si為動(dòng)量；D為阻力系數(shù)；C為慣性系數(shù)；Μ為粘性系數(shù)；ρ為密度；v為固液混合速度。

仿真模擬中阻力系數(shù)和貫性系數(shù)借鑒Ergun[5]方程

式中：ε為孔隙率；Dp2顆粒直徑均值。

2.2 建立模型

三維仿真模擬時(shí)，慮機(jī)過濾面積取200m2，慮室高度取40mm，濾餅的長(zhǎng)寬為1800mm×1800mm。因此次模擬三維流體流動(dòng)，我們采用的是六面體網(wǎng)格，也就是說用六面體進(jìn)行了塊體網(wǎng)格的劃分。

結(jié)合選煤廠壓濾機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，為研究三種入料方式工藝，建立的仿真模擬模型詳見圖1所示，其中濾室厚度模型中取的50mm，慮室入口直徑取80mm，慮室高和寬均取的是1800mm，濾布厚度按實(shí)際尺寸定為2mm。

圖1 入料方式仿真模型圖

3 仿真模擬分析

3.1 上部入料工藝仿真結(jié)果分析

在建立的三維模型中，施加初始條件，待模型運(yùn)行穩(wěn)定后，創(chuàng)造實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)對(duì)壓濾機(jī)濾室產(chǎn)生過濾作用進(jìn)行仿真模擬。上部入料工藝在壓濾機(jī)濾室中壓力、流體流速仿真模擬如2所示。

圖2 上部入料方式慮室壓力和流體流速

從仿真模擬圖2看出，慮室中剛加入煤泥，并且煤泥還未形成濾餅這個(gè)過程，壓力從上面到下面是一種由大變小的變化趨勢(shì)。而從入料口方向分析，壓力是先變小再增大的變化過程，應(yīng)力集中在入料口的盲板處，此種情況說明濾板局部會(huì)受到很大的沖擊載荷作用。若長(zhǎng)時(shí)間處于這種狀態(tài)下，必然造成濾布破損，加之孔板與盲板之間力的不均衡性，材料硬件會(huì)發(fā)生變形破壞。從圖中可以讀出，底部區(qū)域明顯比兩側(cè)壓力值小，原因是煤泥在運(yùn)到底部位置時(shí)，會(huì)受到濾板阻礙的作用，進(jìn)而造成煤泥率先向這個(gè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)。從流體流速云圖可知，煤泥在上下流動(dòng)過程中，在入料口速度達(dá)到最大值，并隨著入料口方向不斷衰減，從慮室上下煤泥速度也在不斷減小。從整體上看，只有在入料口附近速度變化較大，其他區(qū)域正較為均勻，而且是從上往下流動(dòng)。

3.2 中部入料工藝仿真結(jié)果分析

在建立的三維模型中，施加初始條件，待模型運(yùn)行穩(wěn)定后，創(chuàng)造實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)對(duì)壓濾機(jī)濾室產(chǎn)生過濾作用進(jìn)行仿真模擬。中部入料工藝在壓濾機(jī)濾室中壓力、流體流速仿真模擬如3所示。

圖3 中部入料方式慮室壓力和流體流速

中部入料工藝仿真模擬壓力云圖可知，壓濾機(jī)剛加入煤泥時(shí)，煤泥沿著慮室入口方向，壓力從大變小變化，壓力又從小增大，盲板集中了大量應(yīng)力，分析其原因，是煤泥剛?cè)胨俣仍炀偷摹Ｒ驗(yàn)槊耗嗨俣却?，必然引起濾布阻礙，顯然煤泥也對(duì)濾布產(chǎn)生局部沖擊。從慮室豎直方向分析，壓力在中間最大，而在兩側(cè)是衰減的。從流體速度云圖分析，煤泥不僅從水平方向穿過濾布，而且會(huì)上下同時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生濾液，在入口處其流速達(dá)到最大。從入口方向來看，煤泥流速是慢慢變小的，在入料口處，煤泥速度也是在向兩側(cè)遞減的。

3.3 下部入料工藝仿真結(jié)果分析

利用計(jì)算機(jī)仿真下部入料工藝過程，煤泥在液壓慮機(jī)的慮室作用過程中壓力和流體流速的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 下部入料方式慮室壓力和流體流速

從上圖4壓力云圖可以看出，沿著慮室入口方向，煤泥在被運(yùn)作過程中，其壓力是由大變小再變大，而且局部區(qū)域集中了大量壓力，因?yàn)槊耗嘣谒腿霊]室中時(shí)，經(jīng)過濾布的過濾，相應(yīng)增加了阻力，因而下部入料口必然會(huì)受到較大沖擊作用。另外，從濾室豎直方向觀察，發(fā)現(xiàn)壓力由下往上先增大，再減小，在震動(dòng)作用下，煤泥向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生固液分離，進(jìn)而濾液進(jìn)入濾室。流體流速云圖觀察得出，下部入料管中達(dá)到了最大流速，因煤泥同時(shí)向上向下運(yùn)動(dòng)，入料口盲板處流速要比其他區(qū)域小很多，主要是因?yàn)榱黧w在盲板區(qū)域形成了渦流現(xiàn)象。入料口盲板因其率先接觸煤泥，底部與入料口之間整體出現(xiàn)較大流速，再?gòu)娜肓峡谙蛏戏较蛴^察，發(fā)現(xiàn)煤泥速度漸漸變小。

4 三部入料工藝對(duì)比分析

為了比較三部入料工藝優(yōu)劣，確定最佳入料方式。把三部入料工藝中煤泥剛進(jìn)行過濾流程的仿真模擬結(jié)果，導(dǎo)入matlab軟件中，三種壓力曲線結(jié)果如圖5所示。

圖5 三部入料壓力曲線圖

由圖5可知，三部入料工藝均會(huì)產(chǎn)生壓力集中，都會(huì)沖擊濾板。但是上部入料工藝對(duì)濾板產(chǎn)生壓力最大，中部入料工藝次之，底部入料工藝壓力最小。從圖中也能看出無論采用上部入料工藝還是下部入料工藝，均會(huì)造成較大壓力于濾室頂部和濾室底部。當(dāng)運(yùn)用下部入料工藝時(shí)，在濾室中部反而產(chǎn)生了負(fù)壓，這不利于濾餅的生成，運(yùn)用中部入料工藝上下運(yùn)作過程中受力較為均勻，就壓力來看，采用中部入料工藝較為適宜。

為了比較三部入料工藝優(yōu)劣，確定最佳入料方式。把三部入料工藝中煤泥剛進(jìn)行過濾流程的仿真模擬結(jié)果，導(dǎo)入matlab軟件中，三種速度曲線結(jié)果如圖6所示。

圖6 三部入料速度曲線圖

從三部入料速度曲線圖看，在煤泥剛輸送進(jìn)濾室中時(shí)，三種入料工藝的入料管中煤泥速度都是處于峰值。但從入口煤泥速度來看，下部入料工藝最大，中部次之，下部入料工藝最小，主要是因?yàn)橄虏咳肓瞎に嚨拿耗噍^快充填。在三部入料工藝中，入料口區(qū)域均存在小于其他區(qū)域的流速，因?yàn)檫@三步入料工藝煤泥在進(jìn)入時(shí)均會(huì)產(chǎn)生渦流。上部入料工藝煤泥是向下流動(dòng)的，中部入料工藝的煤泥同時(shí)向上向下均會(huì)流動(dòng)，下部入料工藝煤泥不僅向下也會(huì)向上流動(dòng)，但是入料口向下流動(dòng)速度大于上部流速，因而煤泥率先在底部吃滿。單就煤泥流速來看，中部入料工藝較好。

綜上，結(jié)合入料工藝煤泥壓力和速度，三部入料工藝中采用中部入料工藝效果最佳，也是最有利的。

5 結(jié) 論

通過對(duì)壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)說明，工作原理介紹，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)三部入料工藝的煤泥在慮室中壓力和流速進(jìn)行了模擬，可以得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

1）壓濾機(jī)是由支撐系統(tǒng)、吹風(fēng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、液壓收集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)組成；壓濾機(jī)要完成對(duì)煤泥水處理，需要經(jīng)過礦漿填充、加壓過濾、排水吹風(fēng)、自動(dòng)卸餅等四個(gè)工作過程。

2）根據(jù)流體介質(zhì)等原理，建立仿真模型，設(shè)置約束條件，對(duì)三種入料工藝煤泥在慮室中的壓力和流速進(jìn)行了仿真模擬。

3）通過對(duì)三種入料工藝壓力、流速模擬分析、比較，得出中部入料工藝是最為合適，也是壓濾機(jī)處理煤泥水的最優(yōu)入料工藝。