王學(xué)濤， 崔寶玉， 魏德洲， 宋振國(guó)

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819； 2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100160；3.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司， 北京 100160)

絮凝濃密技術(shù)作為處理微細(xì)顆粒固液分離的有效手段之一，目前已廣泛應(yīng)用于礦山、化工、環(huán)保等領(lǐng)域[1-3].在礦山領(lǐng)域，隨著選礦工藝水平的不斷提高，選礦尾礦產(chǎn)品中顆粒粒度越來(lái)越細(xì)，極易造成微細(xì)顆粒沉降速度慢、溢流水質(zhì)差、濃密機(jī)工作效率低等一系列問(wèn)題，甚至造成環(huán)境污染等嚴(yán)重問(wèn)題.另一方面隨著高效絮凝濃密技術(shù)的快速發(fā)展和尾礦回填采空區(qū)在綠色礦山發(fā)展的應(yīng)用，高效的深錐型濃密機(jī)已逐漸應(yīng)用在礦山企業(yè)中[4-5].而如何進(jìn)一步提高濃密機(jī)工作性能一直以來(lái)都是研究重點(diǎn)，濃密機(jī)內(nèi)部絮凝濃密過(guò)程的本質(zhì)是基于流場(chǎng)作用的顆粒復(fù)雜運(yùn)動(dòng)行為，而濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性很大程度上決定了顆粒絮凝效果、絮團(tuán)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其后續(xù)沉降、壓密脫水性能[6-7].當(dāng)前對(duì)濃密機(jī)分離性能的研究主要集中在物理試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究?jī)蓚€(gè)方向.物理試驗(yàn)研究雖然能對(duì)濃密機(jī)工藝參數(shù)的設(shè)定和優(yōu)化提供一定技術(shù)指導(dǎo)，但其存在試驗(yàn)條件復(fù)雜、同步檢測(cè)難度高、人力物力資源消耗大等局限，數(shù)值模擬試驗(yàn)以其效率高、可視化程度高、研究成本低等優(yōu)勢(shì)目前已廣泛應(yīng)用于濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性研究中.近些年，隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD， computational fluid dynamics)、群體平衡理論(PBT， population balance theory)和計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法在研究濃密機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)特性已取得了一定成果，為濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值仿真模型的建立以及濃密機(jī)結(jié)構(gòu)、絮凝劑添加制度、工藝操作參數(shù)的優(yōu)化提供了有效手段[8-12];但當(dāng)前多數(shù)研究仍主要集中在傳統(tǒng)型濃密機(jī)上，而深錐型濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性，尤其是給料井結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)對(duì)其工作性能影響的定量化研究仍有待進(jìn)一步完善.

液相作為顆粒相運(yùn)動(dòng)的載體，很大程度上決定了顆粒運(yùn)動(dòng)行為，因此本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的大高徑比、配置大插入深度給料井的實(shí)驗(yàn)室深錐型濃密機(jī)內(nèi)部單相流場(chǎng)特性建立了仿真模型，并系統(tǒng)地研究了給料流率對(duì)濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性分布的影響，研究結(jié)果對(duì)深入理解濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性分布和提高濃密機(jī)工作性能具有一定指導(dǎo)意義.

1 模型的建立與驗(yàn)證

1.1 仿真模型的建立

研究所采用的深錐型濃密機(jī)有效容積約為4 L，其幾何結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示，高徑比約為4∶1.該濃密機(jī)配置變徑深入式中心給料井，采用切向給料方式，且給料井入口處安裝具有耗散給料動(dòng)能、增加料漿在給料井內(nèi)部停留時(shí)間的環(huán)形擋板，給料井出口處配有導(dǎo)流錐，在濃密機(jī)底部的主軸上固定安裝三葉刮板，用于及時(shí)刮離底流沉砂.由于濃密機(jī)內(nèi)部主軸上具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子刮板，所以將計(jì)算域劃分為旋轉(zhuǎn)域和非旋轉(zhuǎn)域，兩區(qū)域采用笛卡爾多重參考坐標(biāo)系進(jìn)行邊界交接，其坐標(biāo)原點(diǎn)O(0，0，0)位于底流口平面中心處.

采用適用性更強(qiáng)的四面體網(wǎng)格劃分方式對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)域進(jìn)行離散，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)特性受幾何結(jié)構(gòu)影響敏感的給料井入料口、環(huán)形擋板處等局部區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密.同時(shí)對(duì)流體計(jì)算域劃分5種離散尺度的網(wǎng)格，其網(wǎng)格數(shù)量分別為527 368，627 846，753 927，982 768，1 087 016，用于驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響.

圖1 實(shí)驗(yàn)室深錐型濃密機(jī)結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

1.2 邊界條件與求解控制方法

濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)采用Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，給料井入口邊界條件為法向體積流率入口，其值為1.8 L/min，底流口邊界條件為法向速度出口，流出速度為0.195 m/s，溢流口為壓力出口邊界條件，靜壓值為0，其余邊界面均為壁面(Wall)邊界條件，并采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁面湍流計(jì)算，轉(zhuǎn)子刮板運(yùn)行轉(zhuǎn)速為10 r/min.采用雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM)捕捉湍流細(xì)節(jié)，數(shù)值模擬采用基于壓力的壓力-速度耦合方式求解，并選擇SIMPLE求解格式進(jìn)行穩(wěn)態(tài)迭代計(jì)算，其動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率、雷諾應(yīng)力均采用QUICK迭代格式，迭代殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10-4.

1.3 網(wǎng)格離散度無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在上述數(shù)值模擬條件下，分別采用所劃分的5種離散尺度的網(wǎng)格對(duì)濃密機(jī)內(nèi)部單一液相流場(chǎng)速度特性進(jìn)行預(yù)測(cè).選定湍流強(qiáng)度相對(duì)較高的給料井區(qū)域?yàn)閰⒖紖^(qū)域，其中L1(X=-52～52 mm，Y=0，Z=350 mm)位置速度分布如圖2所示.由圖2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到超過(guò)982 768時(shí)，L1處速度基本不再受網(wǎng)格單元數(shù)量影響，綜合考慮計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和計(jì)算效率，確定計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量為982 768，即后續(xù)數(shù)值研究均采用該離散化網(wǎng)格.

圖2 網(wǎng)格質(zhì)量無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2 濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性研究

2.1 速度及速度梯度特性分布研究

礦漿經(jīng)由給料井在垂直方向上形成澄清區(qū)、過(guò)渡區(qū)、沉降區(qū)以及濃密區(qū).不同分區(qū)流體運(yùn)動(dòng)速度和方向不同，發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程也不相同，所以探究濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布對(duì)深入理解和研究濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性具有重要意義.

2.1.1 速度特性分布

當(dāng)給料流率為1.8 L/min時(shí)，濃密機(jī)內(nèi)部Y=0截面流場(chǎng)速度特性分布如圖3所示.由圖3a，圖3b可知，濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度特性基本沿中心轉(zhuǎn)軸成對(duì)稱分布，經(jīng)由給料管給入的流體沿給料井內(nèi)部擋板和側(cè)壁先是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此處流體運(yùn)動(dòng)速度最高，而生產(chǎn)實(shí)踐中絮凝劑加藥點(diǎn)一般布置在給料井內(nèi)部擋板上部空間位置，此處較高的流體運(yùn)動(dòng)速度有助于提高絮凝劑在料漿中的分散效果和顆粒碰撞概率，環(huán)形擋板上方的旋轉(zhuǎn)流增大了流體在給料井內(nèi)部上方空間的停留時(shí)間，為絮凝劑與料漿的充分混合和絮凝反應(yīng)的發(fā)生提供了有利條件；另一方面，擋板能夠適當(dāng)降低料漿進(jìn)入給料井的速度，耗散一部分給入料漿所具有的較大動(dòng)能.旋轉(zhuǎn)流經(jīng)環(huán)形擋板中心向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)流錐將物料均勻?qū)Я鞯较虏砍两祬^(qū)，在給料井出口附近形成上、下兩循環(huán)的分流區(qū)，分別如圖3a中A，B，C，D區(qū)域所示.A，B區(qū)域的上循環(huán)流有助于料漿中微細(xì)顆粒在上升過(guò)程中進(jìn)行二次富集和沉降，而C，D區(qū)域的下循環(huán)流有助于濃相層形成疏水間隙，為底部床層的壓密脫水提供條件.

圖3 Y=0速度特性分布

給料流率作為影響濃密機(jī)工作性能的重要操作工藝參數(shù)之一，其直接影響濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性分布，而濃密機(jī)內(nèi)部顆粒沉降過(guò)程主要體現(xiàn)在豎直方向上，因此為探究給料流率對(duì)沉降速率的影響，分別在給料流率為0.9，1.8，3.6，5.4，9.0 L/min 的條件下對(duì)濃密機(jī)內(nèi)部流軸向速度分布特性進(jìn)行考察.選定L2(X=45 mm，Y=0，Z=42～310 mm)，L3(X=-52～52 mm，Y=0，Z=220 mm) 分別為沉降區(qū)軸向和徑向參考位置，不同給料流率條件下沉降區(qū)的軸向速度分布分別如圖4、圖5所示.

圖4 給料流率對(duì)L2位置軸向速度影響

由圖4可知，當(dāng)給料流率在1.8 ～9.0 L/min范圍內(nèi)，以軸向高度203 mm為分界面，在分界面上方和下方分別形成了明顯的向上和向下的循環(huán)流，為顆粒沉降和澄清流溢出提供了基礎(chǔ)條件，而當(dāng)給料流率為0.9 L/min時(shí)，上、下分流效果不明顯.同一給料流率，軸向高度在42～203 mm范圍時(shí)，軸向速度基本隨著軸向高度的增加先小幅度增長(zhǎng)后大幅度升高，高速度區(qū)間有利于實(shí)現(xiàn)顆粒流的快速沉降，相對(duì)較低速度區(qū)間減弱了沉降流對(duì)底部濃密層穩(wěn)定性的影響；軸向高度在203～310 mm范圍時(shí)，隨著軸向高度的增加，軸向速度大小呈先大幅增加后降低再小幅增加的趨勢(shì)，原因在于給料井釋放流具有較高的動(dòng)能，隨著上升流高度的增加其動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，速度逐漸降低，為上升流中的微細(xì)顆粒再次沉降提供了條件，有效避免或者降低“溢流跑粗”現(xiàn)象的發(fā)生.給料流率對(duì)所研究參考位置軸向速度分布影響較為明顯，隨著給料流率的增加，軸向速度大小也相應(yīng)增加；給料流率每提高1.8 L/min，軸向速度大約增加0.02 m·s-1，因此生產(chǎn)實(shí)踐中增大給料流率一定程度上能夠增大沉降區(qū)的顆粒沉降速度，另一方面也容易造成“溢流跑粗”.

圖5 給料流率對(duì)L3位置軸向速度影響

由圖5可知，受單向切向給料影響，給料井出口處的(L3位置)軸向速度在徑向位置上呈不完全對(duì)稱分布，并形成了基本以38 mm為半徑的“零速包絡(luò)面”，當(dāng)徑向距離小于38 mm時(shí)，流體向下運(yùn)動(dòng)，且隨著徑向距離的減小軸向速度呈先增大后降低的趨勢(shì)；當(dāng)徑向距離大于38 mm時(shí)，流體向上運(yùn)動(dòng)，隨著徑向距離的增大軸向速度先增大后降低；軸向速度與給料流率呈正相關(guān)性，且隨著給料流率的增大軸向速度變化率明顯增大，即增大給料流量有助于增加“零速包絡(luò)面”內(nèi)外流的速度差異.

2.1.2 速度梯度特性分布研究

給料井內(nèi)切向速度梯度(剪切強(qiáng)度)對(duì)絮凝劑分散和絮凝效果好壞具有重要影響，因此考察給料流率對(duì)給料井內(nèi)流體切向速度的影響，Y=0截面切向速度梯度分布如圖6所示.由圖6可知，當(dāng)給料流率低于1.8 L/min時(shí)，給料井內(nèi)外流體剪切強(qiáng)度相差不大；當(dāng)給料流率大于1.8 L/min時(shí)，形成了顯著的速度梯度，且給料井內(nèi)流體剪切強(qiáng)度明顯高于濃密機(jī)其他區(qū)域，其中擋板上部剪切強(qiáng)度最大，生產(chǎn)實(shí)踐中可將絮凝劑添加點(diǎn)設(shè)置于此，較高的速度梯度有助于絮凝劑在料漿中的分散，強(qiáng)化顆粒碰撞概率；此外，隨著給料流率的增大，剪切強(qiáng)度逐漸增大，且給料井內(nèi)外剪切強(qiáng)度差異逐漸變大.一般當(dāng)剪切強(qiáng)度大于150 s-1時(shí)[7]，絮凝體結(jié)構(gòu)易造成破壞，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)調(diào)控給料流率，使給料井內(nèi)部流體剪切強(qiáng)度低于150 s-1.

圖6 給料流率對(duì)切向速度梯度影響

為進(jìn)一步探究不同給料流率條件下不同徑向位置剪切強(qiáng)度差異，取L4(X=-52～52 mm，Y=0，Z=350 mm) 作為研究參考位置，如圖6e所示.給料流率對(duì)參考位置剪切強(qiáng)度影響模擬結(jié)果如圖7所示，由圖7可知，給料流率對(duì)給料井外部剪切強(qiáng)度影響很小，對(duì)給料井內(nèi)部影響較高；當(dāng)徑向距離在3～15 mm范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度隨著徑向距離的增加，先急劇增加后迅速降低，剪切強(qiáng)度最高值與最低值可相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)；大約在徑向距離15～20 mm范圍內(nèi)給料流率對(duì)剪切強(qiáng)度影響很弱.徑向距離在20～32 mm范圍內(nèi)，隨著徑向距離的增加，剪切強(qiáng)度也隨之小幅度增加.流體剪切強(qiáng)度直接影響絮凝效果的好壞，過(guò)小的速度梯度不利于絮凝劑的分散、顆粒間的碰撞，而過(guò)高的剪切強(qiáng)度容易對(duì)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)造成破壞，不易形成高質(zhì)量的絮團(tuán)，因此可參考剪切強(qiáng)度特征分布，在剪切強(qiáng)度較高的位置補(bǔ)加絮凝劑，強(qiáng)化絮凝效果.

圖7 給料流率對(duì)L4切向速度梯度影響

2.2 湍流特性分布結(jié)果與分析

濃密機(jī)內(nèi)部為復(fù)雜的湍流場(chǎng)，絮凝、沉降及壓密脫水行為與湍流特性密切相關(guān)，且湍流的隨機(jī)特性與尺度微小等特點(diǎn)使其檢測(cè)難度較大，因此對(duì)濃密機(jī)內(nèi)部湍流特性分布進(jìn)行研究，當(dāng)給料流率為1.8 L/min時(shí)，Y=0截面上湍動(dòng)能、湍流強(qiáng)度分布結(jié)果如圖8所示.

圖8 Y=0截面湍流特性分布

圖8a，圖8b表明，給料井內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流具有較高的湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度，尤其是靠近給料井擋板區(qū)域，隨著擋板對(duì)湍流的耗散和旋流的向下流動(dòng)，湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度在給料井軸向高度上由上及下呈逐漸降低趨勢(shì)，盡管導(dǎo)流錐處由于排料間隙較小形成了局部較高的湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度，但其在很小的空間內(nèi)被耗散.實(shí)踐過(guò)程中，給料井內(nèi)適當(dāng)?shù)膹?qiáng)湍流有助于絮凝劑在料漿中的混合，并增加了顆粒間的碰撞概率，給料井外部較低的湍流強(qiáng)度保證了沉降區(qū)流場(chǎng)的相對(duì)穩(wěn)定性.

為進(jìn)一步考察給料流率對(duì)給料井內(nèi)湍流強(qiáng)度的影響，選定Y=0截面上L5(X=12 mm，Y=0，Z=225～445 mm) 作為參考位置，給料流率對(duì)給料井內(nèi)湍流強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖9所示.由圖9可知，當(dāng)給料流率小于1.8 L/min時(shí)，研究位置的湍流強(qiáng)度小于1%，為低湍流強(qiáng)度；當(dāng)給料流率為3.6～9 L/min時(shí)，其值在1%～6%范圍內(nèi)，為中等湍流強(qiáng)度，且隨著給料流率的增加湍流強(qiáng)度增加幅度也相應(yīng)增加.同時(shí)，參考位置的湍流強(qiáng)度峰值點(diǎn)分別位于軸向高度約為310 mm的給料井筒體收縮處和393 mm的擋板內(nèi)環(huán)邊緣處，由此可知在有絮凝反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程中，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)在此區(qū)域最容易遭到破壞.

圖9 給料流率對(duì)給料井內(nèi)湍流強(qiáng)度的影響

給料井作為能量耗散和絮凝反應(yīng)發(fā)生的主要場(chǎng)所，其工作性能的好壞可通過(guò)湍流動(dòng)能的耗散和回流率進(jìn)行表征.其中，湍動(dòng)能耗散率定義為給料井排出流單位面積湍動(dòng)能與給料流單位面積湍動(dòng)能的比值，用于表征給料井對(duì)給入流的能量耗散程度.回流率為沉降區(qū)回流給料井的流量與給料流量的比值，調(diào)控適宜的回流率可使絮凝反應(yīng)發(fā)生在較好的料漿濃度范圍內(nèi)，進(jìn)而提高絮凝效果.給料流率對(duì)給料井湍動(dòng)能耗散率和回流率的影響如圖10所示，由圖10可知，當(dāng)給料流率為1.8 L/min時(shí)，湍動(dòng)能耗散率達(dá)到最大值約33.5%，繼續(xù)增大給料流率湍動(dòng)能耗散率反而降低，當(dāng)給料流率增加到超過(guò)5.4 L/min時(shí)，湍動(dòng)能耗散率基本不受給料流率的影響.由于該濃密機(jī)采用導(dǎo)流錐對(duì)給料井內(nèi)部流進(jìn)行排出，在排流間隙較小的情況下難以形成較大回流，所以其回流率受給料流率影響較小，基本在3.3%～3.5%范圍內(nèi)波動(dòng).因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中可適當(dāng)降低給料流率強(qiáng)化湍流耗散率，提高給料井內(nèi)顆粒絮凝效果.

圖10 給料流率對(duì)給料井湍動(dòng)能耗散率和回流率影響

3 結(jié) 論

1) 濃密機(jī)內(nèi)部速度場(chǎng)特性沿主軸基本呈對(duì)稱式分布，導(dǎo)流錐分流后在軸向高度為203 mm處形成上、下兩循環(huán)流；給料流率增大，軸向速度差異增加；在徑向半徑為38 mm處形成向下、向上速度流交界面.

2) 給料井內(nèi)部流體剪切強(qiáng)度高于其他外部區(qū)域，其中擋板上方剪切強(qiáng)度最高，且剪切強(qiáng)度與給料流率呈正相關(guān)性；單切向給料方式使給料井內(nèi)局部剪切強(qiáng)度呈非對(duì)稱性分布；給料井內(nèi)剪切強(qiáng)度隨著徑向距離的增加呈先增加后降低再升高的趨勢(shì).

3) 濃密機(jī)較高湍流強(qiáng)度分布在給料井內(nèi)部及其排料口處，給料井內(nèi)部湍流強(qiáng)度峰值區(qū)域位于擋板內(nèi)環(huán)邊緣和給料井筒體變徑處；相對(duì)較低的給料流率有助于提高湍動(dòng)能的耗散；給料流率對(duì)配置導(dǎo)流錐的給料井回流率影響較小.

4) 綜合考慮速度、剪切強(qiáng)度、湍流等特性分布，給料流率約為1.8 L/min時(shí)，該深錐型濃密機(jī)具有更好的工作性能；濃密機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性研究對(duì)深入理解絮凝濃密理論和提高濃密機(jī)工作效率具有指導(dǎo)意義.