帖志國

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)中北煤炭儲運(yùn)有限公司，山西 太原 037000）

引言

我國作為能源儲存及消耗大國，隨著對能源需求量的不斷增長，已經(jīng)對我國能源安全造成了一定的威脅。煤炭資源作為我國各個行業(yè)及各種能源的基礎(chǔ)原料，在我國當(dāng)前煤炭行業(yè)較為低迷的情況下，煤炭資源仍是我國支柱能源。雖然“十三五”規(guī)劃提出要以“清潔、高效、安全、可持續(xù)”為我國能源發(fā)展道路，但清潔能源產(chǎn)量較低，無法滿足我國對能源的需求，所以煤炭行業(yè)仍是我國的支柱產(chǎn)業(yè)。煤炭的清潔利用是當(dāng)下煤炭利用的重中之重，煤炭的清潔利用主要通過煤炭分選實(shí)況，旋流器作為洗煤廠重要的分離分級分選設(shè)備，由于其分選精度高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，被選煤行業(yè)廣泛應(yīng)用。旋流器通過將原料進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)流動，利用離心力場實(shí)現(xiàn)原料的分級或分選[1-2]。傳統(tǒng)的旋流器出料口分為底流和溢流口，當(dāng)原料進(jìn)行分選后經(jīng)過溢流口流出時，此時由于旋流器依然具有較快的速度，所得動能浪費(fèi)較為嚴(yán)重[3]，如果能將此部分能量進(jìn)行回收再利用，將會降低分選成本，因此本文設(shè)計一種余能回收裝置，在保證分選精度的同時，降低成本，為選煤廠降本增效提供一定的參考。

1 溢流余能回收裝置設(shè)計

由于我國一次能源利用率低，所以需要大力發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)，在此基礎(chǔ)上盡量利用二次能源，對一次消耗能源的殘留進(jìn)行有效利用回收，傳統(tǒng)的動能回收利用主要是靠動能水力發(fā)電技術(shù)，通過水輪機(jī)將動能轉(zhuǎn)為電能并進(jìn)行儲存。在考慮水輪機(jī)發(fā)電原理的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套布置于旋流器溢流口處的余能回收裝置，溢流余能回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 溢流余能回收裝置參數(shù)研究

圖1 溢流余能回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖

對設(shè)計的余能回收裝置進(jìn)行研究，研究葉片對旋流器內(nèi)部流場的影響，首先進(jìn)行模型建立，本文利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對葉片安裝最佳角度進(jìn)行流場模擬，對旋流器進(jìn)行建立，旋流器結(jié)構(gòu)尺寸如下：旋流器內(nèi)徑150 mm、入料口直徑48 mm、溢流管插入深度200 mm、溢流管直徑50 mm、底流口直徑24 mm、錐角20°、入料壓力0.085 MPa、入料流量17.467 m3/h。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時，為保證計算的精度及計算的速度，本文采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分，劃分后共計384 536個網(wǎng)格。首先對無葉輪下的旋流器內(nèi)部流場及壓力分布進(jìn)行分析，模擬云圖如圖2所示。

圖2 模擬云圖

根據(jù)圖2所示，對旋流器中水分布云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在溢流管范圍內(nèi)均為空氣柱，只在溢流管出料口位置存在水流層，但水流分布較小，所以確定葉輪安裝位置需要放置在出料口外。觀察旋流器內(nèi)部壓力分布情況可以看出，旋流器內(nèi)部壓力呈現(xiàn)對稱分布特征，在旋流器中間部位為負(fù)壓區(qū)域，負(fù)壓區(qū)域?qū)?yīng)著空氣柱的位置，這也是由于處于負(fù)壓位置，所以導(dǎo)致空氣柱的形成。隨著空氣柱向外逐步擴(kuò)展可以看出壓力逐漸變大，旋流器內(nèi)部壓力最大位置位于旋流器器壁位置，出現(xiàn)此規(guī)律的原因是由于旋流器入料方式選用漸開線式切向入料，這就導(dǎo)致在器壁位置壓力最大。在溢流管的頂端壓力同樣呈現(xiàn)為負(fù)壓區(qū)，但在此處的壓力能較低，所有無需回收。

對葉片安裝角度為20°時的旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸為內(nèi)徑15 mm、外徑125 mm、葉片尺寸50 mm×50 mm、葉片角為20°。對葉片角20°下的旋流器內(nèi)部流場及壓力分布進(jìn)行分析，模擬云圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后模擬云圖

由圖3可以看出，當(dāng)葉片角設(shè)定為20°時，此時旋流器及溢流余能回收裝置空氣分布與上頁圖2旋流器空氣分布相比較而言，內(nèi)部空氣柱的穩(wěn)定性及空氣均勻性較差，同時相比而言空氣柱的半徑減小一半，造成旋流器的分選效果受到一定的影響，此時的底流夾細(xì)量增大。觀察靜壓分布云圖，可以看出與原旋流器下空氣分布云圖類似，在空氣柱位置存在負(fù)壓區(qū)域，在溢流余能回收裝置中負(fù)壓值較小，此時在相同入料流量下安裝溢流余能回收裝置會使得入料的壓力降低。所以增加溢流余能回收裝置后應(yīng)當(dāng)加大入料壓力。

對溢流余能回收裝置進(jìn)行參數(shù)研究，對不同葉片角下轉(zhuǎn)速隨入料壓力的變化趨勢進(jìn)行分析，繪制40 mm溢流管、50 mm溢流管下轉(zhuǎn)速隨入料壓力的變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，在相同溢流管徑下，轉(zhuǎn)速隨著入料口壓力的增大呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，轉(zhuǎn)速越大，代表溢流余能回收裝置能夠回收的能量也就也大，能量回收效果較佳，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)葉輪的葉片角設(shè)定為20°時，此時當(dāng)入料壓力設(shè)定為0.095 MPa時，此時在溢流管徑為50 mm時達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1 550 r/min。當(dāng)葉輪的葉片角為10°以及15°時，此時考慮到葉片角較小，葉輪葉片受到的溢流漿體推力作用增大，所以在此條件下當(dāng)入料壓力達(dá)到一定值時，此時的工作機(jī)構(gòu)會出現(xiàn)脫離工作區(qū)域的情況，從而導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況。當(dāng)葉輪的葉片角在60°～140°時，此時葉輪轉(zhuǎn)速均較低，在此之中，效果最差為120°，而當(dāng)溢流管徑為40 mm時，此時120°的葉片甚至無法轉(zhuǎn)動。所以可以看出最佳的葉輪葉片角為20°，最佳的入料壓力為0.095 MPa。

圖4 轉(zhuǎn)速隨入料壓力的變化曲線

3 結(jié)論

1）對旋流器中水分布云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在溢流管范圍內(nèi)均為空氣柱，只在溢流管出料口位置存在水流層，但水流分布較小，從而得出最佳葉輪安裝位置為出料口外。

2）相同入料流量下安裝溢流余能回收裝置會使得入料的壓力降低，所以增加溢流余能回收裝置后應(yīng)當(dāng)加大入料壓力。

3）從40 mm溢流管、50 mm溢流管下轉(zhuǎn)速隨入料壓力的變化曲線可以看出，最佳的葉輪葉片角為20°，最佳的入料壓力為0.095 MPa。