吕秀丽，张力强

（1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012）

重介质选煤工艺作为一种高效率的分选工艺，目前已在选煤生产中得到广泛应用。重介质旋流器作为重介质选煤工艺系统的核心设备之一，具有分选精度高，处理能力大，结构简单，适用性强等优点［1］。但是，重介质旋流器的分选是在一个极其复杂的密度场和速度场中进行的，难于从纯数学的角度加以描述，理论分析困难，所以当前没有任何形式的公式可以对其进行定量的描述，对其分选效果产生影响的因素和影响程度大多是利用实际试验数据导出的经验公式进行分析讨论的。随着计算机技术的快速发展，计算流体力学技术可以清晰直观地反映重介旋流器内部流场流动状况［2］，为产品的开发设计提供了可靠的技术手段。针对当前选煤市场现状，市场对选煤产品指标要求越来越高，三产品重介质旋流器在实际分选过程中二段旋流器中煤中夹带矸石以及矸石中夹带中煤的问题日益突出。如何有效解决中煤中夹带的矸石以及矸石中夹带的中煤是所有现场十分关心的问题。

重介质旋流器分选效果影响因素可以归纳为两大类，即结构影响因素和工艺影响因素［3］。在当前技术中，通过调整二段底流口、二段溢流口口径及插入深度等结构因素均可以实现二段分选密度不同程度的改变［4］。文章在重介质旋流器分选机理研究的基础上，利用计算流体力学技术分析研究了圆锥角对分选效果的影响，旨在为重介质旋流器二段分选密度的调整开辟新的技术途径，以进一步提高重介质旋流器对原煤的适应性与可靠性。

1 重介质旋流器分选机理

重介质旋流器是使物料在离心力场中按密度进行分选的设备。在分选过程中，原煤是以零速包络面为分离界面进行分选，即在旋流器内存在一个低密度与高密度物料的分离界面，其形状基本上是锥形，包络面附近的介质密度决定了物料的分选密度［5］。当原煤进入旋流器后，在离心力的作用下，位于“分离界面”内部的高密度物料由中心向外移动，如它的密度高于“分离界面”附近的介质密度，则物料将越过“分离界面”进入下降流，并由底流口排出;反之，则进入上升液流中，并由溢流口排出。在“分离界面”外部的低密度物料，则向中心移动，如它的密度低于“分离界面”附近的介质密度，则该物料将越过“分离界面”而进入上升流中，并由溢流口排出;反之，则进入下降流中，由底流口排出。因此，“分离界面”处的悬浮液密度是原煤在旋流器中的实际分选密度。在整个“分离界面”上，悬浮液各点的密度各不相同，密度自上而下逐渐增加，因此，原煤在旋流器中分选是一个连续进行多次分选的过程，决定原煤最终分选密度的是分离界面最下端的悬浮液密度，而此处的密度和位置除与工艺参数有关外，还与旋流器本身的结构参数有着密切关系。

2 不同圆锥角对轴向速度分布的影响［6－9］

为了使旋流器内部流场状况随旋流器结构参数的变化规律可视化，研究采用计算流体力学技术，仿真模拟分析了二段旋流器不同圆锥角结构参数(表1)条件下的旋流器内部流场，旋流器溢流产率如表2所示。图1是旋流器在不同圆锥角条件下的轴向速度分布云图。

表1 模拟所用结构参数表Table1 Structural parameters used in simulation

表2 数值模拟结果Table 2 The numerical stimulation results

图1 不同圆锥角重介质旋流器轴向速度分布云图Fig.1 Distribution of axial velocity inside dense medium cyclone with different cone angle

从图1可以明显看出:

(1)在旋流器分选区域内存在着明显的内旋流和外旋流，在内旋流区域中，有多个和旋流器外形基本相似的等轴向速度面，越向轴心靠拢，轴向速度值越高，随着圆锥角角度的增大，中心区域轴向速度显著提高，加速了溢流产物的排出速度，降低了物料的停留时间，可有效提高重介质旋流器的处理能力。

(2)锥底点 (即零轴速包络面在锥段终止的位置)随圆锥角的增大而下移，且呈径向增大变化趋势，即内旋流区域增大，这就很好地解释了溢流产率随圆锥角的增大而增大的现象，换句话说，锥底点对应的悬浮液的密度随着圆锥角的增大呈现增大的变化趋势。

(3)由于锥底点下移，使得旋流器有效分离区域增大，使物料能够在分离区域离心力场的作用下充分进行分选，有效地降低物料的错配物含量，提高旋流器的分选精度。

由此可见，旋流器圆锥角度的增大会使旋流器锥底点下移，零轴速包络面沿轴向向下收缩，旋流器的有效分选区域增加，最终影响了溢流、底流产率和原煤在此区域的分选。

3 不同圆锥角对压强分布的影响

图2、图3分别为旋流器压强分布云图和圆柱、圆锥交接面压强分布曲线图。从图2、图3可以看出:

图2 不同圆锥角重介质旋流器压强分布云图Fig.2 Distribution of pressure inside dense medium cyclone with different cone angle

图3 柱－锥交接面压强分布曲线图Fig.3 Pressure distribution curve of interface between the cylinder and cone

(1)压强的基本分布特征为:旋流器入口处压强最高，溢流出口和底流出口处压强最低，旋流器内部压力场由器壁向轴心呈不断降低的变化趋势。

(2)随着圆锥角的增大，旋流器锥段的压强变化幅度从0.51×104Pa增大到0.56×104Pa;旋流器中心轴线附近形成一从溢流口贯穿至底流口的负压区域，进而形成空气柱［10］。

(3)随着圆锥角的增大，旋流器内部压强呈上升趋势，但当圆锥角由22.5°增大到25°时，压强上升幅度有所减弱。

(4)随着圆锥角度的增大，溢流管区域呈现的柱锥形的负压区域逐渐缩小，溢流管正压区域逐渐扩大，且压力呈上升趋势，加速了溢流排出速度，提高了溢流产率，进而很好地解释了溢流产率随圆锥角的增大而增大的变化规律。

(5)在外旋流区域内，随着圆锥角的增大，同一截面压力呈上升趋势，且越贴近旋流器器壁，等高压区域越宽，离心力越大，因而使得更多的相互掺杂的细颗粒物料能够得到有效分选，降低了错配物含量，提高了物料的分选精度。

由此可见，旋流器圆锥角的变化对内部压力场的变化影响重大，随着圆锥角度的增加，旋流器内的压强逐渐升高，主分选区域内等高压区域变宽，使得进入该区域的原煤得到充分有效地分选;中心溢流区域压力升高，且负压区域减小，加速了溢流产物的排出速度，提高了溢流产率。

4 应用实践

冀中能源东庞矿洗煤厂位于邢台市内丘县境内，该厂是原煤处理能力为4.50 Mt/a的矿区型炼焦煤选煤厂，生产采用50～1 mm粒级三产品重介旋流器分选、1～0.25 mm粒级干扰床分选、＜0.25 mm粒级煤泥浮选的联合工艺流程。东庞选煤厂共有三套生产系统，其中C系统年处理能力为1.20 Mt。由于入选的两种原煤煤质相差较大，造成中煤产品灰分差异明显，含矸量相差30%以上，无法满足市场需求。为稳定产品质量，东庞选煤厂对旋流器结构进行了技术改造 (图4所示)。

图4 东庞洗煤厂改造后现场应用Fig.4 The application of modified cyclone in Dongpang coal preparation plant

改造方案为:在增设二段旋流器外置式可调结构的同时，结合现场煤质资料，将旋流器一段圆柱形筒体改造为圆锥形，并减小二段旋流器的圆锥角度，实现了提高一段分选密度，降低二段旋流器分选密度的目的。经改造，旋流器入选两种原煤的数量效率达97.75%，精煤产品合格率达100%，中煤带煤量控制在了6%以内，中煤中夹带矸石降至8%，分选精度Ep1=0.015 g/cm3，Ep2=0.019 g/cm3，改造效果显著。

5 结论

研究与实践表明:

(1)增大旋流器圆锥角，旋流器内流场轴向速度增大，零速包络面扩大，分选密度随之增大;同时有效分选区域增大，物料分选精度高。

(2)随着圆锥角的增大，旋流器流场内压强升高，压强变化幅度随圆锥角的增加呈逐步上升的趋势。随着圆锥角的增大，越靠近轴心附近，负压区域减小，溢流量增大，分选密度呈增长趋势，从轴心到器壁，同一半径处压强逐渐增加，等高压区域变宽，可以使物料得到充分分选。

(3)生产实践表明，对旋流器圆锥角进行合理设计，可显著改善精煤损失、中煤夹矸以及矸石带煤情况，从而可满足不同煤质的分选需求。

［1］彭荣任，丛桂芝，白守义，等.重介质旋流器选煤［M］.北京:冶金工业出版社，1999.

［2］陈肖龙.重介质旋流器流场的数值模拟与分析［D］.安徽:安徽理工大学，2014.

［3］许 明.重介质旋流器分选效果的影响因素分析［J］.黑龙江科学，2014(4).

［4］张力强，王联合，郭秀军.新型高效节能三产品重介质旋流器的研究［J］.选煤技术，2010(5).

［5］王兆申，张力强，葛 凤，等.DZX1000型大处理量两产品重介质旋流器的研究 ［J］.选煤技术，2009(5).

［6］韩占忠，王 敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.

［7］刘海生，贺会群，艾志久，等.雷诺应力模型对旋流器内流场的数值模拟 ［J］.计算机仿真，2006，23(9).

［8］刘 峰，钱爱军，郭秀军.DSM重介质旋流器流场的数值模拟［J］.煤炭学报，2006(5).

［9］刘 峰，钱爱军，郭秀军.重介质旋流器流场湍流数值计算模型的选择［J］.煤炭学报，2006(3).

［10］黄 波，陈晶晶.重介质旋流器结构和工艺参数对空气柱的影响研究［J］.矿山机械，2014(10).