史文亮

（山西新景矿有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

煤炭作为人们日常生产生活不可或缺的能源之一，近年来的需求量逐年增加，同时也对煤炭生产设备的要求越来越高[1]。《中国制造2025》的提出，要求各行各业提升创新能力，实现生产的低能耗比[2]。煤泥水处理作为煤炭生产的重要环节，决定了选煤厂生产煤炭的质量和效率，基本实现了自动化生产[3-4]。浓缩机作为煤泥水处理工艺使用的重要设备，直接影响到煤泥水絮凝沉降和选煤厂洗水闭路循环的效果，现已引起了煤炭行业的广泛关注[5-6]。针对某选煤厂浓缩机内部工作规律未知的现状，借助有限元仿真分析方法，开展浓缩机内部流动速度规律分析研究，以便为浓缩机的参数设置提供技术参考。

1 浓缩机浓缩规律分析方法概述

浓缩机浓缩规律分析方法通常包括试验法、理论计算法和有限元仿真分析法三种，其中试验法需要搭建不同的试验装置和平台，并且需要大量的人力作为保障，试验数据的可靠性依赖于试验人员的操作技能水平；理论计算法进行浓缩机浓缩规律分析时，需要设置较多的假设条件，并且需要较长的计算周期，计算得出的浓缩规律模型验证较为困难；近年来兴起的有限元仿真分析法，仅需要一台配置较好的计算机即可完成，节省了规律分析研究的经济投入，同时，仿真计算时间较短，能够保证很高的研究效率。综合以上浓缩机浓缩规律研究的方法对比结果，本文选择有限元仿真分析计算方法，使用Fluent 仿真计算软件开展研究工作。

2 有限元仿真分析

2.1 三维模型建立

某选煤厂服役中的煤泥水处理浓缩机是中心传动浓缩机，煤泥水入料从浓缩机的中心处进入浓缩机，煤泥经耙架刮耙后从浓缩机底部由底流泵抽走，而溢流水从浓缩机外沿处溢流而出。依据其技术资料和测绘结果，运用SolidWorks 三维建模软件绘制浓缩机三维模型。

2.2 网格划分

网格划分质量直接影响仿真计算的效率和准确性，浓缩机网格划分采用结构化网格，具有很强的自适应能力，能够保证网格划分的质量。浓缩机模型划分网格之后如图1 所示，选择了六面体网格，对入料井、底部煤泥沉降处及溢流口附近进行网格的局部加密，保证结构的精准度。

图1 浓缩机模型网格划分结果

2.3 参数设置

仿真分析参数设置内容如下：重力加速度方向垂直于地面；选择Mixture 多相流模型，相数选择3 相；湍流模型设置为Realizable k-ε 模型；材料属性包括水、煤和颗粒三种，水和空气的属性直接由软件材料库调取，煤颗粒密度设置为1800 kg/m3，黏性设置为0.001167 kg/（m·s）。入口流速设置为0.052859 m/s，出口压力设置为0，其他壁面设置为wall。

2.4 求解方法选择

浓缩机浓缩规律分析为压力和速度耦合计算，Fluent 仿真计算软件中涉及了三种计算方法可供选择，分别为SIMPLE 算法、SIMPLEC 算法和PISO 算法。结合浓缩机浓缩规律分析的要求和各种方法的优缺点，此处选择经典的SIMPLE 算法，保证了算法的可靠性，而对动量和湍流的计算选用了二阶迎风法。

3 仿真结果

启动Fluent 仿真计算软件自带求解器，完成浓缩机工作过程中的速度场分析，提取浓缩机速度场分布云图，如图2 所示。由图2 可以得出，浓缩机内部速度场区域较大，为了更加清晰地了解浓缩机速度场分布，提取速度矢量分析结果，如图3 所示。由图3 可以得出，浓缩机内部不单单是速度分布，还涉及了多个不同区域。

图2 速度场分布云图

图3 速度矢量分布云图

4 规律分析

4.1 区域划分与分析

为了更清晰明了地分析浓缩机速度场分布情况，将上述矢量速度分布云图划分为四个区域，分别为进口回流区A、中部回流区B、出口回流区C 和上部回流区D，如图4 所示。由图4 可以看出，煤泥水进入浓缩机之后首先进入的区域为进口回流区A，煤泥水沿着浓缩机侧壁顺流至其底部，与此同时会有部分煤泥颗粒进入中部回流区B 和上部回流区D。其中中部回流区B 是浓缩机内部最为关键的流场区域，是煤泥水分离过程中药剂充分发挥效果的区域，实现煤泥聚团沉降。上部回流区D 是把较小粒径煤泥颗粒流转至浓缩机的顶部，同时，伴随水面从浓缩机中心位置向浓缩机溢流堰移动，移动时细小的煤泥颗粒会被排出，稍微大一点的粒径煤泥不能被排出的就会回流至出口回流区C，之后回流的煤泥将会再次出现在中部回流区B，重新完成药剂溶解和颗粒聚团现象。

图4 速度场区域图

4.2 不同位置流速分析

为了进一步分析浓缩机速度场分布情况，对浓缩机中心轴不同水平距离竖直方向的流速分布进行划分，如图5 所示。分析过程中选择距离中心轴2250 mm、6688 mm、11125 mm、15563 mm 的4 个位置，能够覆盖浓缩机内部煤泥水流速分析的四个区域，提取四个具有代表性位置的水平方向煤泥水运动情况，如图6 所示。

图5 浓缩机位置划分（单位：mm）

图6 浓缩机X 轴水平方向流速分布情况

由图6 分析结果可以得出，距离中心轴距离2250 mm 位置基本处在了浓缩机内部的进口回流区A 内，煤泥水流动速度的方向绝大多数朝着X 轴方向，由此可见，煤泥水进入浓缩机之后会向外扩散；距离中心轴距离6688 mm 位置基本处在了浓缩机的中部回流区B 内，在高度不高的区间，煤泥水沿X 轴负方向的速度大一些，可以得出接近浓缩机斜面底部的煤泥水存在向下流动的趋势，高度较高位置的煤泥水流动方向沿X 轴正方向，可见在煤泥水不断进入浓缩机的过程中，水流朝着外部继续扩散。距离中心轴距离11125 mm 位置基本处于中部回流区B 和出口回流区C 交叉区域，由此可以看出，浓缩机底部煤泥水仍然沿着壁面流动，但是煤泥水的流动方向和速度变化较大，表现出了明显的湍流性。距离中心轴距离15563 mm 位置基本处在了出口回流区C，可以看出煤泥水除了沿X 轴流动之外，煤泥水在接触浓缩机侧壁时出现了明显的反向流动趋势，使煤泥水重新回到了中部回流区B。上部回流区D 处在浓缩机的顶部，该位置煤泥水的流动速度较低且变化较大，可见水和空气会对煤泥水的流速产生一定的影响，导致其水流变化的多样性。

5 结语

浓缩机作为选煤厂煤泥水处理的重要设备之一，掌握其内部工作规律对其合理设置工作参数至关重要。针对某选煤厂浓缩机内部工作规律未知的现状，借助有限元仿真分析方法，开展了浓缩机内部流动速度规律分析研究工作。结果表明，浓缩机内部煤泥水并不是单纯的流动，涉及了4 个区域，分布为进口回流区A、中部回流区B、出口回流区C 和上部回流区D。浓缩机不同区域内水流速度和趋势范围是不同的。掌握浓缩机内部煤泥水的流动速度规律，对于浓缩机内部结构的优化设计工作提供了重要的技术支撑。