重介浅槽分选机槽体内重介质入料运动形态模拟

王慧峰

（华阳新材料集团二矿选煤厂， 山西 阳泉 045000）

引言

在块煤分选方面，重介浅槽分选机为主要设备，具有较高处理能力，在短时间内取得较好分选效果，应用日渐广泛。而实际在设备应用过程中，想要达到更高分选效率，实现精煤的高效生产，还应对分选机槽体内介质入料运动规律展开分析，通过数值模拟方法把握入料运动形态，合理进行分选机结构优化，通过减少煤炭颗粒错配达到清洁生产目的。

1 重介浅槽分选机槽体内重介质入料过程

如图1 所示，为重介浅槽分选机的入料位置结构，主要依靠阿基米德原理使重产物和轻产物分别在悬浮液中下沉和上浮，从而实现煤炭颗粒分选。通过水平和上升的介质管，重介质悬浮液会将槽体充满。经过筛分后，达到粒度要求的颗粒将从入料口进入分选机。悬浮液密度固定，能够使密度小颗粒在上层悬浮，在水平介质的带动下进入排料口。而矸石密度大，将直接落入排料装置。

图1 分选机入料位置结构图

在物料输送期间，水平介质流依靠给入夹角确保物料完全浸入槽体，同时发挥稳定上层介质密度的作用。依靠上层介质流，可以使矿粉在向上作用力下保持悬浮态。在浅槽内物料可以保持恒定密度，平稳运动，在悬浮液中减少相互加压摩擦，在相对静态下完成分选，达到较高分选精度[1]。

2 槽体内重介质入料运动形态的模拟分析

2.1 模型建立

从槽体内重介质入料运动过程来看，主要受上升流和水平流的影响。在槽体内不同的区域，上升流和水平流的流速将发生变化，可能造成局部流场稳定被破坏，继而给物料分拣精度带来影响。因此应对槽体内重介质入料运动形态进行模拟分析，有效揭示物料分选过程中流体运动规律。考虑到重介质入料需要经历复杂流动过程，涉及流动、传动等相关理论，需要引入计算流体力学CFD 产品进行数值模拟，运用离散化数学思想对流体力学问题展开研究[2]。而Fluent 作为广泛应用的CFD 软件包，拥有丰富物理模型和强大运算功能，可以用于对浅槽侧部二维图进行模拟，生成形状规范的物理模型。在工业生产实践中，分选机拥有较大结构尺寸，利用试验模型装置展开分析，槽体长、宽、高分别为1300 mm、350 mm 和350 mm，溢流堰和入料口长均为525 mm，如图2 所示。对模型进行网格划分，需要划分为上升槽、水平槽、溢流堰等部分，生成579665 个网格。在参数设置上，将入口上升流速和水平流速分别设定为0.2 m/s 和0.3 m/s，满足VELOCITY-IN-LET 边界条件，溢流堰出口满足OUTFLOW 条件。

2.2 分析过程

对重介质入料运动进行模拟，可知分选机内部流体将保持湍流流动，由来自侧面水平流和底部上升流构成，同时也将受到刮板扰动影响。按照从上至下的顺序，需要将槽体划分为溢流区、分选区和底流区三个区域，各区拥有不同的速度场。煤和给入介质将一同进入槽体，假设二者初始速度相同，想要使物料进入中间分选区，避免被上层溢流区带入溢流堰，进入槽体速度通常与Y 轴保持一定夹角，在不同区域产生相应的分速度。在实际分析时，需要分别对Y 值为300 mm、200 mm 和100 mm 位置流体速度进行分析，确定不同区域流速变化。而在相同区域内，核心位置速度通过上升流和水平流获得，拥有较大数值，而边缘位置因流体扰动将产生较小速度值。因此在物料进入槽体后，将与X 轴保持夹角，需对X 值为300 mm和100 mm 处的流速展开分析。根据各区界线对选区上中心点和边缘点的流速展开分析，能够掌握槽体内流场分布沿X 和Y 轴发生的变化。在理想状态下，物料进入后将穿过溢流区，在分选区受上升流作用产生向上速度。而流速过高或过低，将造成流场紊乱，造成物料进入底流区，矸石也无法顺利下沉。对各区理想流速进行分析，能够为槽体结构设计提供参考。

2.3 模拟结果

2.3.1 流场分析

从分析结果来看，溢流区边缘位置流速从0 逐步提升至0.25 m/s，接近槽体中间时开始下降。到达溢流堰周围，速度重新提升，达到0.2 m/s。如图3 所示，为仿真效果图，受水平流扰动因素的影响，槽体边缘将产生流速，促使入料向溢流堰运动，能够为物流提供动能，加速物料排出。在该区的核心位置，流速从0.25 m/s 迅速降低，接近溢流口时重新提升至0.2 m/s。分析原因可知，受水平流影响，入料断面逐步扩大，因此流速有所下降。但在溢流口位置断面迅速收缩，促使流速突然提升，容易给溢流堰带来较大冲击，造成该部位磨损严重。

从分选区的流场分布情况来看，边缘位置流速不断上下波动，数值在0.05～0.12 m/s 范围内。在到达中间位置时，流速迅速提升至0.25 m/s，主要是由于同时受到上升流和水平流的扰动。因为流速波动过大，容易引发涡流，与流体膨胀后产生较多能量损耗，给分选效果带来了不利影响。在核心位置，流速从0 提升至0.3 m/s，随后下降。在接近溢流口位置，重新提升至0.15 m/s。该处流速通过水平流和上升流获得，有助于精煤向上悬浮。

从底流区的流场分布来看，边缘位置流速从0 提升至0.12 m/s，接近中间位置后开始下降。在接近底部边缘时，流速重新提升至0.14 m/s，主要是受到上升流作用，有助于重介质保持悬浮态。在核心区域，流速从0 提升至0.16 m/s，随后开始下降，接近槽体中央时达到最大值，而该处流速同样受上升流作用。

2.3.2 运动分析

通过模拟分析可知，水平流发挥将物料从入口送至出口的作用，应避免流速过快造成物料在槽体内停留时间过短，同时避免流速过慢造成物料无法顺利输送。上升流的设定应确认最大断面位置流速比干扰沉降速度大，发挥稳定重介悬浮液密度的作用，但也应当避免流速过大造成高密度细粒到达悬浮区，随着水平流冲出，给精煤带来污染。在分选区，同时受上升流和水平流作用，造成流体流速较大，容易出现复杂湍流，给分选带来不利影响，因此还应确保水平流和上升流保持恰当的比例，确保槽体内部流体可以平稳流动，有效提高分选效率和精度。

实际在入料流速与X 轴保持40°夹角时，将水平流速设定为0.287，上升流达到0.28 m/s。在槽体内流场稳定后，使颗粒粒度从6 mm 增加至150 mm，重介质密度达到1500 kg/m3，确认各粒径物料运动路径。如果物料可以穿越分选区进入底流区，判断能够顺利分选。从分析结果来看，在流速相同的情况下，各粒径物料沉降速度出现了明显差异。物料粒径越小，沉降越慢，因此粒径6 mm 物料在10 s 内难以到达沉降区，影响了分选速度，而粒径10 mm 以上物料均能顺利到达浅槽底部。

如果提高上升流速，使流速达到0.36 m/s，粒径在8 mm 以上的物料能够达到精选要求，但粒径为6 mm 的物料在接近溢流口时容易被水平流夹带，造成精煤受到污染，由此可见试验的分选机的分选下限为8 mm。

3 结论

对分选机槽体内重介质入料运动形态进行模拟可知，在溢流区、分选区和底流区中，只有分选区同时受水平流和上升流作用。在水平流大小达到物料溢流要求的基础上，还应与上升流保持适合比例，确保槽体内部流体平稳，确保物料能够得到高效、精确分选。根据分析结果可知，上升流从0.28 m/s 提升至0.36 m/s，能够对8 mm 以上物料进行高效精选，使槽体内维持理想流场分布。