荀 帥

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司選煤廠， 山西 呂梁 033200）

引言

隨著社會的不斷發(fā)展，對能源需求量的增加，要求煤礦企業(yè)在整個(gè)煤炭開采過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都要提高工作效率。通過浮選工作可以將煤炭的細(xì)膩顆粒進(jìn)行篩選，使真正有效的煤炭物料能夠應(yīng)用于實(shí)際使用當(dāng)中。目前常用的煤炭浮選機(jī)設(shè)備主要分為機(jī)械式浮選機(jī)、噴射式浮選機(jī)以及浮選柱式等三種浮選方式[1]。隨著煤炭開采量的增多，對浮選設(shè)備的機(jī)械化性能和浮選性能的要求進(jìn)一步提高，現(xiàn)有的浮選設(shè)備無法有效滿足目前的煤炭行業(yè)開采現(xiàn)狀，造成了煤炭開采使用效率不高，形成了自然能源的浪費(fèi)。此外，機(jī)械式浮選機(jī)設(shè)備對于極小的粉塵級顆粒無法有效排除掉，對于一些使用煤炭進(jìn)行生產(chǎn)的發(fā)電廠和化工廠的生產(chǎn)過程造成了不利的影響。因此，結(jié)合目前浮選機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的不足之處，通過對現(xiàn)場實(shí)際工作情況的觀察，將機(jī)械式、噴射式浮選機(jī)進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)出新型的浮選機(jī)結(jié)構(gòu)，各取兩種浮選機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過有限元數(shù)值分析軟件對新型浮選機(jī)工作性能進(jìn)行模擬分析[2]。研究成果可為煤炭行業(yè)浮選設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供思路。

1 常用浮選設(shè)備分析

目前，煤礦行業(yè)常用的機(jī)械式浮選機(jī)、噴射式浮選機(jī)以及浮選柱式等三種結(jié)構(gòu)形式的浮選機(jī)均具有各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)，具體總結(jié)如表1所示[3]。

通過表1可以得出機(jī)械攪拌式及噴射式浮選機(jī)在結(jié)構(gòu)上有共同點(diǎn)。它們的浮選工作腔體都分為三個(gè)工作區(qū)，分別為：漿氣混合區(qū)、浮選區(qū)、刮泡區(qū)。在漿氣混合區(qū)內(nèi)通過氣體高速流轉(zhuǎn)形成紊流狀態(tài)，兩者的內(nèi)部槽體結(jié)構(gòu)相似，但有一定結(jié)構(gòu)的不同，結(jié)合兩種浮選機(jī)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)出新型的浮選機(jī)結(jié)構(gòu)。

表1 常用浮選機(jī)設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

2 新型浮選機(jī)設(shè)計(jì)思路

通過對機(jī)械攪拌式及噴射式浮選機(jī)在結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)方面的分析，應(yīng)將兩者結(jié)構(gòu)優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ)，新型浮選機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)充分結(jié)合優(yōu)勢特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上得出的新型浮選機(jī)應(yīng)具有以下優(yōu)勢[4]：

1）工作性能穩(wěn)定，不會隨著工作過程的進(jìn)行產(chǎn)生性能方面的波動；

2）應(yīng)保證礦物漿液氣體能夠充分混合，并保證混合濃度的均勻性；

3）工作腔內(nèi)流體流場盲區(qū)較??；

4）工作負(fù)荷較大，能夠?qū)Υ笠?guī)模煤炭量進(jìn)行處理；

為實(shí)現(xiàn)以上結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化改進(jìn)，主要對“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，通過對“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)在流場方面的工作狀態(tài)模擬，優(yōu)化“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)模型參數(shù)以設(shè)計(jì)出新型浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)。

3“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)要求

煤炭浮選機(jī)的“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)是影響其浮選性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。結(jié)合機(jī)械攪拌式、噴射式浮選機(jī)的“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)，選取兩者結(jié)構(gòu)的優(yōu)良部件進(jìn)行組合，通過調(diào)研市場設(shè)備資料信息，選取XJA-S25型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)以及FJA22型噴射式浮選機(jī)為新型浮選機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考[5]。

要求新型浮選機(jī)的煤炭處理量為70 t/h左右，精煤產(chǎn)率在85%左右。新型浮選機(jī)對于煤炭顆粒的精選粒級為 0～0.8 mm，質(zhì)量濃度應(yīng)該保持在80～190 g/L，針對不同類型的煤炭漂浮顆粒有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.2 參數(shù)選取

通過對XJA-S25型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和FJA22型噴射式浮選機(jī)實(shí)際參數(shù)的考慮，將“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)選取的參數(shù)如下[6]：

1）葉輪直徑為125 mm；

2）葉輪與定子結(jié)構(gòu)直徑之比為1∶1.2；

3）定子與葉輪的軸向間隙為5 mm；

4）定子與葉輪的徑向間隙為5 mm；

5）定子內(nèi)圓直徑為137mm，外圓直徑為189mm；

6）根據(jù)XJA-S25型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的導(dǎo)向葉片夾角取值范圍，將新型浮選機(jī)的向葉片夾角設(shè)置為60°，選取導(dǎo)向葉片的個(gè)數(shù)為18個(gè)。

4 仿真模型建立

通過PRO/E三維建模軟件對“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行建立，去除零碎部件提高有限元仿真工作效率，并將零碎部件按實(shí)際重量對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行配重，以保證仿真的精確性。將PRO/E與仿真軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)據(jù)連接通訊，在ANSYS軟件中對“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格單元的劃分，選取6節(jié)點(diǎn)4節(jié)面的SOLID45號網(wǎng)格單元，通過網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為71 183個(gè)，網(wǎng)格單元示意圖如圖1所示。

將已劃分好的“葉輪-定子”結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型與浮選槽進(jìn)行匹配，如圖2所示。按照實(shí)際工況條件施加載荷并設(shè)置模型的邊界條件。設(shè)置液相、氣相密度，并定義重力加速度為9.81 m/s2，氣含率設(shè)為0.25，氣液相速度設(shè)為1.42 m/s.

5 結(jié)果求解分析

5.1 湍流強(qiáng)度對比分析

將新型浮選機(jī)、XJA-S25型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)、FJA22型噴射式浮選機(jī)仿真結(jié)果計(jì)算的湍流強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，如圖3所示。

由圖3可知，新型浮選機(jī)湍流強(qiáng)度與原有結(jié)構(gòu)相比數(shù)值有明顯的下降，通過數(shù)據(jù)提取數(shù)值，數(shù)據(jù)下降率為33.41%，說明工作槽內(nèi)湍流強(qiáng)度在下降的同時(shí)也確保了內(nèi)部湍流狀態(tài)的穩(wěn)定性，湍流分布更加均勻，新型浮選機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起到了明顯的效果。

5.2 液氣相運(yùn)行速度對比分析

如圖4可知，新型浮選機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的液氣相運(yùn)動速度相比于機(jī)械攪拌式、噴射式的速度分布云圖來說更加集中于工作槽的中部，將最大速度位置優(yōu)化為結(jié)構(gòu)的中部，減小了物料顆粒最大速度值，下降比例為31.29%，減小了工作槽的振動，延長了工作槽使用的壽命，并且提高了物料浮選的工作效率。說明新型浮選器結(jié)構(gòu)能夠使物料顆粒的運(yùn)動速度放緩，充分使物料顆粒得到了攪拌，使各個(gè)物料顆粒的分布運(yùn)動更加均勻。

圖1“葉輪—定子”結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖

圖2 浮選機(jī)工作槽網(wǎng)格模型示意圖

圖3 湍流強(qiáng)度進(jìn)行對比分析云圖

圖4 液氣相運(yùn)行速度進(jìn)行對比分析云圖

6 結(jié)語

通過將XJA-S25型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)與FJA22型噴射式浮選機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，選取兩種浮選機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行新型浮選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)果顯示新型浮選機(jī)結(jié)構(gòu)的流場分布規(guī)律符合浮選機(jī)內(nèi)作用區(qū)的分布特征，在定子蓋板以下的漿氣混合區(qū)礦漿的紊流比較大，存在較多的渦流，利于礦化氣泡的形成。在浮選區(qū)和刮泡區(qū)礦漿流速較小，流場較為穩(wěn)定，處于層流狀態(tài)。研究成果為浮選機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。