2017, Vol. 34
浓密机是一种连续工作的浓缩和澄清设备，主要用于湿式选矿作业中精、尾矿的脱水，也广泛用于煤炭、钢铁、化工、建材、水源和污水处理等行业中含固料浆的浓缩和净化[1-2]。进料井是浓密机的重要工作部件，固液悬浮液首先进入到浓密机的进料井中，在进料井中稀释到最适宜浓度，耗散部分动能，与絮凝剂充分混合，再从进料井底部的各个方向进入浓密机的主沉降区进行沉降。进料井中悬浮液的迹线分布、固相体积分数分布和动能耗散等直接关系到浓密机整体的固液分离效果，而这些特性都受到浓密机进料井结构的影响，因此一个结构合理的进料井装置对于浓密机的固液分离效率至关重要[3]。
传统的浓密机进料井为一圆筒型结构，悬浮液从进料井的上部中央给入，这样势必会在进料井装置附近形成喷流，使浓密机中的悬浮液中心向周边流速大，矿浆不能充分沉淀，而且已经沉淀的物料也会受到新来物料的影响，降低固液分离的效率[4]。鉴于传统进料井的缺点，人们一直致力于研究新型的高效进料井装置。艾姆科 (Emico) 高效浓密机进料井装置在进料井中加入了搅拌器，使得絮凝剂和矿浆能够充分混合，絮凝效果好，但是也增加了能量消耗[5-6]。道尔 (Dorr) 高效浓密机的进料井装置将进料分成方向相反的2股[6-7]，为物料和絮凝剂的有效混合提供有利条件。宋战胜等[8]设计了一种新型的钟型进料井装置，能够有效耗散进料的动能，均匀布料。这些新型的进料井装置已经用于浓密机的生产制造中，但是已经投入生产的浓密机仍采用传统的圆筒型进料井结构，固液分离效率低，所以有必要针对在用浓密机，设计开发一种需在传统进料井结构上进行改造即可构建成的新型进料井结构，以期在低投资成本条件下，实现浓密机的升级改造，提高分离效率。为此，本研究通过对传统的浓密机进料井结构进行改造，进而提出一种新型的浓密机进料井结构，并采用计算流体力学方法对其内部的流场进行模拟，研究新型进料井内的迹线分布、出口平面固相体积分数分布和速度分布，为新型进料井的工业应用提供指导。
1 新型进料井结构设计设计的新型进料井结构剖面图如图 1所示。进料井由进料井壁、进料管、溢流槽、导流叶片、锥形导流板、稀释口、絮凝剂添加管组成，结构简单，只需改变传统进料井的进料方向，在传统进料井上焊接溢流槽和导流叶片，并增设稀释口即可。新型进料井的井壁为圆筒形，下边缘有1个环形水平外沿，进料管水平切向进料，与进料井壁外侧相连，进料管口位于浓密机溢流液面之下，进料管口下方设置有溢流槽。
|
| 图 1 新型进料井剖面图 Figure 1 The structure of the novel thickener feedwell |
| |
溢流槽结构如图 2a) 所示，靠近进料井壁面端为平板型，靠近进料井中心端为弧形，分布在进料管下方，进料井壁内侧。在进料井下出口处设置有锥形导流板，结构如图 2b) 所示，中心有一个120°的锥角，能够改变矿浆流动方向，防止矿浆对已沉积的物料进行冲击，其边缘通过导流叶片与进料井壁下边缘的外沿相连，导流叶片均匀分布。
|
| 图 2 溢流槽和锥形导流板示意图 Figure 2 Schematic diagram of the bypass channel and the conic reflecting board |
| |
进料井出口处的导流叶片的分布如图 3所示。
|
| 图 3 导流叶片分布图 Figure 3 Schematic diagram of the guide vanes |
| |
叶片间形成导流通道，悬浮液沿与半径方向成45°的导流通道流出，延长矿浆到达溢流堰时间，提高固液分离效率。在进料井壁上均匀分布若干个稀释口，每个稀释口上半部分在浓密机溢流液面之上，下半部分在溢流液面之下没入水中，实现矿浆的自动稀释。新型进料井通过絮凝剂添加管多点加入絮凝剂，依靠悬浮液的湍流流动和絮凝剂混合，不需要提供任何外动力，节约能耗。
2 模型建立 2.1 几何模型与网格划分采用计算流体力学方法模拟研究新型进料井内部流场及其出口平面速度分布。为了便于建模，对进料井结构进行了简化：1) 由于絮凝剂添加管直径较小，对浓密机中的流场分布影响较小，因此忽略进料井内的絮凝剂添加管；2) 在进料井壁上添加自动稀释口后，将加大模型的复杂程度，而且稀释口的存在对进料井内流体的流动形态影响不大，所以将进料井壁上的稀释口忽略。
本研究将以进料井旋转轴为中心，直径600 mm，高600 mm的圆柱形流体域作为研究对象，进料井的结构参数如表 1所示。采用Gambit建立新型进料井模型和划分网格，并进行了网格无关性验证，采用大小为8 mm的四面体非结构网格，网格总数为135.6万个。图 4a) 为新型进料井的网格划分图 (坐标原点位于圆柱型流体区域的底面中心)，图 4b) 为导流叶片所在平面网格质量图，由图中可以看出，网格斜度小于0.5，网格质量好，能够满足计算要求。
| 项目 | 进料井 直径 D1/mm |
进料井 高度 H1/mm |
进料管 直径 D3/mm |
进料管 高度 H2/mm |
溢流槽 高度 H3/mm |
溢流槽 宽度 W/mm |
| 数值 | 300 | 400 | 26 | 220 | 190 | 60 |
|
| 图 4 新型进料井的网格划分图 Figure 4 The mesh of the novel thickener feedwell |
| |
本研究以某铜精矿的水溶液为模拟物料，主要物性参数如表 2所示，颗粒粒径取体积平均粒径23 μm (实际物料测试得到)。
| 项目 | 数值 |
| 液相密度ρl/(kg·m-3) | 998.2 |
| 液相黏度μl/(10-3Pa·s) | 1.003 |
| 颗粒密度ρs/(kg·m-3) | 3 800 |
| 颗粒尺寸ds/μm | 23 |
| 固相体积分数φ/% | 20 |
进料管入口设置为速度为0.6、0.8和1.0 m/s的速度入口 (velocity inlet) 边界，圆柱型壁面设置为压力出口 (pressure outlet) 边界，其他面设置为壁面 (wall) 边界。
进料井内为固液两相，本研究采用Eulerian两相流模型，各相有同一个压力，连续性方程和动量方程对每一相求解。FLUENT软件中的湍流模型主要有单方程 (Spalart-Allmaras) 模型、双方程模型 (标准k-ε模型、RNG k-ε模型) 以及Reynolds应力模型等。在本模型计算中，不涉及射流撞击、分离流及二次流等复杂流动，所以采用计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度的标准k-ε模型进行计算[9-12]。
3 计算结果与分析 3.1 新型进料井迹线分布进料速度分别为0.6、0.8和1.0 m/s时，新型浓密机进料井中的迹线分布如图 5所示。
|
| 图 5 新型进料井内迹线分布图 Figure 5 Path line in novel thickener feedwell |
| |
由图 5可以看出，从进料管流入新型进料井的固液悬浮液，首先在溢流槽中旋转运动，消耗部分动能后速度减小 (迹线的颜色代表速度的大小)，从溢流槽的内侧边缘溢流流下，然后在锥形导流板的作用下改变运动方向，从导流叶片间的导流通道流出，碰到导流叶片后，与半径方向呈一定角度流出，然后从进料井的各个方向流入浓密机的主沉降区，在重力作用下沉降。随着进料速度的增大，在溢流槽内做旋转运动的固液悬浮液的高度增大，但在3种不同的进料速度下，新型进料井都能够有效地耗散进料的动能，使悬浮液从进料井底部的各个方向进入浓密机的主沉降区进行沉降。
3.2 固相体积分数分布为了研究新型进料井出口平面固相体积分数的分布，选取如图 6所示的进料井出口平面上 (z=235 mm) 的4条直线为研究对象，图 7为进料速度分别为0.6、0.8和1.0 m/s时进料井出口平面4条直线上的固相体积分数的分布。
|
| 图 6 进料井出口平面俯视图 Figure 6 The top view of feedwell exit plane |
| |
|
| 图 7 新型进料井内固相颗粒体积分数分布图 Figure 7 Solid volume fraction in novel thickener feedwell |
| |
随着进料速度的增大，进料井出口平面上的固相体积分数增大，但增大幅度较小。在3种不同的进料速度下，新型进料井都能够均匀分布物料，进料井出口平面上的固相体积分数都呈中心对称分布。
3.3 新型进料井出口平面速度分布为了研究新型浓密机进料井出口平面的速度分布，取进料井出口平面 (z=235 mm) 上的水的速度矢量局部放大图，如图 8所示。
|
| 图 8 新型进料井出口平面速度分布局部放大图 Figure 8 Velocity distribution in the novel thickener feedwell exit |
| |
由图 8可以看出，由进料井流向浓密机主沉降区的固液悬浮液沿水平方向从进料井内部向外流出，流动速度较小，在碰到导流叶片之后，改变原来的运动方向，与半径方向呈一定夹角流出，一方面降低了固液悬浮液的流出速度，另一方面又延长了固液悬浮液到达溢流堰的时间，使得固相颗粒有更多的时间沉降，溢流液更澄清，加强固液分离效果。
4 结论通过对传统浓密机进料井进行改造，提出了一种新型的浓密机进料井结构，并采用计算流体力学对其内部流场进行了数值模拟，研究在不同进料速度下其内部的迹线分布，出口平面固相体积分数分布和速度分布，验证了新型进料井的优越性，得到如下结论：
1) 新型进料井结构简单，只需改变传统进料井的进料方向，在传统进料井上焊接溢流槽和导流叶片，并增设稀释口即可，投资成本低。
2) 在不同的进料速度下，新型进料井都能够有效耗散进料的动能，均匀分布物料，使悬浮液从进料井底部的各个方向进入浓密机的主沉降区进行沉降。
3) 新型进料井的锥形导流板能够改变矿浆流动方向，防止矿浆对已沉积的物料进行冲击，导流叶片间形成导流通道，悬浮液经过导流通道与径向呈一定夹角流向溢流堰，增加了固体颗粒的沉降时间，使溢流液更澄清，提高了固液分离效果。
| [1] |
陈庆来. 我国中心传动浓缩机技术现状分析[J].
煤炭工程, 2007, 54(12) : 107–109.
Chen Qinglai. Technology analysis of centrally driven thickener in our country[J]. Coal Engineering, 2007, 54(12) : 107–109. |
| [2] | F·康查. 20世纪浓缩技术发展史[J]. 国外金属矿选矿, 2004, 10(9) : 4–11. |
| [3] |
杨保东, 谢纪元, 李鹏. 高效浓密机机理研究[J].
有色金属 (选矿部分), 2011, 63(5) : 38–42.
Yang Baodong, Xie Jiyuan, Li Peng. Research on mechanism of high efficiency thickener[J]. Nonferrous Metals (Mineral Processing Section), 2011, 63(5) : 38–42. |
| [4] |
梁少彤. 关于提高浓缩机处理效率的探讨[J].
煤炭工程, 2007, 54(5) : 80–83.
Liang Shaotong. The discussion about how to improve the efficiency of thickener[J]. Coal Engineering, 2007, 54(5) : 80–83. |
| [5] |
胡岳华, 冯其明.
矿物资源加工技术与设备[M]. 北京: 科学出版社, 2006 Hu Yuehua, Feng Qiming. Processing technology and equipment of mineral resources[M]. Beijing: Science Press, 2006 . |
| [6] |
陈述文, 仝克闻, 马振声, 等. 高效浓密机的应用现状及前景[J].
冶金矿山设计与建设, 1997, 29(1) : 48–51.
Chen Shuwen, Tong Kewen, Ma Zhensheng, et al. The application situation and development prospect of efficient thickener[J]. Metal Mine Design & Construction, 1997, 29(1) : 48–51. |
| [7] |
季振万, 宋悦杰. 高效浓密机技术的发展和应用[J].
铀矿冶, 1995, 14(2) : 89–97.
Ji Zhenwan, Song Yuejie. The development and application of efficient thickener technology[J]. Uranium Mining and Metallurgy, 1995, 14(2) : 89–97. |
| [8] |
宋战胜, 王守信, 郭亚兵. 浓缩机新型给料井的设计及其流态模拟仿真[J].
矿山机械, 2012, 40(11) : 65–69.
Song Zhansheng, Wang Shouxin, GuoYabing. Design and flow simulation of new-type feeding well for thickener[J]. Mining Machinery, 2012, 40(11) : 65–69. |
| [9] |
贾凯, 王永田, 龚豪. 浓缩机内煤泥水沉降流场和浓度分布的数值模拟[J].
金属矿山, 2012, 47(6) : 120–124.
Jia Kai, Wang Yongtian, Gong Hao. Numerical simulation of concentration distribution and coal slurry settlement flow field in thickener[J]. Metal Mine, 2012, 47(6) : 120–124. |
| [10] |
熊莉芳, 林源, 李世武. k-ε湍流模型及其在FLUENT软件中的应用[J].
工业加热, 2007, 36(4) : 13–15.
Xiong Lifang, Lin Yuan, Li Shiwu. k-ε turbulent model and its application to the FLUENT[J]. Industrial Heating, 2007, 36(4) : 13–15. |
| [11] |
任志安, 郝点, 谢红杰. 几种湍流模型及其在FLUENT中的应用[J].
化工装备技术, 2009, 30(2) : 38–44.
Ren Zhian, Hao Dian, Xie Hongjie. Several turbulent models and its application to the FLUENT[J]. Chemical Equipment Technology, 2009, 30(2) : 38–44. |
| [12] |
李鹏飞, 徐敏义, 王飞飞.
精通CFD工程仿真与案例实战[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011 Li Pengfei, Xu Minyi, Wang Feifei. Proficient in CFD simulation and application examples[M]. Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 2011 . |