阻尼式脉动气流分选装置的流场分析.pdf

第3 4 卷第5 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y S e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 5 7 4 0 5 阻尼式脉动气流分选装置的流场分析 何亚群，王海锋，段晨龙，宋树磊 中国矿业大学化工学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要实现颗粒按密度为主导的分离是气流分选研究的关键．对于传统气流分选，运动颗粒的空 气动力学特性，即颗粒的沉降末速是影响气流分选的主要因素．理论上在稳定的上升流中，无法 实现颗粒按密度为主导的分离．阻尼式脉动气流分选机气流在局部产生加速效应，可以使颗粒按 密度分离．通过阻尼式脉动气流分选机流场模拟实验，揭示了气流在阻尼块附近的流场特性，得 出了气流在阻尼块上部区域存在明显加速效应的结论，为脉动气流分选效果优于传统气流分选 提供了理论依据．实验室实际物料分选实验表明，阻尼式脉动气流分选装置比传统气流分选机有 更优越的分选效果，总分选效率提高6 ％～8 ％． 关键词脉动气流；阻尼；流场模拟；加速效应；密度 中图分类号T D9 2 2 ．4文献标识码A N u m e r i , a 1S i m u l a t i o no fA i r f l o wPatteINu m e n c a ll m u l a t l O no tl r t l o wa t t e r n s W i t h i nP a s s i v eP u l s i n gA i rC l a s s i f i e r s H EY a ～q u n ，W A N GH a i f e n g ，D U A NC h e n ～l o n g ，S O N GS h u l e i S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I ti Sa ni m p o r t a n tt a s kf o rt h er e s e a r c ho fa i rc l a s s i f i c a t i o nt oa c h i e v ed e n s i t y d o m i n a n t s e p a r a t i o n ．T h ep e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a la i rc l a s s i f i e r st os e p a r a t ep a r t i c l e s i sb a s e do n d i f f e r e n c eo ft h e i rt e r m i n a lv e l o c i t i e s ，w h i c hi sc a u s e d b ya e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ． T h e o r e t i c a l l y ，i ns t e a d i l yr i s i n ga i rs t r e a m s ，t h es e p a r a t i o no fp a r t i c l e sb a s e du p o nt h e i rd e n s i t yi s n o tp o s s i b l e ．P a s s i v ep u l s i n ga i rc l a s s i f i e r sh a v ea c c e l e r a t e da i r f l o wi nc e r t a i nr e g i o n s ，w h i c hc a n o b t a i nd e n s i t y d o m i n a n ts e p a r a t i o n ．S i m u l a t i o no fa i r f l o wp a t t e r n s ．w i t h i np a s s i v ei o u l s i n ga i r c l a s s i f i e r sw a sd o n e ．T h ea i r f l o wc h a r a c t e r i s t i c sn e a rad a m p e rw e r ei n d i c a t e da n dt h es i g n i f i c a n t a c c e l e r a t i o no ft h ea i r f l o wa b o v et h ed a m p e rw a se s t i m a t e d ．T h i sp r o v i d e sat h e o r e t i cp r o o ft h a t p a s s i v ep u l s i n ga i rc l a s s i f i e r sa r es u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a la i rc l a s s i f i e r s ．T h er e s u l t so fl a b o r a t o r y a c t u a lm a t e r i a ls e p a r a t i o nh a v ea l s os h o w nt h es u p e r i o r i t yo fp a s s i v ep u l s i n gc l a s s i f i e r s ．T h et o t a l s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi sr a i s e db y6 ％～8 ％． K e yw o r d s p u l s i n ga i r f l o w ；p a s s i v e ；s i m u l a t i o no fa i r f l o wp a t t e r n s ；a c c e l e r a t i o ne f f e c t ；d e n s i t y 以空气作为介质，利用垂直上升气流或水平气 流对物料按颗粒特性进行分离的气流分选是一种 传统的分选方式．该方法长期以来用于农业稻麦谷 类的分选，也被用于从矿石中分选精矿．近年来，应 用气流分选分离城市垃圾 M S W 中的有价成份， 以及从废旧电子产品中分选有价金属的研究工作， 在国内外成为研究气流分选的一个重要内容． 颗粒在稳定上升气流中的分选依赖于颗粒的 收稿日期2 0 0 5 0 2 2 0 。 基金项目国家杰出青年科学基金项目 5 0 0 2 5 4 1 1 作者简介何亚群 1 9 6 3 一 ，男，江苏省无锡市人，教授，博士，从事矿物加工工程及电子废弃物资源化处理方面的研究 万方数据 第5 期何亚群等阻尼式脉动气流分选装置的流场分析 自由沉降末速，而沉降末速又依次依赖于颗粒的粒 径、形状和密度等因素．由于实际分选物料在粒度 和形状上有很大差异，有价矿物和尾矿的沉降末速 往往相互重叠，造成传统直管气流分选装置的分选 效果较差，无法实现我们所希望的以密度为主导的 分选‘． 考虑球形颗粒A 和B ，其中B 的密度较大，但 粒径足够小，结果在某上升气流中显现出空气动力 学特性的“轻”性质；而颗粒A 的密度较小但粒径 较大，呈现出空气动力学特性的“重”性质．对于理 想的气流分选设备，可以实现按密度为主导的分 选，即颗粒B 下沉，颗粒A 上浮．但传统的气流分 选装置不能实现以密度为主导的分选．尽管A 的 密度较小，但由于其空气动力学特性上的“重”性 质，使得它的沉降末速比颗粒B 快．这样的一对颗 粒称为难选粒，难选粒是分选装置设计人员重点关 注的颗粒对，我们研究阻尼式脉动气流分选装置分 选机理，其目的就是实现颗粒按密度为主导的分 离，而不是以空气动力学特性为主导的分离．球形 颗粒的沉降试验表明，在沉降初期颗粒B 的沉降 速度大于A ，如能在分选过程中保持这种状态，则 可以实现颗粒按密度分离．脉动气流的加速特性可 以保持颗粒的初始运动状态，使颗粒在脉动气流中 按密度分离成为可能心j ． 1实验装置 由于传统直管式气流分选装置的分选效果较 差，无法实现颗粒以密度为主导的分选，转折式气 流分选装置 Z i g z a g 和阻尼式脉动气流分选装置 成为研究的对象 图1 [ 2 ] ．在阻尼式脉动气流分选 装置中，由于分选区域截面积的扩张和收缩，使气 流上升过程中产生局部的压缩，气流通过阻尼区域 时，产生气流的加速／减速现象，显示出流体流变的 特性．当这种气流携带颗粒运动时，颗粒就会产生 加速效应．先前的研究表明，这样的颗粒加速效应 不仅能改变难选颗粒下降或上升时的次序，而且有 利于颗粒按密度为主导的分选[ 3 ] ．在实验室实际物 料分选实验中，采用2 种阻尼式脉动气流分选装置 作为实验系统 图2 [ 4 ] ．图2 a 为阻尼块下部截面 区域逐渐放大结构，分选柱总长为20 0 0m m ，最下 面的一块阻尼块安装在距分选柱下端3 0 0m m 处， 阻尼块贴合分选柱边缘的直角边为2 0m m ，另一 直角边为1 5m m ．图2 b 为阻尼块上部截面区域逐 步放大结构，其它安装及阻尼块几何参数如图2 a ． 实验室分选装置一般安装三至四块阻尼块．计算机 笃兰重产二攀繁产二彗产物 图1几种阻尼式气流分选装置 F i g ．1 P a s s i v ep u l s i n ga i rc l a s s i f i e r s a 阻尼块下部区域放大 b 阻尼块上部区域放大 图2 阻尼式脉动气流分选实验装置 F i g ．2 L a b o r a t o r ys c a l ep a s s i v ep u l s i n ga i rc l a s s i f i e r s 在实验室分选实验过程中，使用日本N A C 公 司的颗粒高速动态分析系统M e m r e c a mC i 3 进行 拍摄及分析．该设备最快拍摄速度可达2 0 0 0 幅／s ， 实验中采用5 0 0 幅／s 拍摄．对获得的图像使用 N e wM o v i a s 专业图像分析软件分析颗粒的流场中 的运动性质．通过颗粒高速动态分析系统，将实际 拍摄结果与流场模拟分析结果进行比较． 2实验模拟 2 ．1边界条件及流场分析系统 在实际分选实验中，对于塑料和铅片的分选结 果表明，当气流速度在1 0m ／s 时，图2 表示的2 种 分选装置分选效果都较为理想，故模拟时取气流流 速为1 0m ／s ．分析时假定进口气流流速均匀，且垂 直于进口流场方向的流体速度为零；在所有壁面上 取无滑动边界条件 即所有速度分量为o ；由于气 体处于低速运动 1 0 0m ／s ，流体压缩的变化相 对较小，气体流动可视为不可压缩流动，因此假定 流体为不可压缩流体．即进口流体速度为1 0 ．0 m ／s ；出口压力为0 ；空气温度为2 0 。C ；空气密度为 1 ．2 0 5k g ／m 3 ；空气黏度为1 ．8 1 3 1 0 _ 5P a S ． 根据雷诺公式，可计算出此时管内流体雷诺数 大于2 00 0 0 ，因此可确定气流流型为湍流． 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 流体流场分析系统使用A N S Y SF L O T R A N 计算流体动力学软件，对两种阻尼式气流分选机有 效分选部分的流场进行模拟，根据各分选机流场特 性，分析物料分选机理，解释传统和阻尼式气流分 选机分选效果的差异． 2 ．2 阻尼式脉动气流分选机“A ”流场分析 阻尼式脉动气流分选机具有分选效率高，分选 速度快的特点，能在很短的时间内实现重产物和轻 产物的有效分离，其阻尼块对分选效率具有很大的 影响，主要的分选区域是阻尼块上方和下方的圆管 区域，在该区域内存在气流的加速、减速过程，正是 加速、减速区的存在使物料实现更好的有效分选． 在安装多个阻尼块时，就会产生随着管子高度变化 的脉动气流． 图3阻尼式脉动气流分选机“A ”速度矢量分布 F i g ．3V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o ni np a s s i v e p u l s i n ga i rc l a s s i f i e r “A ’’ 阻尼式脉动气流分选机“A ”为图2 a 所示阻尼 块下部截面区域逐渐放大结构．其速度矢量流场如 图3 所示．由速度矢量分布图及局部放大的速度矢 量分布图中可以看出，阻尼块周围的气流流速有明 显突变，其上方中部的气流速度最高达1 8 ．5m ／s ， 且从1 0m ／s 到最高的1 8 ．5m ／s 过渡区域很小．该 现象说明在此处气流产生了显著的加速效应，这种 加速效应对颗粒按密度为主导的分选非常有利．在 Y 方向阻尼块上方中间速度最高，向两侧逐渐降 低，然后又稍微增大，这是由于阻尼块上方两侧产 生的旋涡引起的．阻尼块上方随着高度的增加速度 分布逐步趋于稳定． X 方向速度分布如图4 a 所示，由图中我们可 以看出在阻尼块尖角处2 个较小的区域速度绝对 值较高，绝对值最高达到6 ．6m ／s ，并且在阻尼块 的上方有2 个对称的椭圆形区域，该区域X 方向 的速度较高，这是与传统气流分选机和阻尼式气流 分选机的最明显的区别．其他区域的X 方向速度 无明显差异，分布比较稳定，在一0 ．7 5 ～0 ．7 5m ／s 的范围内． 阻尼式脉动气流分选机“A ”总压强分布如图 4 b 所示，由图可以看出该气流分选机总压强的分 布状态与其速度场分布相似，阻尼块下方及上方中 间部分的压强最高，最高值达到1 4 0P a 相对值 ． 阻尼块上方两侧区域的压强最低，最低值为一9 3 ．7 P a 相对值 ，可以判断该处产生了涡流现象，整体 压强呈对称分布． 图4阻尼式脉动气流分选机“A ”的X 方向速度 矢量分布及压强云图 F i g ．4V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o ni nXd i r e c t i o na n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fc l a s s i f i e r “A ” 2 ．3阻尼式脉动气流分选机“B ”流场分析 图5阻尼式脉动气流分选机“B ”速度矢量分布 F i g ．5V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o ni np a s s i v e p u l s i n ga i rc l a s s i f i e r “B ” 阻尼式脉动气流分选机“B ”的速度矢量流场 如图5 所示．由图可以看出，阻尼块对气流的流场 分布影响非常大，阻尼块及其上方中部的气流速度 高达2 0m ／s ，是气流在进口时速度的两倍，比阻尼 式脉动气流分选机“A ”在此处的速度更高，且速度 万方数据 第5 期何亚群等阻尼式脉动气流分选装置的流场分析 增加过渡区域更小，此现象说明气流在此处产生了 很强的加速效应．阻尼块上方两侧出现了两个对称 的旋涡．通过颗粒高速动态分析系统拍摄的图像结 果分析也证实此处有涡流场的存在[ 4 ] ．旋涡的出现 使物料更加分散，有利于重产物和轻产物的充分分 离，中间的高速气流则把轻物料迅速带出，使分选 时间缩短．阻尼块上方随着高度的增加流场逐渐趋 于稳定． 图6阻尼式脉动气流分选机⋯B ’的X 方向 速度矢量分布及压强云图 F i g ．6V e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o ni nXd i r e c t i o n a n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fc l a s s i f i e r “B ’’ 阻尼式脉动气流分选机“B ”沿X 方向速度分 布如图6 a 所示，由图可以看出在阻尼块尖角处2 个很小的区域内气流流速非常高，绝对值最高达到 1 1m ／s ，大大高于分选机“A ”的6 ．6m ／s ，说明此处 产生了较强烈的涡流．而阻尼块的上方和下方X 轴方向的速度分布较均匀，差别不大，在一1 ．3 ～ 1 ．3m ／s 的范围内． 气流分选机总压强分布如图6 b 所示，由图可 以看出阻尼块下方区域的压强非常高，达到2 4 8 P a 相对值 ，大大高于分选装置“A ”在此处的压 强，且压强的分布也与分选装置“A ”有很大的不 同，其高压区集中在阻尼块的下部较小区域，此现 象说明气流的加速效应在此处形成．阻尼块上方两 侧区域的压强最低，且为负值，由涡流影响造成，整 体压强呈对称分布． 3 分选实验 实验室分选装置采用内径为5 0m l T l ，长为3 0 0 m m 的数段有机玻璃柱体用法兰连接而成，法兰连 接处安装有和图2 所示分选装置“B ”几何形状尺 寸相同的阻尼块．阻尼脉动分选装置所安装的阻尼 块分别是1 块，2 块，3 块和4 块时，分别将其标为 C ，D ，E 和F ．标号为B 的分选装置为没有阻尼块 的传统直管式气流分选装置． 分选物料采用比重为2 ．7 0g ／c m 3 的铝片和比 重为1 ．6 0g ／c m 3 的聚脂塑料．铝片的几何尺寸为 1 0m m 7r n m 2 ．8m m ，聚脂塑料的几何尺寸约 为1 0m m 1 0m m 3m m ．混合物料各2 0 0 块，分 别称重后加入气流分选装置．分选时所用的流速为 1 0m ／s ，分选时间为1 0 0s ．对于上述几种分选装 置，大部分分选在前2 0S 就已完成，少数物料在2 0 S 以后被选出．分选时间达6 0s 时，几乎已没有轻 产物被选出，可认为分选已结束． 在评价分选效果时，一方面轻重产物的总分选 效率口3 是一个重要的指标；另一方面分选过程的有 效流速范围也是一个评定分选效果的主要指标． 气流分选的总分选效率E 可由下式确定1 E 一[ X ，／X 。 y 。／Y 。 ] 1 化． 式中x 。为轻产物重量；X 。为分选物料中轻组分 的总重量；Y 。为被分选出重产物的重量；Y 。为分选 物料中重组分的总重量． ， 不同气流分选装置的分选效率和时间的关系 曲线见图7 [ 7 ] ．分选实验表明，分选装置D 的分选 效率最高，其次是C 和E ．分选时间在6 0s 之前安 装有阻尼块的气流分选装置c ，D ，E ，F 的分选效 果都好于无脉动气流的传统气流分选装置．分选时 间超过6 0s 后，标号为C ，D ，E 的气流分选装置已 几乎没有轻产物被选出，只有分选装置F ，有少量 的重组分被作为轻产物分选出来，从而使分选装置 F 的分选效率降低，此现象表明，阻尼块的个数应 在合适的范围内． 图7 气流分选效率与时间的关系曲线 F i g ．7 C u r v e sb e t w e e ne f f i c i e n c ya n dt i m e 不同气流分选装置分选过程中，当分选效率超 过9 0 ％时，我们认为气流分选进入合理的气流流 速范围，称为有效气流流速，可操作的有效气流流 速范围对分选过程有很大影响．图8 表示不同气流 分选装置的分选效率与分选气流流速范围的关系 ∞孵％舛昵∞鼹跖舛跎 万方数据 5 7 8中国矿业大学学报第3 4 卷 曲线．实验数据表明，传统非脉动气流分选装置的 有效分选气流速度范围为0 ．5 2r n ／s ，而安装阻尼 块的阻尼脉动气流分选装置，有效分选的气流速度 范围都在1m ／s 以上，标号为C 的分选装置有效分 选气流流速范围达1 ．7 2m ／s ．从此可以看出，阻尼 式脉动气流分选装置的有效分选气流流速范围宽 于非脉动气流分选装置的有效分选气流流速范围， 在分选中对气流流速的调节更具有可操作性． 1 9 0 0 5 嚣 罢 蔷。7 ，0 翼 4 5 0 5 4 0 6 ．5 7 ．0758 ．08 ．59 ．09 ．5 1 0 ．0 1 0 ．5 】1 ．0 l 】．2 1 2 ．0 u ／ m s ‘1 、 - - I I B 一一C 一▲一D T E 一．一F 图8 气流分选装置的有效气流流速范围 F i g ．8T h er a n g e so fa i rv e l o c i t i e sf o rd i f f e r e n ta i rc l a s s i f i e r s 4结论 1 传统气流分选效果取决于颗粒运动时的空 气动力学性质，即颗粒的沉降末速，它依次依赖于 颗粒的粒径、形状和密度．理论上在稳定上升所流 中无法实现颗粒按密度为主导的分离． 2 阻尼式脉动气流分选装置通过局部区域的 阻尼效应，使气流产生在该区域产生加速／减速特 性．这种气流的加速特性不仅可使颗粒在上升和下 降过程中改变其上升或下降的次序，而且有利于实 现颗粒按密度为主导的分离．阻尼式脉动气流分选 装置的流场模拟分析结果表明，阻尼区域呈现很强 的气流加速／减速特性，为脉动气流分选有利于实 现颗粒按密度为主导的分离提供了理论依据．模拟 实验还发现在阻尼块周围存在涡流现象，该现象有 助于物料的分散． 3 实际分选实验数据表明，阻尼式脉动气流 分选装置比传统气流分选机有更优越的分选效果 和更可操作的气流流速范围，总分选效率比传统气 流分选提高6 ％～8 ％，可操作气流流速范围扩大 一倍以上． 参考文献 [ 1 ] S t e s s e lRI ，P e i r c eJJ ．S e p a r a t i o no fs o l i dw a s t ew i t h p u l s e da i r f l o w [ J ] ． J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，1 9 8 5 ，1 1 1 6 8 3 3 8 4 9 ． [ 2 ] J a c k s o nCR ，S t e s s e lRI ，P e r i c eJJ ．P a s s i v ep u l s i n g a i r c l a s s i f i e rt h e o r y [ J ] ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，1 9 8 8 ，1 1 4 1 1 0 6 1 1 9 ． [ 3 ] S t e s s e lRI ，A s c eAM ，P e i r c eJJ ．P a r t i c l es e p a r a t i o n i n p u l s e da i r f l o w [ J ] ． J o u r n a lo fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c s ，1 9 8 7 ，1 1 3 1 0 1 5 9 4 1 6 0 7 ． [ 4 ] 王海锋．脉动气流分选机分选机理及气流流型研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学化工学院，2 0 0 4 ．5 4 6 8 ．， [ 5 3 C r o w ePB ，P e i r c eJJ ．P a r t i c l ed e n s i t ya n da i r c l a s s i f i e rp e r f o r m a n c eE J 3 ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，1 9 8 8 ，1 1 4 2 2 8 2 3 9 9 ． [ 6 ] P e i r c e sJJ ，S t e s s e lRI ，V e s i l i n dPA ．Q u a n t i l y i n g t h ep e r f o r m a n c eo fn w a ys e p a r a t o r s [ J ] ．R e s o u r c e a n dC o n s e r v a t i o n ，1 9 8 3 ，1 0 2 4 3 ～2 4 7 ． [ 7 ] 段晨龙，何亚群，王海锋，等．阻尼式脉动气流分选机 装置分选机理的基础研究I - J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 3 ，3 2 6 7 2 5 7 2 8 ． D u a nCL ，H eYQ ，W a n gHF ，e ta 1 ．S e p a r a t i n g m e c h a n i s mo fp a s s i v ep u l s i n ga i rc l a s s i f i e r [ J ] ．J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ， 3 2 6 7 2 5 7 2 8 ． 责任编辑骆振福 万方数据