新型可调小直径水力旋流器的设计研究.pdf

第 3期 2 0 0 6年 6 月 选 煤 技 术 COAL PREPARATI ON TECHN0L0GY NO ． 3 J u n． 2 00 6 文章 编 号 1 0 0 13 5 71 I 2 0 0 60 30 01 10 3 新型可调小 直径 水力旋流器 的设计研 究 任 兰柱 ，崔 风禄 ，吕艳 丽 ，张 强 ，王诅 讷 1 ．辽宁工程技术大学 ，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 ；2 ．中国矿业大学，北京 1 0 0 0 8 3 ；3 ．开滦集团 钱 家 营矿业 公 司 ，河北 唐 山0 6 3 0 0 0 ；4 ．沈 阳博傲 自动化科技 公 司，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 4 摘要 精细水煤浆在柴油机上燃烧一段 时间后 ，油浆泵柱塞偶件经常出现卡死现象，原因是柴油机 工作过程 中油浆 泵柱塞偶件 间积存 大量 未燃烧的超 细煤粉 。为防止超细煤 粉进入 柱 塞偶件 间 隙 ，需 要在 制备精细 水煤 浆前将可 能进入柱 塞偶 体 间的超 细煤粉 选 出。应 用固液 两相 流体 理论和 旋流 器 工 艺设 计原理 ，设计 并制造 了小直径 可调 节型水 力旋 流 器，用于超细煤粉 的分级 。 同时对影 响水 力旋 流器分级效 果的主要 因素进 行 了分析 ，为进 一步 完善 水煤 浆替代柴 油燃烧技术打 下基础 。 关键词 小直 径水 力旋 流 器 ；精 细水煤 浆 ；超 细煤粉 ；分级 中图分类号T D 4 5 5 ． 5 文献标识码A 水煤浆是 2 0世纪 7 O年代末发展起来的以煤代 油的新型燃料，由 6 0 ％ ～ 7 0 ％的精细煤粉和 3 0 ％ ～ 4 0 ％的水以及少量添加剂组成。作为煤基燃料 ，水 煤浆可以像石油一样储存 、运输和燃烧 ，但它的成 本却比石油低廉得多。水煤浆具有和煤粉相 当的燃 烧效率、较低的污染物排放和清洁运输等特性。水 煤浆工业在我国经过近 2 0年的发展，现已达到工业 应用水平。中国矿业大学水煤浆制备与燃烧实验室 经过多年的探索研究，在制备常规水煤浆技术基础 上又进一步掌握了制备超纯煤 的技术 ，使用超纯煤 在实验室制备精细水煤浆已获成功，即将应用于工 业生产。目前 ，精 细水煤浆在小容量取暖锅炉上基 本实现了直接代油燃烧；在小 型柴油机上 的流动 、 雾化、燃烧的试验也取得 了阶段性进展。研究过程 中发现，由于油浆泵柱塞偶件问存在 35 m的配 合间隙 ，因此，在柴油机 工作过程中，油浆泵柱塞 偶件 间隙内进入并积存 了大量未燃烧 的超细煤粉 ， 经过一段时间运转，柱塞偶件就会 出现卡死现象。 水力旋流器是利用离心力场分离不同粒度或密 度混合物的高效分离设备 ，具有结构简单 、操作方 便 、生产能力大 、分离效率高 、无转动部件 、占地 面积小和易于实现 自动控制等优点，广泛应用于分 级粒度在 3～ 2 5 0 p ． m的分级或分离作业以及分级粒 度小于 1 5 p ． m的浓缩或澄清作业 ，其直径一般 为 1 O 一 1 4 0 0 m m，用于超细颗粒的分级或分离时，一般选 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 2 5 基金项 目 国 家■点 技术刨 新项 目 “煤基柴 油代 用燃料 的制备 与 燃 用” 。亦为 中国矿业大学 “ 2 1 1 ”工程学科建设重点项 目 作者简 介任 兰柱 1 9 6 6一。男 。黑龙江人 。副教 授 。中 国矿 业 大学在读 博士。主要从 事煤基 柴油代 用燃料 与环保 机械 研 究。电 话 0 4 1 8 6 7 7 5 9 0 5 。 用小直径 d p 1 0～ 5 0 m m圆筒 圆锥 型水力旋 流器 。 影响水力旋流器分离或分级效果的因素很多 ， 而且各种因素之间互相影响 ，彼此制约 ，其分离或 者分级过程亦相当复杂，因此 ，其工艺计算方法不 易用一数学表达式将其准确地归纳和概括。 1 小直径水力旋流器设计 在小直径水力旋流器的设计中，旋流器圆柱体 直径是要首先确定的主要结构参数 。它 的选择和入 料粒度上限有关 ，一般的原则是入料粒度上限为旋 流器圆柱体直径 D／ 2 0 ，其次是入料 口直径 、溢流 口直径 、底 流 口直 径 、锥度 和溢 流管 深度 的设 计 。 入料口直径增大 ，流量增加，但不能过大，还 要保证料流有 足够 的速度 ，通常在 6～1 2 m ／ s ；溢 流 口直 径增 大 ，流量 增加 ，分 选密 度提 高 ，但也 不 能过大 ，要保证 物料在旋流器 内有一定 的滞 留时 间；底流 口直径增大 ，分选密度降低 ，底流 口直径 减小 ，分选密度提高，关键是要保证底流物料排放 通畅。旋流器的主要结构参数取值范围 入料 I I 直径 d 。 0 ． 1 5 0 ． 2 5 D 溢流 口直径 d 。 O ． 2 0 0 ． 3 0 D 底流 I I 直径 d 0 ． 0 7 0 ． 1 0 D 溢流管深度 h 。 0 ． 5 0 0 ． 8 0 D 空气柱直径 d 0 ． 5 d 。0 ． 8 3 d 。 2 ／ D 锥度 4 5 。 可 以得 出 D取 3 0 ram 时，入 料 口直径 d i 1 0 mm， 溢 流 口直径 d 。 6 mm， 底流 口直 径 d 5 ram， 溢流管深度 h 。为圆柱体高度的 8 0 ％ ， 导流空 气柱管直径 d 。4 m m。 旋流器圆柱体直径 为 3 0 ram，分为 四节 ，每节 长度 分 别 为 5 、5 、1 0 、1 0 c m，节 与 节 之 间 为螺 纹 1 1 维普资讯 第 3期 选 煤 技 术 2 0 0 6年 6月 2 5 日 连接 ，材 质为 黄铜 。 人料管 、溢流管 、导流空 气柱 管材质 亦为 黄 铜 ，壁厚 皆 为 0 ． 8 ra m。 小 直径水 力 旋流 器结 构 图如 图 1所示 。 图 1 新型可调节小直径水 力旋流 器结构 示意图 2水力旋流器工作过程解析 水力旋流器的分 离过程就是流体旋涡的产 生、 发展和消失的过程。流体在运动过程 中形成旋涡的 内在原因是粘性和压差。粘性使运动流体在相邻流 层 间产 生切应力 即 内摩擦 力 ，从 而 出现 速度 差 。 速 度较慢 流层作 用 于 速度较 快 流层 的 切应 力是 阻 止 快层前进的阻力 ，其方向与流动方向相反；而速度 较快流层作用于速度较慢流层的切应力是加速慢层 前进的动力 ，其方向与运动方向相同，从而在流层 间产生切应力偶 ，促使其间流层质点的转动，形成 旋涡运动。流体在运动过程中由于各种原因总会产 生波动 ，在波峰，流层 的流束伸长，端面缩小。按 照伯努力原理 ，流速大的区域压力小 ，而流速小的 区域压力大，从而在峰谷间产生压力差，形成压差 力偶 ，促使其间流体质点的转动，诱发旋涡形成。 水力 旋 流器就 是 一种利 用 离心力 场 的作用 加 速 矿浆中固体颗粒沉降和强化分离过程的有效分离设 备。当矿浆以渐开线或切线或螺旋线方式由给矿管 射人简体后 ，在强大离心力场的作用下 。迅速完成 其 全部 分离 过程 。从 上部 溢流 管得 到粒 度细 而密 度 小的溢流产物 ，从下部底流管得到粒度粗而密度大 1 2 的底 流产 物 。 水力旋流器 中流体运动的基本形式大致可分为 六种 即外旋 流 、内旋 流 、短 路流 、循 环流 、零速 包 络面 、最 大切 线速 度轨 迹 面和 空气 柱 。在旋 流器 分 离 的全过 程 中 ， 自由螺 线 涡是 主要 的 涡型 ，以螺 旋涡运动 的流体质点 的速度可 以分解 为切线速 度 ，径 向速度 ， 轴向速度 。 三个分速度在分离 过 程 中 的作用 如下 面所 述 。 2 ． 1 切 线速 度分 布规律 及 其在 分离 过 程 中的作 用 旋流器 内流体运动 的切线 速度分布如 图 2所 示。可以看出，在旋涡溢流管外围的环形空间 ，切 线速度沿径向的变化不大。在锥体部分切线速度沿 径 向有明显变化 ，各相应断面的器壁处切向速度最 小 ，由器 壁沿径 向往轴心 其 速度 逐渐 增大 ，当达 到 旋涡溢 流 管 入 口 内壁 附 近 的 相 应 位 置 时 出现 最 大 值 ，随后 又重新 减 小 ；给矿 压力 变化 时 ，切线 速度 沿径 向 的分布 规律 基本 不变 。 由此 可推 导 出水力 旋 流器 在分 离过 程 中任一 旋 转半径运动流体的切线速度 U 咖 I R ／ r 式 中 咖为速度降低系数 ； V 。 为给矿管中流体平均速 度； R为旋流器半径； r 为运动流体的旋转半径 ； 1 1, 为 指 数 。 2 ． 2 径 向速 度分 布 规律及 其在 分 离过 程 中的作 用 旋流器 内流体运动的径 向速度 分布如图 2所 示 。 r ／ m J n r ／ m i n r ／ m i n a 切线速度 b 径 向速度 a 轴向速度 图 2 切 线速度、径向速度、轴 向速度分布 图 在简体的给矿 V I 中心线以上 。径 向速度的方向 是 由轴心 朝 向器壁 。在 给矿 口中心线 以下 ，径 向速 度 的方 向是 由器 壁朝 向轴心 ；在 顶 盖下 部有 少量 流 体的运动方向是由器壁朝向轴心；在旋涡溢流管人 V I 以下的简体和锥体的各相应断面上，径向速度的 方 向是 由器 壁朝 向轴 心 ，其绝 对值 随半 径 的减小 而 维普资讯 第 3期 任 兰枉等 新 型可调 小直径水力旋流 器的设计研 究 2 0 0 6年 6月 2 5 E l 增大，接近空气柱界面时达到最大 ，随后又急剧降 低 。给 矿压 力变 化 时 ，径 向速 度也 随 着变 化 ，但 其 分布规律基本不变。 在 分离 过程 中 ，水 力旋 流器 内运 动流 体 的径 向 速度的大小与其给矿压力和轴向位置有关。在工艺 计算 中求某一同轴圆柱面上的平均径向速度的近似 公 式为 U q m ／ 2r r r h 式中 q 为给矿矿浆体积 流量 ， 即旋 流器的生产能 力； h为同轴圆柱面高度 ； r 为同轴圆柱面半径。 2 ． 3 轴 向速度分 布 规律及 其 在分 离过 程 中的作 用 旋 流器 内流体运动 的轴 向速度分 布如 图 2所 示 。 在筒体 的给矿 口中心线 以上 ，轴 向速 度 的方 向向上 ， 在给矿 口中心线 以下，轴向速度的方 向向下，离给 矿 口越远其绝对值越大；漩涡溢流管外壁附近的轴 向速度方向向下 ，其绝对值越接近溢 流口越小。在 锥体部分的各相应断面上，由器壁到轴心 的轴向速 度方向由下而上，其 中有零速过渡点，其最大值 出 现在空气柱附近。当给矿压力变化时，轴向速度也 随着变化 ，但零速过渡点的位置基本不变。 2 ． 4给矿 压 力和 分 离 密 度及 分 离 粒 度 对 分级 效 率 的 影响 在实际分离过程中，具有粘性的两相流体组合 涡由半 自由涡和强制涡组成 ，其 自然分界 面 线 的压力等于或基本上等于外部空间的压力。半 自由 涡 域 的压 力 为 正 值 ，是 大 于 外 部 空 间 压 力 的 正 压 区；强制涡域的压力为负值 ，是低于外部空间压力 的负压 区 。水力 旋流 器 的给矿 压力 按 照周边 到 自然 分界面间压力降的大小确定 ，它是旋流器生产能力 和能耗计算 的主要依据。 水 力旋 流器 内的分 离过程 是在 离心 力场 的作 用 下完成的，分离过程 中产生的离心加速度通常要 比 重力加速度 大几十乃至几百倍 ，它们的比值用离心 强度 来表 示 ，即 ， ∞ r ／ g． 式中 ， 为离心强度 ， 是反映离心分离设 备分离效 率 的重 要技 术指 标 。 颗粒 沿径 向的离心 沉 降速度 o R√ r ／ g ， 式中 V 为颗粒的重力沉降速度。 可 以看 出 ， 离 心强 度越 大 ， 颗粒沿 径 向 的沉 降 速 度越快 ， 完成分离过 程的时间越短 ， 分离 的效 率越 高。 同时 ， 可得出被分离的固体颗粒沿径 向的粒度 分布 d 1 ． 9 1 r U o ／ U r ／ 一p ， 式 中 为阻力 系数 ； p为介 质密 度 ； 盯 为分离 物料 密 度 ； r 为分 离物 料 直径 。 由上式 可看 出 ，当分 离密 度相 同而 粒度 组成 不 同的固体颗粒群时 ，在旋流器 中呈平衡旋转的颗粒 粒 度 与其旋 转半 径成 正 比 ，半 径越 大 粒度越 粗 。 3 结 语 通过 以上 分析 ，可 得 出 以下结 论 1 在旋流器分离 的全过程 中，自由螺线 涡 是 主要 的涡 型 ，以螺旋 涡运 动 的流体 质点 的速 度 可 以分解为三个分速 ，就三个分速在分离过程中的作 用而言 ，切线速度 是主要的， 径向速度 次之 ， 轴 向速度 只对其分离的精确度有关 。 2 小直径水力旋流器的 主要结构参 数是圆 柱体 直径 、锥度 、溢 流 口直径 和底 流 口直径 等 。 3 影 响 小 直 径 水 力 旋 流 器 分 级 效 果 的 主 要 操作因素是给矿压力 、给料浓度 、给料粒度组成 以及给料速度等。当分离密度相同而粒度组成不同 的固体颗粒群时，在旋流器中呈平衡旋转的颗粒粒 度与其旋转半径成正比，半径越大粒度越粗。 4 初步 试验结 果 表 明 当给料 浓 度 为 2 0 ％ ， 给矿压力为 0 ． 1 M P a ，使用水力旋流器进行分级时 ， 一 级分级效率可达 6 7 ％。 随着 水 力 旋 流 器 种 类 的增 加 、结 构 形 式 的 完 善 、耐 磨材 质 的改进 和工 艺过 程 的更 加 合理 、 自控 及计算机技术 的普及 ，其 应用领 域正在进一 步扩 大，经济效益将更加显著。 参 考文献 [ 1 ] 何方缄 ．水力旋流器各参数 间相 关关 系的探 讨研 究 [ A]．第三届全 国选矿数模及 计算机 应 用学会会议 论 文集 [ C ]．北京 中国选矿技术情报 网，1 9 8 8 ． [ 2 ] 庞学诗 ．水力旋 流器 工艺计算 [ M]．北京 中国 石 化 出 版社 ． 1 9 9 7 、 [ 3 ] A 14渡 瓦罗夫 ．选矿 厂 水力旋 流 器 [ M】、北京 冶金 工 业 出 版 社 ．1 9 8 2 ． [ 4 孙时元 ，等 ．中国选矿设备 实用手册 上 [ M]． 北京 机 械 工 业 出版 社 ．1 9 9 2 ． [ 5 】 选矿设计手册 、北京 冶金 工业出版社 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