高效分级旋流器的研究

３ 结论
（１）微波在磨矿过程中有利于矿物的破碎。 （２）在磨矿过程中，会出现矿物的差异富集
现象，镜质体较易富集在粗粒级煤中，而惰性体更
易存在于细粒级煤中。
（３）神府煤在球磨转速为２００ｒ／ｍｉｎ、微波输 出功率为９００Ｗ、微波辐射时间为２ｒａｉｎ的条件下解
离度最大，团聚现象最小。
（４）微波在矿物粉碎过程中有助解作用，助 解作用主要表现为选择性破碎和沿界面破碎。
式中：Ｆ为单位质量微元体所受的离心力；ｐ为微元 体的密度；Ｖｅ为微元体的切向速度；ｒ为微元体所在 的半径。
由于Ｆ应与压力梯度相平衡，故有如下方程：
面ａｒＯＰ＝ｐ旦’ ｒ，’
（１） 、
式中：Ｐ为该微元体所受的压力。
经过一系列推导，可得出：
Ｋｒ＝常数。
（２）
式（２）表明：在这一区域内，切向速度ｋ值与半
径ｒ成反比。
１２
万方数据
ａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ。１９９１，２７（２）：２３９ —２４３．
［４］
Ｌｅｓｔｅｒ Ｅ，Ｋｉｎｇｍａｎ Ｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｒｅ—
ｈｅａｔｉｎｇ ｏｎ ｆｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏａｌｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，２００４，８３
摘要：介绍了分级旋流器的研究现状，结合分级旋流器的工作原理，从流体运动规律的研究着
手，分析了旋流器内部流场速度分布规律，并在此基础上，结合计算机流体力学，研制了６６６０ 高效分级旋流器，并将６６６０高效分选旋流器与传统分级旋流器的部分技术参数进行了对比。
关键词：煤泥水处理；高效分级旋流器；工作原理；流场；速度分布规律；对比
中图书分类号：ＴＤ９４２＋．７
文献标识码：Ａ
在选煤厂工艺系统中，煤泥水处理是一个重要 环节。近年来，煤泥水的处理已成为选煤厂生产中 亟待解决的重要课题。各国选煤工作者都在进行研 究，以期改进煤泥浓缩、分级、脱水设备，简化现 有煤泥水系统，并寻求实现煤泥厂内回收、洗水闭 路循环的新途径。
在众多设备中，分级旋流器以其工艺简单、操 作维护方便、分级效果好等特点，广泛应用于选煤 行业煤泥水处理工艺环节。但是，传统的分级旋流
４２３—４２７．
［６］
Ｄ Ａ ｊｏｎｅｓ，Ｓ Ｗ Ｋｉｎｓｍａｎ，Ｄ Ｎ Ｗｈｉｔｔｌｅｓ．ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｏｒｅ ｓａｍｐｌｅｓ［Ｊ］，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎ·
溢流 入料
嚆流 图１旋流器分级模型
分级旋流器工作时，煤泥颗粒与水混合呈悬浮 液状态，由泵以一定压力给入旋流器；进入旋流器 后，悬浮液遇到器壁被迫作旋转运动，粗颗粒惯性 力大，能够克服悬浮液粘性阻力向器壁运动，而细 小颗粒惯性力较小，未等靠近器壁即随料浆作旋转 运行；在后续给料的推动下，料浆继续向下作回转 运动，固体颗粒相应产生惯性离心力，于是粗颗粒 继续向周边汇集，而细小颗粒则停留在中心区域， 这样就发生了粗细颗粒由器壁向中心的分层排列； 随着悬浮液从旋流器的柱体部分流向锥体部分，流 动断面越来越小，在外层料浆收缩压迫以及底流空 气的作用下，内层悬浮液改变方向，转而向上流 动，于是在旋流器内形成了两组旋转流，分别为外
轴向速度越来越低，速度值在旋流器半径的中部过
零点，由正变为负。轴向速度决定着分级产品在外
螺旋下降流和内螺旋上升流中的移动时间。就轴向
速度绝对值而言，内旋流远大于外旋流。
沿轴心线运动的分速度为轴向分速度匕。屹沿
径向及轴向的分布规律要比屹及Ｕ复杂得多，在理
论上分析要引用不少假定。在旋流器中，由于溢流和
底流的方向不同，所以轴向速度也有不同的方向。当
图２旋流器内零速面示意图
３ 分级旋流器流场分析＂１
为了分析方便，我们可将旋流器的速度分为三 部分来研究，即轴向速度、径向速度和切向速度． 其中：悬浮液的切向速度和径向速度具有较大的实 际意义，前者确定离心力的大小，后者确定悬浮液
１３
万方数月２５目
的径向流动压力，这两个力是决定物料按密度分层 的主要力：悬浮液的轴向速度则决定着分级产品在 外螺旋下降流和内螺旋上升流中的位移时间。 ３．１切向速度
３．２径向速度
径向速度确定悬浮液的径向流体动压力。旋流
器内流体的径向速度，由径向位置从器壁趋向轴 心，绝对值逐渐增大，在空气柱边缘附近有急剧降
低；在锥体的断面上，径向速度方向始终是从器壁 指向中心；内旋流区的流体径向速度变化幅度比外
旋流区的变化幅度大。
在理想情况下，旋转液流可以看成是由平面环 形流（势涡）与平面点汇所组成，因而径向速度＂的
（１４—１５）：１９４１—１９４７．
［５］
Ｅｄ Ｌｅｓｔｅｒ，Ｓａｍ Ｋｉｎｇｍａｎ，Ｃｈｒｉｓ Ｄｏｄｄｓ．Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｃｏａｌ
ｇｒｌｎｄａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｔ ｅｅｏ－
ｎｏｍｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｐｕｔｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，２００５，８４（４）：
１ 分级旋流器研究发展现状
在理论研究方面，目前，人们对分级旋流器这 一分离设备已有所了解，主要是在对液流运动认识 的深化以及应用范围的拓展上，然而，对于影响分 级旋流器性能的至关重要的颗粒运动规律则缺乏系 统而深入的研究。影响颗粒运动的因素，不仅体现 在其外部工艺条件（如人料压力和入料浓度等） 和自身结构参数（如溢流管直径和底流口直径等）
ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００７，４６（４）：２９１—２９９．
［７］
Ｃ Ｋ Ｍａｎ．Ｊ Ｊａｃｏｂｓ．Ｊ Ｒ Ｇｉｂｂｉｎｓ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｃｅｒａｌ ｅｎ·
ｒｉｃｈｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｏｎ
参考文献： ［１］ 刘全军，王喜良，王文潜．微波助磨的研究现状
［Ｊ］．粉体技术，１９９８，４（３）：３１—３６． ［２］ Ｇ斯科特，等．微波预处理对某碳酸盐铜矿石在磨
矿后单体解离的影响［Ｊ］．国外金属矿选矿，
一
２００８，４５（４）：１９—２３．
［３］
Ｗ Ｊｏｎｅ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ—Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｇｒｉｎｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．
４６６０高效分级旋流器即是基于以上流场分析， 并结合现场实际生产中物料的性质，利用计算机流 体力学分析技术及相似原理研制的。在研究过程 中，通过寻求合理的结构参数，实现了该旋流器内 部流体更为稳定的流态，同时，通过优化结构参 数，提高了处理量和分级效率。
在设备方面，国内普遍应用的分级旋流器直径 一般都在５００ｍｍ以下，很少有直径超过５００ｍｍ 的。但在国外，大直径分级旋流器已相当普遍：２０ 世纪８０年代。国外分级旋流器直径即已达ｌ ５００ｍｍ；２０世纪９０年代，前苏联制成了由２０００ｍｍ 水力旋流器，瑞典Ｓａｌａ公司研制了ｄｐ２０３２ｍｍ旋流 器，处理能力分别可达２ １００ ｍ’／ｈ和２ ４００ ｍ３／ｈ。 此外，对于同一型号旋流器而言，国产分级旋流器 普遍存在处理量小、效率低的问题，如国产 ｄｐ３５０ｍｍ旋流器处理量一般为６０—１００ｍ３／ｈ，分级 效率为５０％一６０％，而国外同型号设备处理量可 达１００—１６０ ｍ３／ｈ，分级效率可达７０％一８０％。相 比之下，国产设备用于煤泥水分级，则会使厂房空 间加大，能耗增加，同时也增大了煤泥后续处理作 业的压力。因此，优化现有产品结构，提高分级旋 流器的处理量和分级效率是今后国内工作者的一个 重点研究方向。
修改稿收稿日期：２０１０—０ｌ—１９ 作者简介：王艳梅（１９６９一）。女，河北省承德市人．工程硕．｛＝。 副教授，１９９２年毕业于中国矿业大学机械下程专业，现就职于河 北能源职业技术学院机电丁程系，主要从事工程数学应用方面的教 学与科研工作。联系电话：（０３１５）３０４９４１５。
器在某些方面还不能适应选煤厂生产的要求，主要 原因在于分级旋流器的理论研究和生产实践还没有 完整地结合起来，并且对影响分级旋流器工艺效果 的因素研究也不够透彻。
切向速度被认为是三维速度中最重要的一维。 因为它是衡量旋流器内分离因数大小的指标，所以 人们比较重视旋流器内流体切向速度的研究。在旋 流器的周边，切向速度随半径的减小而不断增加的 区域称为势流旋转区。
图３敢元流体分析
在旋流器周边截面上，取一如图３所示的微元 体，单位质量微元体所受的离心力为：
Ｆ：ｐ旦ｒ，
４ 高效分级旋流器的研究与分析
分级旋流器内部流体的流态除了受外部工艺条 件（如入料压力、流体黏度、固体颗粒等）因素 的影响外，很大程度上也会受到自身结构（如入 料方式、溢流管和底流口参数、锥角等）因素的 影响。外部工艺条件受整个工艺系统的制约，因而 难于控制；而自身结构参数则是在设计和生产阶段 来实现的，因而更容易控制。
２０１０年６月２５日
因素上，而且，产生的空气柱在消耗了大量能量的 同时，也影响了旋流器的分级效率。因此，要想全 面描述分级旋流器内的流动状态，或者从根本上改 进分级旋流器的工作，我们就不得不考虑颗粒运动 和空气柱成闻这一非常棘手的问题。此外，目前还 有一系列问题都是需要关注的，如：含固体颗粒的 浆体进入分级旋流器后，固一液两相流之间以及颗 粒与颗粒之间将会发生什么样的相互作用，作用的 结果会对流动状态产生什么样的影响；固体颗粒与 液体介质在流动态势上有何区别与联系；介质湍流 对颗粒运动的影响如何体现；固体颗粒在旋流器内 如何分布，等等。
２分级旋流器工作原理¨ｔ２ｊ
层向下的旋转流和内层向上的旋转流；细颗粒随内 螺旋流从溢流口排出，粗颗粒则随外螺旋流从底流 口排出。
旋流器内的流体流动呈双螺旋结构模型（图 １），其具体形成过程为：旋流器内部存在着轴向 速度，轴向速度从器壁到中心存在由大变小再增大 的过程，其方向是由负变正的过程，中间存在一个 零速点，若干个零速点形成了零速包络面（图２）， 在其外部悬浮液强烈旋转，并同时沿着器壁向下做 螺旋运动，形成向下的外螺旋流；外螺旋流在向下 的运动过程中，由于锥段渐渐收缩，流动阻力增 大，到达底流口附近后，迫使外旋流中除部分流体 从底流口流出外，大部分流体转而向上运动，在内 部形成向上的回流，即内螺旋流，并从溢流管流 出。在旋流器内的旋转流场中，煤泥水悬浮液中的 大颗粒在离心力的作用下容易沉降到器壁附近，并 随外旋流从底流口排出；细颗粒由于沉降速度较 小，来不及沉降到器壁，或无法突破粘性阻力，随 着大部分液体形成的内旋流从溢流排出。这样，煤 泥水悬浮液中的不同粒径的颗粒就得到了分级。