重介质旋流器选煤技术的研究现状及发展趋势

重介质旋流器选煤技术的研究现状及发展趋势吴文理，韦鲁滨，杜军，朱新飞中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院北京（100083）E-mail：w98_988@摘要：本文主要阐述了重介质旋流器理论研究的新进展,主要表现在以下几个方面：在颗粒受力分析时考虑到了机械阻力的影响因素；颗粒运动具有随机性；在分选时认为湍流是重要的影响因素；应用CFD软件对重介质旋流器流场的模拟情况。

最后展望了重介质理论研究的发展趋势。

关键词：重介质旋流器理论CFD 趋势中图分类号：T D941.序言颗粒在重介质旋流器内分离基本上遵循“阿基米德”原理。

颗粒在离心力场中受到的离心力一般要比其在重力场中受到的力大几十倍。

因此，分选末煤一般采用重介质旋流器分选。

选煤用的重介质旋流器是在分级旋流器的基础上发展起来的。

自从1945年荷兰第一套从分级旋流器演变而来的处理能力为15t/h的DSM重介质旋流器中间试验装置投入运转以来，重介质旋流器的研究从未停止过，先后出现了DWP型、三产品以及与它们结构原理相似的多种类型的重介质旋流器[1]。

在理论研究方面，许多学者在水力旋流器内的流动形式、压强、和颗粒运动规律等方面已经做了很多的研究，并建立了很多实验、经验和分析模型以及计算流体力学模型。

然而对于重介质旋流器在这些方面的研究是很有限的。

以往对重介质旋流器的研究方面主要倾向于实验和分析研究，即使就在实验研究范围内，也仅仅是在结构参数和操作参数对分选效果的影响方面有所研究，这方面可以利用的信息也是有限的[2]。

如今，随着科技的快速发展和人们对洁净煤的重视，人们越发觉得掌握其分离理论的重要性。

2.颗粒受力和颗粒运动规律方面的进展旋流器内多相流系统中颗粒受力情况非常复杂，涉及颗粒--流体、颗粒--颗粒、颗粒--器壁、液体--气体等多种相互作用。

以往的研究主要考虑颗粒的驱动力(如离心力)以及浮力和粘性阻力，对于其它力则未予考虑。

但是，在旋流器如此复杂的流动系统中，其它力如哥氏力、颗粒重力、Saffman升力等确定力以及“随机力”(包括流体压差力、附加质量力、BESSET力、MAGUS力、颗粒间碰撞力等)等对旋流器工作的影响也是相当重要的。

要正确描述旋流器的分离机理，就必须认识对旋流器工作性能至关重要的固相颗粒的运动。

由于旋流器内颗粒受力及运动情况极其复杂，目前在理论上对高浓度、多分散相体系的物理描述还未找到有效的方法，而在实验上对旋转流场中固液两相流的测定也还有很多困难。

但是要想全面描述旋流器内的流动状态，正确认识旋流器的分离机理，又不得不考虑这些复杂的问题。

黄淮北[3]研究了重介质旋流器颗粒的受力情况。

研究表明：在对颗粒受力分析、建立颗粒运动方程式时，只考虑到了介质阻力，而没有考虑到机械阻力，所以径向速度的表达式及结果必将产生一定误差。

机械阻力与许多因素有关，随机性强，为了把机械阻力表达出来采用了概率方法。

在计算运动过程中颗粒受到的机械阻力时，先作出如下的假设：(1)A、B颗粒粒径分别为d1、d2；(2)颗粒分布相对均匀，颗粒的容积浓度为λ；(3)A粒子以恒定速度v穿过颗粒层；A粒子推动n个B粒子以速度vcosα沿α方向运动。

在此假设的基础上得出了A颗粒以速度v相对B颗粒运动所受的机械阻力。

显然，该公式的使用范围不大，在实际应用中不强，但为理论上分析重介质旋流器分选过程提供了一种思路。

德国学者Drissen对颗粒受力的随机性进行了简要的分析，他认为，在离心力、阻力和随机效应作用下，任意粒级的颗粒在旋流器中作准定径向运动，并推导了计算公式。

但是该研究没有后续报道，同时对于随机性的认识过于简单，不能全面真实地认识旋流器内颗粒分离的随机性本质。

徐继润等人[4]对旋流器内固液两相间的相对运动进行了深入的研究。

他们从经典的描述颗粒在液相中运动的BBO方程出发，推导出了表征旋流器内不同流动方向上固液两相间相对运动特性的跟随性指标。

这种方法较之于通常的颗粒受力分析（即只考虑离心力、浮力、流体阻力）考虑了更多的影响因素，尤其重要的是包含了流体湍流的信息，因此从跟随性指标出发研究颗粒的运动特征应能更客观、更全面地反映旋流器内的实际情况。

王升贵等[5]学者在前人研究的基础上从以下几个方面进一步研究了旋流器内颗粒分离的随机性本质：(1)固液两相间及颗粒间的相互作用；(2)颗粒与液流的运动跟随性; (3)旋流器内颗粒粒度与浓度的分布。

研究后表明：颗粒在运动过程中因为布朗运动和惯性运动以及各种力的综合作用可能会发生碰撞或者聚合，它们的存在会影响旋流器的分离效率以及分离行为，增强分离过程的不确定性。

旋流器分离过程具有随机性，而这种随机特性取决于粒子运动的随机性。

粒子运动的随机性又源于流体对它的作用和固体边壁的作用，以及粒子间的互相作用。

虽然在旋流器内单个颗粒的运动具有随机性，但从粒群整体而言，还是遵循确定性的规律的，即粗颗粒进入底流，细颗粒进入溢流，这也正是单个颗粒随机运动后所产生的粒群整体的平均效应。

郭德等人[6]认为物料分选过程，是整个体系能量降低的过程。

从这一原理出发，不同性质的固体颗粒在重介质旋流器中将位于不同的位置，使不同性质的固体颗粒得以分离。

固体颗粒在重介质旋流器中的运动轨迹大体呈圆锥螺旋线形状，实测出的密度线验证了该结论。

齐正义[7]从颗粒在旋流器内受力的角度出发分析了重介质旋流器内部的速度场、密度场、离心系数以及浓缩度对旋流器的分选特性、结构特点进行了总结。

但他们都未考虑湍流对分选效果的影响，因而仍不足以全面和详尽地描述重介质旋流器的分选机理。

Danie等人认为尽管在重介质旋流器内存在非牛顿流变效应和湍流现象，但他们通过实验和数值分析后，得出湍流现象对重介质旋流器的影响比非牛顿流变效应更重要。

因此,湍流对重介质旋流器分选影响的分析也变得非常重要。

杨学瑜等人[8]研究了湍流对重介质旋流器分选效果的影响。

研究后认为：颗粒在重介质旋流器中分选成功与否，除了固液两相间必须存在一定的密度差外，还要求重介质旋流器内的流动必须保持稳定，并不受任何干扰和波动的影响。

而湍流正是通过剧烈的脉动和扰动，破坏了重介质旋流器的稳定性,造成分离困难，而当湍流动能大于或等于离心分离能量时，待分离颗粒之间将相互重新掺合或混掺，从而大大降低重介质旋流器的分选效果。

湍流是影响重介质旋流器分选效果的因素之一，湍流对重介质旋流器的工作产生影响，利弊兼有，较高的湍流强度将降低重介质旋流器的分选效果，同时也减少了对器壁的磨损。

3．重介质离析方面的现状重介质离析现象是指重介质在流场内密度分布不均匀，在重介质旋流器内重介质离析现象是由离心力引起的。

Hundertmark [9]早在1965年就对介质离析现象做过研究，当时他使用Fe-Si作为重介质通过γ光线层析成像技术获得了重介质旋流器的密度剖面图，得出的结论是：重介质浓度在壁面区最高。

Wood[10]曾对重介质旋流器内的介质离析现象进行了研究。

研究表明：旋流器内重介质离析现象是由离心力引起的，并且在底流口重介质浓度比在溢流口要大，且当重介质浓度较小，介质本身颗粒较大时介质离析更加明显。

大量的介质离析会降低旋流器的工作效率，这主要是由于在底流口附近重介质浓度增加导致粘性变大从而颗粒受到的阻力变大的原因。

1996年Davise等人对此研究之后也得到了同样的结论。

Galvin等人[11]通过X光线层析成像技术测量了重介质旋流器的密度剖面图后分析发现：整个浆料密度正如人们所期望的那样在底流口处沿着筒体中心轴（沿着锥角方向）增加。

但是，Galvin等人研究后表明：最高浆料密度区域不是像人们想象的那样在壁面区域而是在空气柱与壁面之间的中间区域。

Subramanian[12] 也观察到了这种现象，他用γ光线层析成像技术测量了Φ350mm的DSM型重介质旋流器的密度剖面图并由此分析后得到的。

4. 旋流器内部流场规律的研究现状重介质旋流器内部的流场性能是十分复杂的。

这种复杂性主要是由于有重介质、颗粒湍流以及在分选时密度效应引起的。

复杂的流动情况使得设计者只能依靠可以预测旋流器性能方面的经验公式进行设计。

这些经验公式主要来源于实验数据的分析包括重介质旋流器的结构参数和操作参数对分选效果的影响。

对于同样的基本参数，一批不同的实验数据就会得到不同的经验公式。

因此这样的模型也只能用在模型参数所源于的实验数据所在的范围之内。

鉴于这些缺点，所建立的数学模型很难达到理想的效果[2]。

4.1先进的流场测试技术在流场测试技术方面现在用的较多的是激光多普勒测速技术(laser Doppler velocimetry，简称LDV)、粒子图像测速技术（particle image velocimetry，简称PIV）、电阻层析成像技术(Electrical Resistance Tomography,简称ERT)、电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)、X射线层析成像技术（X-rays Tomography,简称XRT）、γ射线层析成像技术(γ-rays Tomography,简称GRT)以及粒子动态分析仪Particle Dynamics Analyser (PDA)等。

（1）激光多普勒测速技术：LDV技术是一种利用多普勒效应测量流体或气体流动方向和速度的最简单方法。

该技术利用流体中的两束交叉激光束，通过分析由运动着的微粒产生的反射光的频率特性，将频率与流体的流速相比较，便可由多普勒效应获得测量结果。

三维激光多普勒信号的光学频移分离方法，其特征是利用三种固定的光学频移分别作为三维被测速度信号的载频，散射光信号由单一光电接收器探测，三路并行的选频滤波器从光电流信号中分离出对应于三维被测速度分量的频率信号。

（2）粒子图像测速技术：PIV技术是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术。

目前出现了数字式示踪粒子流速仪( digital particle image velocimetry,简称 DPIV) 测试流场技术.该技术克服了以往流场测试中单点测量的局限性，能够进行平面二维乃至空间三维的流场测试，是一种非常有发展前景的无扰动全流场测试技术。

(3)电阻层析成像技术：ERT是PT技术中的一种，ERT适用于两相流中的液相为连续相的生产过程，如液－气泡混合过程、液固混合过程、旋涡分离过程以及化学反应过程等，对这些过程的分析研究或者在线定性/定量监测与控制等，ERT技术提供了一种高效、低成本的多维测量手段，是一种先进的高新检测技术，具有广阔的开发和应用前景。

美国的Rensselaer Polytechnic Institute的Jones等人也在从事ERT技术应用于多相流检测的研究[13] 。