XJM-S型浮选机相似放大方法研究

张 鹏1,2

(1.天地科技股份有限公司唐山分公司,河北唐山 063012;2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心,河北唐山 063012)

摘 要:为大型高效浮选机的研制开发提供一套完整可靠的相似放大方法,根据机械搅拌式浮选机的工作特点建立对应的几何相似模型,根据模型确定浮选机的关键技术参数;以液体搅拌中均相系搅拌功率的计算为基础,结合非均相系搅拌功率的计算方法,采用“叶轮线速度恒定”和“单位体积功率恒定”2种放大准则,建立浮选机的动力相似模型,确定浮选机的主要动力参数。以XJM-S16型浮选机为计算模型,确定几何模型和动力模型中的经验常数,并以XJM-S20型浮选机的设计为例,分析比较2种方法得出,采用“叶轮线速度恒定”的设计方法能得到相同的充气量,符合浮选机对工艺过程结果的要求。

关键词:浮选机;相似放大;模型;线速度;充气量

0 引 言

浮游选煤是实现粒级＜0.5 mm煤泥分选效果最好、应用最广的方法[1],已发展了100多年。近年来,随着采煤机械化程度的不断提高,原料煤中细粒级含量增加,浮选作业显得尤为重要[2-3]。虽然机械搅拌式浮选机单槽最大容积已经发展到了90 m3,但在设计和大型化方面,仍然以经验公式为主,还未形成完善的、可靠的浮选机设计理论。目前国外的浮选机都相继提出了适合自身工艺特点的较为成熟的设计准则[4-5],如美国Wemco公司和芬兰Outokump公司等。国内浮选设备研发单位也做了很多有益的工作,如吴大为等[6]提出将单位容积循环量相等作为流体运动及动力现象的相似准数,建立了喷射式浮选机[7-8]的放大准则。杨彩云等[9]利用流体力学(CFD)计算软件根据浮选柱内气液流动[10]的特点,在气速与气含率[11-12]的径向分布一致的基础上,建立了通用的计算浮选柱内液体流动模型。程宏志等[13-14]从研究模拟放大的相似三定理出发,根据机械搅拌式浮选机的工作原理和工艺要求,结合经验公式,制定了几何相似准则、运动相似准则和动力相似准则,为浮选机的科学设计提供了理论基础。但程宏志提出的浮选机几何相似模型是建立在理想的圆柱形桶体结构基础上的,这与实际使用的槽体断面为正方形的浮选机结构尚有差距;其次建立的运动相似模型和动力相似模型仍然依靠经验公式为参考,还没有真正形成以理论为基础的科学完整的浮选机设计准则。笔者根据机械搅拌式浮选机的工艺特点,从研究液体搅拌功率出发,建立浮选机的几何相似模型和动力相似模型,以期为浮选机技术参数的优化设计和大型高效浮选机的研制开发提供一套完整可靠的相似放大方法。

1 浮选机的基本工艺要求

结构合理、性能优良的浮选设备是保证分选效果的关键。浮选过程大致可分为碰撞、吸附、升浮和泡沫层形成4个阶段,这些阶段分布在槽体的不同深度。浮选机的底部为搅拌区,除进行颗粒与气泡碰撞外,疏水性煤粒与气泡还进行有选择性黏附。中部为分离区,在完成升浮阶段时,使疏水性差、灰分高、黏附力较差的颗粒从气泡上脱落下来。上部为泡沫区,需保持足够的泡沫层厚度,一定厚度的泡沫层能实现良好的二次富集作用,是高效分选的前提和保障。机械搅拌式浮选机的研制和开发必须满足以下3个基本要求:一是搅拌区能产生适宜的搅拌强度,以保证气、液、固三相在槽体内高概率地有效碰撞和均匀分布;二是分离区流态稳定,以保证矿化气泡平稳上升,粗颗粒和可浮性差的颗粒不致脱落;三是泡沫区能形成稳定三相泡沫层,在良好的二次富集作用下能提高煤泥分选选择性。

2 几何条件相似

几何条件相似是指浮选机中各主要部件的几何形状和大小相似。流体力学中根据液体涡流程度的大小将液体的流态区分为湍流状态和层流状态[15],由浮选机的工作特性分析,可将搅拌区视为湍流状态,分离区视为层流状态。浮选机的结构类似于液体搅拌装置,属于液体搅拌范畴,故其一些几何特征和运动特征符合液体搅拌的特性,但与一般的液体搅拌又有不同之处。将浮选机槽体高度方向上的搅拌区看作液体搅拌,分离区和泡沫区为不变量,通常认为,定子盖板上端附近为搅拌区和分离区的分界区,具体过程区域划分如图1所示。

因此,可建立机械搅拌式浮选机的几何相似模型

式中,d为叶轮直径,m;l为正方形槽体边长,m;h为槽体有效深度,m;h1为分离区和泡沫区的高度之和,视为定值,搅拌区高度为k2d;V为槽体体积,m3;常数k1、k2以XJM-S16型浮选机为模型测量计算获得,代入式(1),有

3 运动条件相似

3.1 搅拌功率的量纲分析法

对于液体搅拌过程,其特征关联式一般可采用相似理论和量纲分析[16]的方法得到。为了研究方便,可假定叶轮、槽体的几何参数均与搅拌器直径有一定的比例关系,并将这些比值称为形状因子。对于特定尺寸的系统,形状因子一般为定值,故几何参数仅考虑搅拌器直径即可。浆的操作参数主要指搅拌器的转速。物性参数主要指被搅拌流体的密度和黏度。当流体打旋时,重力加速度g也会对搅拌功率产生影响。因此搅拌功率与各变量之间的关系可表示为

式(3)表示成指数的形式,即

式中,N为均相系搅拌功率,W;K为量纲,与系统的几何形状有关;n为搅拌转速,r/s;ρ为流体的密度,常数,kg/m3;μ为流体的黏度,Pa·s;a1～a5为待定常数。

对式(4)进行量纲分析得

令x=-a4,y=-a5,则上式可变为

令称为功率特征数;称为搅拌雷诺数,表示流体惯性力与黏滞力之比,用以衡量流体的流动状态;称为弗劳德数,表示流体惯性力与重力之比,用以衡量重力的影响。因此式(7)可写成

从量纲分析法得到搅拌功率特征数关联式后,搅拌功率的计算问题可根据各流动范围内具体经验公式或Rushton图算法解决。

3.2 搅拌功率的计算

搅拌器内液体运动的能量来自叶轮,叶轮功率消耗的大小是槽内液体搅拌程度和运动状态的度量。搅拌功率计算的目的有2个:一是了解搅拌器对被搅拌介质提供功率的大小,以满足搅拌工艺的要求,并选择合适的电机;二是为搅拌器强度的计算提供设计依据,以保证叶轮、搅拌轴的强度。关于搅拌功率计算的经验公式很多,研究最多的是均相系,并以其作为基础进行非均相系搅拌功率的计算。

3.2.1 均相系搅拌功率的计算

在液体搅拌湍流区,雷诺数Re＞104,浮选机为了抑制打旋的发生,一般采用整流板条件,重力的影响可忽略不计,即不考虑弗劳德数Fr对搅拌功率的影响。在此区域内,流体的速度很高,惯性力很大,流体的黏滞力对搅拌器功率的影响甚微,即雷诺数Re也可忽略不计,故式(8)有

3.2.2 气-液相系搅拌功率的计算

向液体通入气体并进行搅拌时,由于气泡的存在而使液体的表观密度降低,且搅拌器叶片和气泡相撞时的阻力也比均相系液体相撞时要低,因此通气搅拌功率Ng要比均相系液体的搅拌功率N低。Ng/N的数值通常取决于通气系数Na的大小,通气系数Na为常数,Na可按下式计算

式中,Qg为通气速率,m3/s。

通常情况下Na越小,气泡在搅拌器内越容易分散均匀,结合浮选机的工艺要求,Ng/N数值在0.6以上时,Na是比较合理的。

4 工艺过程结果的相似放大准则

对于工艺过程结果的放大,完全按照相似条件的要求去做是不可能的,因此需要在试验或经验判断的基础上选取最重要的工艺参数,使该参数在放大过程中保持不变,称为放大准则。根据浮选机的结构特点结合其工作原理,放大后的设备需与原设备保持相同的充气量,才能取得相似的工艺过程结果,通常可按下述2种放大方法进行:①保持叶轮线速度ul=πdn不变,即dn=常数;②保持单位液体体积的搅拌功率 N/V不变,即 N/V=常数,而 N=Npρn3d5,其中Np为常数,则n3d5/V=常数。

综合以上内容可建立机械搅拌式浮选机的动力相似模型

式中,ρ取1.03 kg/m3;Np、Na和常数 k3～k5同样可根据XJM-S16浮选机模型计算获得,则上述动力相似模型为

5 相似放大准则的应用

根据浮选机的工作特点建立了几何相似模型和动力相似模型,其中的常数由XJM-S16型浮选机测量计算获得。在XJM-S20型浮选机的设计中,采用“叶轮线速度恒定”和“单位体积功率恒定”2种工艺过程结果的放大方法,设计结果见表1。

由表1可知,采用“单位体积功率恒定”确定的叶轮转速较高,相应搅拌功率较高,故充气量也较大;采用“叶轮线速度恒定”得到的叶轮转速较低,相应搅拌功率也较低,但平均充气量却与XJM-S16模型相同,而浮选机按工艺过程放大的结果就是要求对应的充气量相同,因此,从设计的合理性和经济角度来讲,采用“叶轮线速度恒定”的设计方法优于采用“单位体积功率恒定”的设计方法。

从分析平均充气量入手,

因此,当保持“叶轮线速度恒定”的方法进行放大时,浮选机可得到相同的充气量,工艺过程结果保持相同。

而d/l=0.237,当叶轮线速度恒定时,dn=常数

因此式(13)有

6 结 论

1)从分析XJM-S型机械搅拌式浮选机的工作特点入手,建立对应的几何相似模型,根据模型不但能得到叶轮直径、槽体边长和槽体深度等外部结构参数,还能进一步求出叶轮浸没深度等内部关键技术参数。

2)以均相系搅拌功率的计算为基础,结合非均相系搅拌功率的计算方法,采用“叶轮线速度恒定”和“单位体积功率恒定”2种放大准则,建立浮选机的动力相似模型。以XJM-S20型浮选机的设计为例,比较2种设计方法结果和研究平均充气量公式得出,采用保持“叶轮线速度恒定”的设计方法,符合浮选机的工艺过程结果要求,且能达到降低功率、节省能耗的效果。浮选机相似放大方法的建立,优化了浮选机的结构参数,简化了浮选机的设计方法,为以后大型浮选机的开发提供了重要的理论基础和设计依据。

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Similar amplification method of XJM-S flotation machine

ZHANG Peng1,2

(1.Tangshan Branch,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Tangshan 063012,China;2.Coal Separation Engineering&Technology Research Center of Hebei Province,Tangshan 063012,China)

Abstract:In order to improve the research and development efficiency of large flotation,a similar amplification method was needed.A geometric similarity model was established in this paper based on the working characteristics of mechanical flotation machine,the key technical parameters of flotation machine were determined according to the model.Based on the calculation of stirring in liquid mixing,two amplification criteria were adopted which were linear speed constant and constant unit volume power constant,a dynamic similarity model of flotation machine was established.The main dynamic parameters of flotation machine were determined.Taking XJM-S16 flotation machine as calculation model,the empirical constants in the geometric model and dynamic model were determined.A XJM-S20 flotation machine was designed by the two methods.The results showed that,the linear speed constant method could get the same aeration rate.It was a better choice for flotation design.

Key words:flotation machine;similar amplification;model;linear speed;aeration rate

中图分类号:TD456

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2016)04-0073-04

收稿日期:2016-02-01;责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.04.016

基金项目:河北省重大科技成果转化专项资助项目(16044104Z)

作者简介:张 鹏(1978—),男,河北唐山人,副研究员,硕士,主要从事浮选机的设计、研发工作。E-mail:zpp525@163.com

引用格式:张 鹏.XJM-S型浮选机相似放大方法研究[J].洁净煤技术,2016,22(4):73-76,83.ZHANG Peng.Similar amplification method of XJM-S flotation machine[J].Clean Coal Technology,2016,22(4):73-76,83.