用于重介质分离的旋流器 |
|||||||
| 申请号 | CN200780100891.6 | 申请日 | 2007-12-18 | 公开(公告)号 | CN101918143A | 公开(公告)日 | 2010-12-15 |
| 申请人 | 塔塔钢铁有限公司; | 发明人 | N·蒙加多迪; P·K·班纳吉; D·巴塔查尔吉; T·姆科赫吉; P·霍瑟姆; M·布伦南; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于重介质分离的旋流器，其包括：倒置的锥形旋流器主体(21)，其提供具有内壁表面(23)的内部空间(24)；包括下端的 旋涡 溢 流管 (25)，所述下端纵向延伸到旋流器主体(20)的内部空间的上部区域中；与旋涡溢流管(25)的上端相关的溢流出口(27)；与旋流器主体(21)的内部空间的上部区域 流体 连通的进料口(28)；与内部空间(24)的下部区域相关的出口(32)，和内部空间(24)的内壁表面(23)从内部空间(24)的上部区域(26)向内向下弯曲到内部空间(25)的下部区域(31)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于重介质分离的旋流器，其包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于重介质分离的旋流器技术领域[0001] 本发明涉及用于重介质分离的旋流器，其适用于粉煤(-2+0.25mm)组分(fraction)的重介质分离。更特别地，本发明涉及在分离过程期间使旋流器内部的紊流减到最小程度的用于重介质分离的旋流器。 背景技术[0002] 旋流器内部的泥浆流动特性相当复杂。这使设计师依赖于预测旋流器性能的经验公式。这些经验关系源于实验数据的分析并且包括操作变量和几何变量的影响。实验数据的不同集合产生用于相同基本参数的不同公式。然而，这些经验模型具有任何经验模型的固有缺陷。也就是说，模型只能在确定模型参数的实验数据范围内使用。就该缺陷来说，以流体力学为基础的数学模型非常合适。 [0003] 数值方法“计算流体动力学(CFD)”是指在旋流器主体内的结构化/非结构化三维网格上进行纳维尔-斯托克斯方程数值处理。通过RSM(雷诺应力模型)和LES(大涡流模拟)实现紊流模型化，从而获取在重介质旋流器中观察到的高旋流形态。CFD提供了在各种研究和操作条件下预测速度分布的方法。作为所有CFD方法基础的纳维尔-斯托克斯方程数值处理在80年代早期逐渐用于旋流器特性的分析。这源于当时计算机的快速发展以及对紊流数值处理的更透彻理解。 [0004] “粉煤重介质分离方法”在这里是指粉煤料在预定分离点(cutpoint)分离成重的组分和较轻比重的组分。在所述方法中，颗粒物料被携带在浓稠液体介质中，所述浓稠液体介质典型地包括水和致密物料颗粒(例如，超细磁铁矿粉)的混合物。 [0005] 目前，重介质旋流器(DMC)是用于对尺寸为-20+0.5mm的煤进行冲洗的工艺设备中最好的一种。与例如许多印度煤相关的难冲洗特征通常源于存在大量近零重力的物料(NGM)。这使DFC对于大多数印度洗矿者来说是显而易见的选择。为了从原矿(ROM)煤中产出低灰分洁净煤，有必要将ROM压碎到微细尺寸以释放出灰分和煤。对生成的中等尺寸组分的(-2+0.25mm)粉末进行分选的较为有效的方法之一是用小直径旋流器进行重介质操作。 [0006] 图1显示了现有的重介质旋流器。该传统的重介质旋流器10包括圆柱形进口腔室11，介质与原煤的混合物通过进口12沿切向进入所述进口腔室，从而形成强烈的竖直流动。残渣或高灰分颗粒由于离心力沿着旋流器的壁13运动，在壁上的速度最小并且通过底流嘴口14或砂口排出。较轻洗煤由于高速区域处的拖曳力而朝向旋流器的纵轴线15流动，并且流过溢流嘴口或旋涡溢流管16(有时也称作溢流腔室)。利用这种类型的旋流器，在作为底流排出的较粗颗粒或快沉颗粒之间的空隙内夹带有细颗粒或慢沉颗粒。由于入口流和旋转流的碰撞，旋流器内的紊流波动也变得显著。由于不适当标准入口和主体截面设计，这些旋流器与大量短路流和内部上升流的短停留时间联系在一起。处理能力和性能受到通过轴向出口的流动的限制。因此，对于许多应用来说，这类旋流器在减小的进料速度下操作，以便在低比重组分和高比重组分之间获得所需的分离点。 [0007] 我们需要开发一种用于DMC的新颖设计，以便从例如印度发现的高NGM煤中回收洁净煤灰分(＜8％)。这在可以设计出效率提高的重介质旋流器的情况下尤为有利，所述重介质旋流器能够生产出灰分减少的产物。这在可以设计出的具有有效分离细颗粒能力的重介质旋流器的情况下同样有利。 [0008] 利用综合性CFD模型已经开发出了一种用于有效煤分离(重点是-2+0.25mm的细微组分)的新颖的DMC改进设计。特别地，使用Fluent通过结合用于空气柱、用于颗粒尺寸为0.25到2mm的磁铁矿粉介质拉格朗日粒子循迹的构件模型已经发展了能够预测旋流器性能的DMC的CFD模型。这产生了如下所述的发明。 [0009] 发明目的 [0010] 因此，本发明的目的在于提供用于粉煤的重介质分离的CFD旋流器，其消除了现有技术的缺陷。 [0011] 本发明的另一目的在于提供用于粉煤的重介质分离的CFD旋流器，其能够预测旋流器的性能并且利用Fluent通过结合用于空气柱、磁铁矿粉介质和煤颗粒的构件模型得以改进。 [0012] 本发明的又一目的在于提供用于粉煤的重介质分离的CFD旋流器，其通过延长粉煤颗粒的停留时间并使旋流器内的回流区最小化而分离粉煤颗粒。 [0013] 本发明的再一目的在于提供用于粉煤的重介质分离的CFD旋流器，其使旋流器内的短路和回流区最小化。 发明内容[0014] 本发明有利地提供了改进的重介质旋流器模型，其相对于粉煤精选的传统旋流器而言具有提高的处理能力。 [0015] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于重介质分离的旋流器，包括： [0016] 旋流器主体，其限定具有内壁表面的内部空间； [0017] 包括下端的旋涡溢流管，所述下端纵向延伸到旋流器主体的内部空间的上部区域中； [0018] 与旋涡溢流管的上端相关的溢流出口； [0019] 与旋流器主体的内部空间的上部区域流体连通的进料口；和 [0020] 与内部空间的下部区域相关的出口； [0021] 其中，内部空间的内壁表面从内部空间的上部区域向内向下弯曲到内部空间的下部区域。 [0022] 根据CFD预测，在传统的重介质旋流器(如图1所示)中，在旋涡溢流管顶端附近存在非常高的紊流动能。如所预期的，从圆柱段到圆锥段的突然过渡产生向下通过旋流器主体的明显的紊流波动源。这些波动通常在顶端区域的底部附近传播非常高的紊流动能。将传统DMC的圆柱-圆锥形状改变为如前一段落所述的圆壁设计有利地减少或避免了因圆柱圆锥段相交处分离引起的紊流波动。另外，有利地，本发明设计中的处理能力高于如上所述的传统旋流器。 [0023] 另外，可以预期，圆壁设计可以明显延长微粒在旋流器内的停留时间，本领域技术人员可以认识到该旋流器为有利的。 [0024] 优选地，内部空间的内壁表面的曲率大体上沿着旋流器主体的纵向长度延伸。更特别地，在优选实施例中，内部空间的内壁表面的曲率值从旋涡溢流管的下端向内部空间的下部区域沿纵向方向连续增加。更优选地，出口与内部空间的下部区域相关。 [0025] 内壁表面的弯曲度没有特别限制，可以视情况而定。然而，在特定实施例中，内部空间的内表面的曲率从进料口紧下方位置的大约1°增大到出口处的大约20°。 [0026] 根据本发明的特定实施例，旋涡溢流管具有外表面，该外表面沿着旋流器主体的纵轴线向外向下成锥形到内部空间的上部区域。 [0027] 根据本发明该实施例的旋涡溢流管外表面的锥形程度没有特别限制。然而，优选地，旋涡溢流管的外表面以与旋流器主体的纵轴线成9°的角度向外向下成锥形。 [0028] 溢流出口可以相对于其下端根据需要进行定位，所述下端纵向延伸到旋流器主体的内部空间的上部区域内。 [0029] 通常，溢流出口优选设置在旋涡溢流管的上端上并且与旋流器主体的纵轴线对准。 [0030] 进料口可以具有任何适当的构造。然而，在优选实施例中，进料口包括渐开线管道，其围绕旋流器主体的上端的一部分圆周延伸。更特别地，渐开线管道优选地沿旋流器主体的上端的圆周水平延伸并且包括后壁，所述后壁向内弯曲并且与旋流器主体上端的内壁表面相连。 [0031] 内部空间的上部区域可以具有大体上圆筒形状，与传统旋流器中的0.67Dc相比，所述圆筒从旋流器主体的顶端延伸到1.23Dc。大体上圆筒与旋流器的内部空间更圆的内壁表面融合，从而与传统旋流器相比具有更高的处理能力。旋流器全长通常大约为3.23-3.5Dc，实际上，对于350mm的旋流器来说为1.23m。 [0032] 有利地，如上所述的改进入口设计包括旋涡溢流管的优选形状和进料口的优选形状，该设计从概念上使高比重组分到溢流口的短路最小化成为可能。而且有利地，该设计在旋流器主体的内部空间的上部区域中提供了较大的离心力。附图说明 [0033] 图1是本领域已知的DSM重介质旋流器的示意性横截面视图； [0034] 图2A和2B是根据本发明的重介质旋流器的示意性横截面视图； [0035] 图3是用于预测重介质旋流器性能的已开发的CFD模型的方法的示意图； [0036] 图4是比较现有旋流器和图2A和2B所示旋流器的预测紊流动能的图表； [0037] 图5是比较现有旋流器和图2A和2B所示旋流器的预测等密度线的图表；和[0038] 图6是比较现有旋流器和图2A和2B所示旋流器的预测性能的另一图表。 [0039] 优选实施方式 [0040] 参考图2A和2B，显示了旋流器20，其包括由旋流器主体壁22限定的旋流器主体21。旋流器主体壁22具有限定内部空间24的内壁表面23，分离过程发生在所述内部空间内。 [0041] 旋涡溢流管25延伸到旋流器主体21的内部空间24的上部区域26中。旋涡溢流管25沿轴向取向并且包括与上端相关的溢流出口27。 [0042] 设置与内部空间24的上部区域26流体连通的进料口28。进料口为渐开线式，如图2B所示，其中，进料口28的壁29为弯曲的并且与位于旋流器主体21的上端35处的内壁表面23相连。进料口28提供了用于将流体流引入内部空间26的装置，下文将对该装置进行更详细的描述。砂口30设置在内部空间24的下部区域31中并且提供用于将流体和高密度物料从旋流器主体21排出的轴向导引的出口32。可以使用标准旋流器设计准则确定下部区域31的砂口30的直径。 [0043] 旋流器主体壁22的内壁表面23大体上沿旋流器主体21的长度向内向下弯曲。内壁表面23典型地从进料口28的底部以与旋流器主体21的纵轴线33成1°到20°的连续改变的锥角向内向下弯曲到砂口30。内壁表面23的收敛圆形性质对产生通过旋流器主体21的内部空间24的适当螺旋流体流动形态以达到希望的分离度来说是重要的。 [0044] 在处理涉及微粒(例如，小于2mm)的分离时，内部空间24的上部区域26中的较小角度是重要的。人们认为在靠近内部空间24的下部区域31中的砂口30处具有接近20°的角度可以避免发生大流量波动(如果有的话)。 [0045] 因此，人们认为，与如上简要描述的传统旋流器相比，本发明的设计允许更大量的高比重组分通过出口32。 [0046] 如上所述，旋涡溢流管25大体上沿轴向延伸到旋流器主体21的内部空间24的上部区域26中。旋涡溢流管25限定将流体和夹带颗粒从旋流器排出的溢流出口27。旋涡溢流管25终止于内端34，内端34位于旋流器20的进料口28下面至少最小距离处。在位于旋流器主体21的上端35处的内壁表面23和旋涡溢流管25之间限定的内部空间24的上部区域26形成旋流器20的进料区。就旋流器20的进料区而言，从旋流器主体21的顶端延伸到刚好位于进料口28下面的位于旋流器主体21的上端35处的内壁表面23以通常6度的角度向内向下成锥形。旋涡溢流管25包括朝向其内端34向外向下成锥形的外壁36。所示的旋涡溢流管25相对于旋流器主体21的纵轴线以9°的角度向外成锥形。 [0047] 位于旋流器主体21的上端35处的内壁表面23的向内锥形部和旋涡溢流管25的内壁36的弯曲部的结合形成从进料口28向下至旋涡溢流管25的内端34的横截面积逐渐减小的进料区。这具有使流体、夹带介质和煤颗粒加速通过该区域的作用，从而增大了离心力。此外，旋涡溢流管25的外壁36相对于旋涡溢流管25的溢流出口27沿径向向外隔开适当距离。这还具有使得用于内壁表面23和旋涡溢流管25的外壁36之间流动的流体的进料区的横截面积减小的作用。 [0048] 更详细地，进料口28包括使进料穿过引入的开口和围绕旋流器主体21的上端35的一部分延伸的渐开线导管38。渐开线导管38的外壁29向内成锥形，如图所示。同样，这具有在进料位于旋流器主体21中心时使其加速的作用。 [0049] 通常，直径比d1∶d2为大约2.25。然而，应当认识到，进口管道38和相关管道开口37的尺寸和结构可以典型地根据旋流器按照传统设计准则的应用来确定。 [0050] 在使用中，包含夹带煤颗粒的流体流在压力下通过进料口28的开口37进入并且沿旋流器主体21向下朝向底流出口32成螺旋形流动。流体和夹带的煤颗粒通过进料区的加速起到减少朝向溢流出口27的短路流的作用。 [0051] 迅速回旋的流体流使较重颗粒朝向旋流器主体21的内部空间24内、靠近旋流器主体壁22的径向外部位置移动。较轻颗粒移动到内部空间24内的径向内部位置。因此，较重颗粒趋向于通过底流出口32离开旋流器。 [0052] 迅速回旋的空气柱从底流出口32通过内部空间24的中心区域朝向旋涡溢流管25向上运动，所述空气柱通过溢流出口27从旋涡溢流管排出。非常不稳定的回旋空气柱夹带较轻颗粒。 [0053] 用于重介质旋流器20的介质取决于在旋流器20内进行的实际矿物分离。对于粉煤的处理来说，典型地使用超细磁铁矿，例如95％-99％的颗粒为53微米以下。 [0054] 典型地，根据本发明的旋流器具有100mm-350mm的直径。术语“旋流器直径”是指旋流器主体21在顶壁部分的上端35处的直径。数值实验和试验工厂的旋流器典型地具有350mm的直径。 [0055] 通常，在直径为350mm的旋流器中，总长度为1.2m，等于3.5Dc。这类旋流器适合于细微颗粒分离，其中存在大量近零重力的物料，这是由于它们的中性悬浮颗粒的固有长停留时间的缘故。 [0056] 实验结果 [0057] 在这些比较实验中，DSM(荷兰国家矿业公司)旋流器与本发明的CFD重介质旋流器进行对比实验。 [0058] 直径为350mm，具有与水平面倾斜20°的角度并且使用超细重介质的虚拟实验旋流器用来进行模拟。模拟中使用的旋流器的进料压力为1到1.5m，其为旋流器直径的9到13倍。预测的旋流器的溢流和底流被记录并且用于计算产物的密度。 [0059] 在每个完成情况结束时，紊流分析在煤颗粒循迹过程之前完成，以便了解旋流器内部的流动构造和旋流形态。 [0060] 在每个实验情况已经完成之后，利用用于颗粒尺寸为0.25到2mm的拉格朗日粒子循迹方法对DMC的分配特征进行建模。根据本领域已知的方法计算分配数目。 [0061] 基本上，分配数目(或系数)是各密度组分在一或其它产物，例如旋流器底流中的颗粒平均概率的经验测量值。分配曲线描述了分配数目与颗粒密度的关系。用于重介质旋流器的分离效率通常由Ep值表示，其计算如下： [0062] Ep＝(D75-D25)/2 [0063] 其中，D75是底流中概率为75％处的密度，D25是底流中概率为25％处的密度。 [0064] 分配曲线越陡，或者Ep值越小，则分离越好。图6显示了用于实验的分配曲线。 [0065] 数值实验清楚显示了CFD旋流器的性能优于DSM旋流器。 [0066] 根据CFD预测，如图4所示，人们注意到在传统的重介质旋流器中，在旋涡溢流管顶端附近存在非常高的紊流动能。如所预期的，从圆柱段到圆锥段的突然过渡是向下通过旋流器主体的明显的紊流波动源。这些波动通常在顶端区域的底部附近传播非常大的紊流动能。将圆柱圆锥形状改变为弯曲壁设计使得由于圆柱圆锥主体相交处分离引起的紊流波动减到最小程度。此外，本发明概念性设计中的处理能力高于传统旋流器。 [0067] CFD旋流器的某些实施例还提供了高达3.25-3.5Dc的延长筒身长度，该延长部分与旋流器的圆形壁部分大部分吻合。与传统的旋流器相比，该布置提供了用于处理更高通过量的额外空间。 [0068] 同样，根据CFD旋流器的实施例，可以包括向外成锥形(9°)的厚的旋涡溢流管。利用在概念上改进的进口腔室设计，有可能使高比重组分到溢流口的短路最小化。另外，该旋涡溢流管设计提供了高离心力。 [0069] CFD预测指出，与CFD旋流器相比，磁性分离在传统的DSM旋流器中非常重要，如图5所示。与传统的DSM旋流器不同，在CFD旋流器中可以观察到几乎均匀的径向磁性分离。 因此，溢流和底流之间的低密度差如下表所示。 [0070] 表1 [0071]3 3 3 3 旋流器设计 进料密度，Kg/m 底流密度，Kg/m 进料密度，Kg/m 密度差，Kg/m DSM 1352 1762 1081 681 CFD 1350 1580 1308 272 [0072] 可以看出，CFD旋流器能够比传统的DSM设计更迅速地分离粉煤颗粒(-2+0.25mm)，参考图6。在新设计中，在使通向溢流口的短路最小化方面得到显著改善。对粉煤组分而言，CFD旋流器设计的总体性能与DSM设计相比得到显著提高。这归功于紊流波动、逆流和短路流达到最小程度。 [0073] CFD旋流器设计比DSM设计具有更低的Ep和更高的效率。效率提高对于非常细微的颗粒(0.5mm，0.25mm)来说尤为显著。CFD旋流器的溢流和底流之间的较低的密度差表示旋流器内正在发生均匀的磁铁矿粉分离。 [0074] 重介质旋流器在煤精选中起到关键作用。所用设备的分离效率的增大将避免次品中煤颗粒的损失。可以预期，CFD旋流器设计提高了旋流器效率，从而提高了洗煤厂的洁净煤产量。CFD旋流器设计的效率曲线与传统DSM设计相比可以看出分离的显著改善。同样，由于设备特别设计为分离地处理中等尺寸的煤(-2+0.25mm)，因此在洗煤厂能够降低洁净煤中的总灰分。洁净煤中将具有较低灰分和较低焦炭灰分，鼓风炉生产率相当高。 [0075] 毫无疑问，上文仅仅通过本发明的示例性实例进行了说明，对于本领域技术人员来说显而易见的是所有这种改进和变形都落入如在此描述的本发明的较宽范围内。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈