专利名称：用于重介质分离的旋流器的制作方法
技术领域：
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：
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。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。“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。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。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。
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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。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。发明目的因此，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。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。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。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
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。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，包括旋流器主体，其限定具有内壁表面的内部空间；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；与旋涡溢流管的上端相关的溢流出口 ；与旋流器主体的内部空间的上部区域流体连通的进料口 ；和与内部空间的下部区域相关的出口；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。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。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。
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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。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°。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。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。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。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。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。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。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。
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；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；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；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；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。优选实施方式参考图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。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。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
6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。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。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)。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。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。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。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。通常，直径比dl 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。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。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。
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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。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。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。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。实验结果在这些比较实验中，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。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。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。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。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Ep = (D75-D25) /2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。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。数值实验清楚显示了 CFD旋流器的性能优于DSM旋流器。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。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。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。
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勻的径向磁性分离。 因此，溢流和底流之间的低密度差如下表所示。表 1
旋流器设计进料密度，Kg/m3底流密度，Kg/m3进料密度，Kg/m3密度差，Kg/m3DSM135217621081681CFD135015801308272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。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勻的磁铁矿粉分离。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。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。
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权利要求
一种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所述旋流器主体(21)的所述内部空间的上部区域中；与所述旋涡溢流管(25)的上端相关的溢流出口(27)；与所述旋流器主体(21)的所述内部空间的所述上部区域流体连通的进料口(28)；与所述内部空间(24)的下部区域相关的出口(32)；和所述内部空间(24)的内壁表面(23)，其从所述内部空间(24)的上部区域(26)向内向下弯曲到所述内部空间(24)的下部区域(31)。
2.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述内部空间(24)的所述内壁表面(23)的曲率 值沿纵向方向从所述旋涡溢流管(25)的下端向所述内部空间(24)的所述下部区域连续增 加。
3.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述内部空间(24)的所述内壁表面(23)的曲率 值沿纵向方向从紧位于所述进料口(28)下面的位置向与所述内部空间(24)的所述下部区 域相关的所述出口(32)连续增加。
4.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述内部空间(24)的所述内壁表面(23)的曲率 值从紧位于所述进料口(28)下面位置处的大约1°增加到所述出口(32)处的大约20°。
5.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述旋涡溢流管(25)设置有外表面(36)，所述 外表面(36)沿所述旋流器主体(21)的纵轴线向外成锥形到所述内部空间的所述上部区域 (26)内。
6.如权利要求5所述的旋流器，其中，所述旋涡溢流管(25)的所述外表面(36)以与所 述旋流器主体(21)的纵轴线(33)成9°的角度向外向下成锥形。
7.如权利要求6所述的旋流器，其中，所述溢流出口(27)设置在所述旋涡溢流管(25) 的上端(35)上并且与所述旋流器主体(21)的所述纵轴线(33)对准。
8.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述进料口(28)包括渐开线管道(38)，所述渐 开线管道(38)围绕所述旋流器主体(21)的上端(35)的一部分圆周延伸。
9.如权利要求8所述的旋流器，其中，所述渐开线管道(38)沿旋流器主体(21)的所述 上端(35)的圆周水平延伸并且包括后壁(29)，所述后壁向内弯曲并且与旋流器主体(21) 的上端(35)的内壁表面相连。
10.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述内部空间(26)的所述上部区域(35)为大 体上圆筒形状，所述圆筒从所述旋流器主体(21)的顶端延伸到1. 23Dc并且与所述旋流器 主体(21)的所述内部空间(24)的弯曲的所述内壁表面(23)融合。
11.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述圆筒的直径是指所述旋流器主体(21)的上 端部分的所述上端(35)的直径，该直径在100mm-350mm的范围内。
12.如权利要求1所述的旋流器，其中，总长度在1.2m到1. 5m的范围内。
13.如权利要求1所述的旋流器，其中，所述进料口(28)的直径与所述渐开线管道 (38)的直径比可以为2. 25到2. 50。
14.如权利要求1所述的旋流器，其中，迅速回旋的空气柱从所述底流出口(32)向上通 过所述内部空间(24)的中心区域朝向所述旋涡溢流管(25)流动，所述空气柱通过所述溢流出口(27)从所述旋涡溢流管排出。
15.如权利要求1所述的旋流器，其中，用于重介质旋流器的介质取决于95%-99%的 颗粒为53微米以下的实际矿物分离。
16.一种操作旋流器的方法，其包括使含有夹带的煤颗粒的流体流在压力下通过进口(28)的开口(37)流入；沿旋流器主体(21)朝向出口(32)成螺旋形向下流动；和使流体和夹带的煤颗粒加速流过进料区，从而减少导引到溢流出口(27)的短路流。
17.如权利要求16所述的操作旋流器的方法，其中流体的迅速回旋流使较重颗粒朝向 所述旋流器主体(21)的内部空间(24)内靠近所述旋流器主体的壁(22)的径向外部位置 运动，较轻颗粒运动到所述内部空间(24)内的径向内部位置，从而使较重颗粒趋向于通过 底流出口(32)离开所述旋流器。
18.如权利要求16所述的操作旋流器的方法，其中，迅速回旋的空气柱从所述底流出 口(32)向上通过所述内部空间(24)的中心区域朝向所述旋涡溢流管(25)运动，所述空气 柱通过所述溢流出口(27)从所述旋涡溢流管排出，并且非常不稳定的回旋空气柱夹带较 轻颗粒。
19.如大体上参考附图在此所描述和示出的操作旋流器的方法。
20.如大体上参考附图在此所描述和示出的用于重介质分离的旋流器。
全文摘要
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)。
文档编号B04C5/14GK101918143SQ200780100891
公开日2010年12月15日 申请日期2007年12月18日 优先权日2007年8月16日
发明者D·巴塔查尔吉, M·布伦南, N·蒙加多迪, P·K·班纳吉, P·霍瑟姆, T·姆科赫吉 申请人:塔塔钢铁有限公司