基于窄通道的煤泥浮选混合药剂流动特性研究

龚鹏鹏 马纪龙 何思洋 陈文丽 王传真 朱梁

摘要：本文运用高精度黏度检测和CFD模拟，对不同药剂比和温度下混合药剂黏度及其在加药过程窄通道内出口流速进行探究：1）相同温度下，随药剂比增加，混合药剂黏度逐渐降低;2）随温度增加，当药剂比小于5：1时黏度值呈正弦变化、大于5：1时则缓下降但降幅较小;3）窄通道内药剂出口速度随黏度增大而降低。

关键词：窄通道;浮选药剂;流动特性;CFD仿真;蠕动加药

1前言

矿物加工是煤炭资源高效利用的源头技术，据最新统计数据显示，2019年我国煤炭产量近38.5亿吨[1]。浮游选煤（简称“浮选”）是煤炭清洁利用的重要技术之一[2]。基于蠕动泵的浮选自动加药装置借助蠕动泵挤压软管窄通道实现浮选过程微小流量的药剂添加[3]。然而，现场工业试验中发现，由于冬夏温差较大，在相同加药控制策略（20℃室温）下，呈现出明显加药量差异，大大限制了该加药系统的推广应用。为此，提出对捕收剂和起泡剂开展不同温度下的药剂混合黏度探索，并借助CFD仿真[4，5]探究不同黏度下药剂流速变化规律。

2研究方法

2.1实验装置与步骤

1）首先，进行药剂采集。对淮南矿区潘集选煤厂实地调研，采集了不同性质的捕获剂（柴油）2000ml和起泡剂（德国巴斯夫集团（BASF）药剂）1000ml。

2）其次，配制不同配比浮选混合药剂。

3）随后，设置不同环境温度。使用低温恒温水浴箱来设置不同的环境温度设定温度区间为0～35℃之间。

4）最后，进行黏度测定。使用高精度数显黏度计，对第3）步中不同温度下混合药剂开展黏度测定。

2.2CFD仿真设置

本研究采用基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的流体仿真技术，对不同环境温度下X型蠕动泵工作过程中，首先，构建数值模拟几何流域模型;其次，根据流体流动特征选择合理的数值模拟模型;最后，设置合理的边界条件并进行求解。

3结果与讨论

3.1实验结果

表1所示为本研究通过上述高精度黏度仪对不同药剂比（捕收剂：起泡剂）的煤泥浮选混合药剂在不同温度下的粘度测量值。从该表中能够明显看出，同一温度下随着捕收剂和起泡剂的配比增加，黏度逐渐降低，最后大致稳定在4mPa·s左右。

更进一步地，与上表对应的混合药剂黏度随温度变化趋势、随药剂比变化趋势分别见图1和图2。从图1可以很直观的得到，单一的捕收剂（1.0：0）其黏度随着温度增加其值下降较小（仅从3.77mPa·s降至3.04mPa·s）;与之不同的是，单一起泡剂（0.0：1）随着温度的增加并非线性变化而是呈现出一种正弦函数般的变化，且在10℃左右有一个黏度峰值（66.7mPa·s）。此外，从图6可以更直观的看出，在温度一定的情况下，捕收剂和起泡剂配比低于5：1时随着温度的升高，黏度总体呈下降的趋势;配比高于5：1时随着温度的升高，黏度几乎不变（稳定在4mPa·s），但单一起泡剂在10℃时出现了一个突变值（实验测得的最高值66.70mPa·s）。对于这一现象我们推测：可能是起泡剂本身粘度值随温度呈某种正态分布且当捕收剂和起泡剂比例到达一定程度（5：1左右）时，无论温度怎么改变对他们的黏度几乎没有影响。我们假设在捕收剂和起泡剂的混合液中，当捕收剂达到一定的浓度时会中和起泡剂，导致起泡剂中对决定黏度的某种物质失效而呈现出捕收剂的黏度特性。

3.2仿真结果

如上所述，采用CFD对混合药剂流动特性仿真，不同混合药剂在不同温度下的在相同边界条件时，其所对应的出口速度仿真结果汇总如表4所示。需要说明的是，表2中各速度与表1的各黏度一一对应，这里为了简洁呈现，就没有再次将黏度值列入。对比表1和表2，可以明显看出一个相似的规律，这里为了更清晰的表述该规律，以20℃为例，对比该温度下不同混合药剂比的粘度值和出口速度值，可以明显看出，随混合药剂粘度的降低（从32.2mPa.s降至3.3mPa.s），其对应的窄通道内出口速度在不断增加（从0.0699m/s增至0.1799m/s）。

4结论

本文围绕系统窄通道混合药剂流动问题，结合高精度黏度检测和CFD仿真模拟，深入探索了温度、黏度和流速间的关系，通过上述研究可得：

1）相同温度下，随捕收剂和起泡剂的药剂比增加，黏度逐渐降低;

2）随温度增加，当药剂比小于5：1时，其混合药剂黏度值呈正弦变化，即先上升至某一峰值然后再下降，随后再次小幅度增加最后再次下降;当比值大于5：1时，其混合药剂黏度变化缓慢下降但降幅较小;

3）随黏度增加，混合药剂在窄通道内的出口速度减小，这意味着，对于不同环境温度（尤其冬夏两季），需综合考虑温度、药剂比等因素来预测出口流速，进而针对性调整蠕动加药系统实现精准加药。

致谢：感谢安徽理工大学大学生创新创业训练计划项目对本次研究的经费支持。

参考文献

[1]中华人民共和国自然资源部.中國矿产资源报告2020.地质出版社， 2020：p.1.

[2]谢广元.选矿学[M].中国矿业大学出版社，2016.

[3]郑诚，邓建军，王传真，等.基于蠕动泵的浮选自动加药装置设计[J].矿业研究与开发，2019，039（003）：128-131.

[4]魏文建、常守金、丁二刚、胡海涛.不同结构风冷换热器风侧特性对比分析[J].制冷技术，2020，v.40;No.178（05）：57-61.

[5]郑鹏帅.交错叠加式微通道散热器技术研究[D].中北大学，2019.