射流调浆法研究应用现状及展望_徐宏祥.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0560前言浮选是煤炭分选的一种有效方法。近年来，随着我国采煤机械化和自动化程度的日益提高，矿石在进入浮选前往往呈现出细粒或微细粒的状态，这将影响分选效果。而调浆的主要任务是在紊流环境下实现矿物颗粒的充分分散，使其与药物充分作用。因此，浮选前的调浆是一个不可忽视的作业段。调浆的常用方法有机械搅拌法、射流混合法、雾化法等。射流调浆法通过射流器的卷吸效应，在高速流动的条件下将药剂和矿浆混合，以达到调浆的目的。由于射流器原理和机械结构简单，混药效率高，对流体的卷吸混合较为充分等优点。近年来在调浆领域逐渐得到了重视、研究和应用，很多专家和学者对射流器结构参数对卷吸效率的影响、机理和相关设备进行了研究。1射流器结构参数对卷吸效率的影响射流器的原理简单，结构参数较少。射流器结构图如图1所示，主要由入料管、引射管、喉管和扩散*中国博士后科学基金资助（2020M673551XB）射流调浆法研究应用现状及展望*徐宏祥1，2，于鹏1，田汉1，尹亚男1，2，邓久帅1，左康会2，叶天翔1，汪竞争1（1.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083；2.山东萱源科学工程产业技术研究院有限公司，山东 菏泽274990）摘要：调浆作为保证浮选过程高效实施的前置环节，可以起到调节矿浆酸碱度或对药剂抑制、活化、捕收等作用，近年来得到了很多学者的重视和研究。射流调浆法作为调浆的一种重要方法，其卷吸效率受射流器结构参数影响较大。除此之外，目前也有许多对射流调浆法的机理和设备的研究。分析表明，射流器喷嘴形状、喷嘴数量、面积比、吸入口角度、喉管长度和引射口位置等结构参数对射流器卷吸效率均有影响，设计射流器时应综合考虑各结构参数，以达到最优的设计效果。同时，虽然目前对射流调浆法结构参数相关研究已经比较详尽，但是机理和相关设备的研究还不是很完善，还有很大的提升空间。关键词：调浆；射流；卷吸效率；射流结构参数中图分类号：TD94文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 229 04Current Situation and Prospect of Research and Application of JetPulp-mixing MethodXU Hongxiang1，2，YU Peng1，TIAN Han1，YIN Yanan1，2，DENG Jiushuai1，ZUO Kanghui2，YE Tianxiang1，WANG Jingzheng1(1.School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing100083,China；2.Shandong Xuanyuan Science and Engineering Industry Technology Research Institute Co.,Ltd.,Heze,274990,China)Abstract:As a pre-link to ensure the efficient implementation of the flotation process,pulp-mixingcan play a role in adjusting the pH of the pulp or inhibiting,activating,and collecting chemicals.Inrecent years,it has received attention and research by relevant scholars.As an important method ofpulp-mixing,the jet pulp-mixing method,in which the structural parameters of the jet have a greatinfluence on its entrainment effect.In addition,there are many studies on the mechanism andequipment of the jet pulp-mixing method.The analysis shows that the structural parameters such as theshape of the ejector nozzle,the number of nozzles,the area ratio,the angle of the suction port,thelength of the throat and the position of the ejection port all have an impact on the entrainmentefficiency of the ejector,in order to achieve the best design effect.At the same time,although thecurrent research on the structural parameters of the jet pulp-mixing method and its mechanism hasbeen relatively detailed,the research on related equipment is not very complete,and there is still a lotof room for improvement.Key words:pulp-mixing；jet-flow；entrainment efficiency；jet structure parameters229第42卷第02期射流调浆法研究应用现状及展望徐宏祥，等Vol.42 No.02管组成。图1中Dz为喷嘴截面直径、Dh为喉管截面直径、为喷嘴收敛角、Le为喷嘴和喉管之间的距离、Dh/Dz为面积比。已有许多研究者就射流装置结构参数对卷吸效率的影响开展研究。图1射流器结构图1.入料管2.引射管3.喉管4.扩散管5.喷嘴1.1喷嘴形状对卷吸效率的影响射流器的工作原理决定了喷嘴的形状将直接影响射流的形状、扩散特性和流场特点。Gutmark E J等人研究发现在相同喷嘴面积的条件下，非圆形的喷嘴比圆形喷嘴卷吸周围流体的能力更强。这是因为在相同条件下非圆形喷嘴的周长比圆形喷嘴更大，与其外围流体的接触面积也更大。陈东林等利用PIV技术研究了菱形出口孔板和圆形孔板射流流场，得到平均速度云图。发现在xz平面内，菱形射流的水平轴向距离与喷嘴直径的比值在0.41.0内快速收缩，比值大于2.0后缓慢扩散，而圆形射流在整个扩散过程中呈现缓慢扩散状态，且扩散速度较菱形射流更慢。菱形射流的势流核长度短于圆形射流的势流核长度。此外，他们对比了菱形射流与圆形射流的平均速度场和脉动速度场，得出结论菱形射流在衰减速度、速度半宽值、湍流强度方面均强于圆形射流，因此具有更强的卷吸周围流体的能力。禹言芳等利用ANSYS Fluent软件模拟了圆、椭圆、正方形、十字形和三角形共5种喷嘴的卷吸特性，通过对比分析不同喷嘴流场的轴向射流均速度、射流卷吸率，发现在相同射流出口速度下，三角形喷嘴的轴向速度最大，十字形喷嘴的轴向速度最小，且三角形的喷嘴轴向速度是十字形的3.023.15倍。其余3种形状喷嘴轴向速度差异较小。相应地，卷吸速率最大的三角形喷嘴是十字形喷嘴的1.922.32倍。MadjidBirouk等人则是研究了不同形状喷嘴在流速突变情况下的卷吸特性。发现与轴对称喷嘴相比，非对称喷嘴受突变的影响更大，其中三角形受突变的影响最大。而当进入喷嘴的流体流速不发生突变时，三角形喷嘴对吸入流体具有最高的夹带率和最高的喷出后扩散速率，并且其工作时轴向速度最大。当进入喷嘴的流体流速突然发生改变时，矩形喷嘴具有最高的夹带率，而圆形喷嘴受工作流体流速变化的影响最小。上述研究表明，当工作流体流速不变时，三角形或菱形喷嘴凭借其更短的势流核、更大的速度半宽值、更高的湍流强度能够达到更高的卷吸效率。而当工作流体流速经常发生突变时，采用圆形喷嘴最为适合，因为圆形喷嘴的稳定性最好。1.2喷嘴数量对卷吸效率的影响射流调浆时除了只采用单一射流器外，还常常引入多个射流器的引射方式。与单一射流器相比，多个射流器的相对实际搅拌效果更好一些。肖洋等人利用PIV技术测定了相同条件下单孔、2孔和4孔射流的速度场和流场，发现多个射流器的第1个射流迎流面卷吸强度要明显高于只用1个射流器时的情况。但是从第2个射流迎流面的卷吸能力和强度均减弱。并且4孔射流的流场优于2孔射流的情况。BT Kannan课题组发现在多个射流混合的近喷嘴区域有明显的非线性行为（速度衰减和喷流扩散），显现出较高的夹带量和较高的湍流强度，使得整体性能低于单孔射流的数量累积却又明显高于单孔射流作用。不同数目射流管3个参数的总结如表1所示。通过表1可以看出，4孔和5孔射流的性能最好且参数相近。多个射流主要是在中心线上显示出较强的吸力，在近喷嘴出口处湍流动能和对周围流体的夹带量最大。同时多个射流喷嘴的流场也受喷嘴形状的影响。表1不同数目射流管3个参数的总结通过上述研究发现，多个射流器与单个射流器相比拥有更高的湍流强度和卷吸效率。4孔射流和5孔射流在相同条件下性能最优并且参数差距很小。所以在流量足够大时，采用4孔射流的方式能简单有效地提高射流的整体性能和卷吸效率。1.3面积比对卷吸效率的影响面积比指喉管截面积与喷嘴出口截面积之比，是影响射流管卷吸混合效率最主要的结构参数之一。邱白晶等人利用Fluent软件对射流混药装置进行了数值模拟计算。模拟结果表明：喷嘴直径越小，系统阻力越小，更容易处于吸药状态；喷嘴直径过大时易形成回流状态；随着面积比的增大，射流核心区的长度和流束呈现出先缓后急的减小趋势。射流管数目12345衰变常数0.1950.1850.1880.1940.196扩展速率常数0.1100.1020.1040.1070.109夹带率/%30.632.333.533.133.512345Lem230第42卷第02期Vol.42 No.02射流调浆法研究应用现状及展望徐宏祥，等面积比对射流的影响相较于喉嘴距更为显著。通过数值模拟发现，面积比在2.564.00，随着面积比的增大，最小混合距离下降，但它的下降会受到混药效率的制约，面积比为3.06的系统射流混药性能明显高于面积比为2.56和4.00的系统。面积比作为影响射流装置效率的重要结构参数，过小或过大都将可能引起回流现象。综合考虑在使用射流混和装置中，面积比应选取在2.564.00。1.4其他结构参数对卷吸效率的影响除了上述结构参数外，吸入口角度、喉管长度和引射管位置也对射流器的卷吸效率有着一定影响，反映在密度比、压力比、流量比和吸入效率的变化。杨友胜等人将射流过程的能量损失分为特征能量损失和气蚀能量损失，研究喷嘴参数和进出口条件对射流过程能量损失的影响。经试验发现，喷嘴的能量损失系数不受进口条件的影响，且喷嘴内壁轮廓越接近流线型，喷嘴能量损失越小。而气蚀能量损失系数随着进口射流功率的增大而增大并趋于某一常数，且随着喷嘴内壁轮廓趋于流线型而减小。实际加工中，吸入口往往会采用趋于流线型的圆锥形并选择合适的吸入口收敛角。当入射角为60时，喷嘴在核心区域具有小于入射角为30时的速度，核心区动力压力小于30时。当吸入角等于13时射流轴向速度最大，动力压力最大，射流卷吸效率最高。周伟通过PIV流场数值模拟和试验发现，射流管卷吸流体的能力随着喉管长度的增加而增加。喷嘴出口直径为10 mm时，喉管长度增加至140 mm后卷吸效率不再变化。综合考