張智亮

(西南石油大學(xué)，四川成都610500)

選礦廢水是選礦工藝排水、尾礦池溢流水和礦場(chǎng)排水的統(tǒng)稱(chēng)，大量存在于煤礦、銅礦等礦山企業(yè)。選礦廢水水量大，懸浮物含量高，含有害物質(zhì)種類(lèi)較多且濃度較低。每噸礦石選礦用水量為5～10 t。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)水平的不斷提高，選礦廢水的排量越來(lái)越大，如果不能得以有效處理，這些選礦廢水就會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，危害水產(chǎn)行業(yè)和植物生長(zhǎng)及人體健康。新型氣旋浮裝置是在結(jié)合充氣式水力旋流器和氣浮式水力旋流器的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，國(guó)內(nèi)研究較少，到目前為止僅西南石油大學(xué)省部共建“石油天然氣裝備”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在研究，該裝置應(yīng)用廣泛，能夠在石油、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。作者對(duì)新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過(guò)程的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

1 新型氣旋浮裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1983年，MILLER等設(shè)計(jì)了第一臺(tái)用于油水分離的充氣式水力旋流器［1］，1996年，余仁煥［2］設(shè)計(jì)了一臺(tái)頂部進(jìn)料的充氣式油水分離水力旋流器，其原理與MILLER等設(shè)計(jì)的旋流器的原理是基本一致的，只是在進(jìn)料、溢流等方式上有所改變。

為了進(jìn)一步提高分離效率，2002年，沈自求等［3］設(shè)計(jì)了一種氣浮式水力旋流器。在該系統(tǒng)中，將壓縮空氣注入溶氣罐，然后油水混合物由溶氣罐進(jìn)入水力旋流器進(jìn)行油水分離。水力旋流器采用雙錐結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有溢流管，底流通過(guò)底部尾管流出，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，排出水滿(mǎn)足廢水排放的要求，主要用于環(huán)保與污水回用。但以上兩種旋流器只能分離尺寸較大的顆粒，對(duì)于尺寸較小的顆粒則不能較好地完成分離，新型氣旋浮裝置就是針對(duì)這一缺點(diǎn)而產(chǎn)生的［4］。

新型氣旋浮裝置，是將漩流和氣浮二者有機(jī)結(jié)合在一起的分離裝置。其主要部件為導(dǎo)流葉片、繞流柱、立式容器罐、上部排氣管、切向進(jìn)液管、下部出水管。實(shí)驗(yàn)用2 m3/h氣旋浮裝置結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用2 m3/h氣旋浮裝置結(jié)構(gòu)外形

其典型流程為:選礦廢水－三相分離器－氣旋浮(兩級(jí)串聯(lián))。

新型氣旋浮裝置主要特點(diǎn):

(1)分離效率高，停留時(shí)間短;

(2)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需更換保養(yǎng);

(3)體積和質(zhì)量只是常規(guī)分離設(shè)備的1/3;

(4)根據(jù)不同水質(zhì)可提供小尺寸試驗(yàn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得最佳運(yùn)行參數(shù)，因此針對(duì)性強(qiáng);

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造難度小。

2 新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過(guò)程的流場(chǎng)仿真分析

2.1 氣旋浮流場(chǎng)分析軟件

新型氣旋浮裝置選礦廢水處理過(guò)程的流場(chǎng)仿真分析屬于三相分析，即氣－廢水－水。本流場(chǎng)仿真分析采用目前國(guó)際上應(yīng)用極為廣泛的商用流場(chǎng)分析軟件——Fluent 6.3.26和Gambit 2.3.16兩個(gè)軟件。采用帶旋流修正k－ε模型。

2.2 網(wǎng)格劃分和定義邊界條件

在使用商用CFD軟件的過(guò)程中，大約有80%的時(shí)間是花費(fèi)在網(wǎng)格劃分上的，可以說(shuō)網(wǎng)格劃分能力的高低是決定工作效率的主要因素之一。該模型對(duì)網(wǎng)格要求比較嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)比較，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格較為適宜。將氣旋浮裝置分解為四大部分即:2個(gè)出流口、1個(gè)進(jìn)流口和圓柱段。選擇混合網(wǎng)格單元體分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后再合成，如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)為697 856個(gè)。進(jìn)流口定義為質(zhì)量流動(dòng)入口，即氣、廢水、水三相以一定的質(zhì)量流量沿切向進(jìn)入氣旋浮;溢流口和底流口分別定義為壓力輸出;定義氣旋浮所有的管壁為靜止的No-Slip-Wall，與其接觸的流體的相對(duì)速度為零，而且認(rèn)為與周邊沒(méi)有物質(zhì)和能量的交換。

圖2 氣旋浮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分

2.3 流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

整個(gè)計(jì)算過(guò)程大概需要二十幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件配置不同而異。計(jì)算過(guò)程中的殘差收斂曲線如圖3所示，各逼近余數(shù)曲線呈下降狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到1×10－4值時(shí)，計(jì)算趨于穩(wěn)定收斂，殘差曲線基本趨于水平的直線，計(jì)算結(jié)果達(dá)到了很好的精度。這時(shí)流場(chǎng)基本趨于“定長(zhǎng)”，即流場(chǎng)中各參數(shù)的模擬結(jié)果基本上不再隨著計(jì)算迭代步數(shù)的增加而改變，即可認(rèn)為運(yùn)算結(jié)束。

圖3 流場(chǎng)模擬計(jì)算過(guò)程中的殘差收斂曲線

2.3.1 流體軌跡

圖4為氣旋浮內(nèi)的流線軌跡圖，可以清楚看到:從入口處流入的選礦廢水在氣旋浮裝置內(nèi)腔上部沿側(cè)面快速切向進(jìn)入氣旋浮腔內(nèi)以產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，這樣就會(huì)使密度較小且揮發(fā)性較強(qiáng)的懸浮有機(jī)物旋流成微小顆粒，與空氣充分接觸;同時(shí)，在氣旋浮軸線中心部分形成一個(gè)向上運(yùn)動(dòng)的內(nèi)旋渦，懸浮物通過(guò)氣體的作用向這個(gè)內(nèi)漩渦的部位運(yùn)動(dòng)，從氣旋浮裝置上面的溢流口排出;而密度較大的水相在進(jìn)入裝置之后，由于受到旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的作用，沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，形成外旋渦流場(chǎng)，在到達(dá)氣旋浮裝置器壁之后沿著器壁向下運(yùn)動(dòng)，最后在底流口排出，通過(guò)這樣的措施，達(dá)到廢水分離的目的［5］。

圖4 氣旋浮內(nèi)的流線軌跡圖

2.3.2 速度場(chǎng)的分布規(guī)律

從圖5和圖6可以看出:當(dāng)選礦廢水進(jìn)入氣旋浮腔內(nèi)形成漩渦，就會(huì)形成各種壓力區(qū)，在氣旋浮邊壁處形成高壓區(qū)，且壓力最高;而靠近軸線中心部位形成低壓區(qū)。在流體旋轉(zhuǎn)邊界，沿任何微小元體速度環(huán)量均為零，即旋轉(zhuǎn)流體在此區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)為無(wú)旋流動(dòng)，即勢(shì)流流體微團(tuán)只沿曲線移動(dòng)，而沒(méi)有繞本身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此稱(chēng)這一區(qū)域?yàn)閯?shì)流旋轉(zhuǎn)區(qū)，是沒(méi)有外界能量補(bǔ)充的渦流運(yùn)動(dòng)，即流體力學(xué)中的自由渦。由圖6可以看出，在貼近邊壁地方，流體速度為0，隨著到邊壁的距離變大，流體切向速度迅速變大，達(dá)到最大值后又快速變小。

圖5 氣旋浮內(nèi)混合相等速度分布云圖

圖6 切向速度分布圖

2.3.3 分離性能

采用分離效率的高低來(lái)衡量氣旋浮的分離性能。而影響分離效率的因素很多，下面以分流比這個(gè)重要參數(shù)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

分流比F直接影響旋流器的分離效率，反映了氣旋浮裝置溢流口和底流口之間流量的分配關(guān)系，在選礦廢水懸浮有機(jī)物濃度一定的情況下，氣旋浮裝置存在著一個(gè)最優(yōu)的分流比范圍。根據(jù)前面所述，設(shè)置懸浮有機(jī)物占入口質(zhì)量流量比的5%，水占入口質(zhì)量流量比的93%，氣占入口處質(zhì)量流量比2%，入口流量為0.45 kg/s的條件下，得到如圖7所示的分流比－效率的關(guān)系曲線。從圖7可以看出:隨著分流比的不斷增大，分離效率也在不斷地增高，當(dāng)分流比穩(wěn)定在12%～14%這個(gè)范圍內(nèi)，氣旋浮裝置的分離效率就基本達(dá)到了90%。如果分流比再增加，分離效率基本保持不變，但存在局部小幅度下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槿绻至鞅冗^(guò)大，氣旋浮裝置就不能承受廢水的處理，會(huì)改變氣旋浮裝置內(nèi)部流場(chǎng)的特性，大量的廢水就會(huì)未經(jīng)過(guò)處理直接從溢流口排除，導(dǎo)致分離效率下降。因此，可以得出結(jié)論，存在著一個(gè)氣旋浮裝置的最佳工作區(qū)間，這個(gè)工作區(qū)間內(nèi)相應(yīng)的分流比就是氣旋浮裝置的最佳分流比。

圖7 氣旋浮分流比與分離效率的關(guān)系

3 試驗(yàn)效果及開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值

3.1 試驗(yàn)效果

將此新型氣旋浮裝置應(yīng)用于四川一大型煤礦的選礦廢水處理中，通過(guò)多次試驗(yàn)檢測(cè)，該流場(chǎng)仿真分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。因此，采用流體分析軟件技術(shù)來(lái)研究氣旋浮在選礦廢水處理中的流場(chǎng)規(guī)律是可行的。同時(shí)，經(jīng)過(guò)氣旋浮兩級(jí)串聯(lián)處理后水質(zhì)如圖8所示，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，水質(zhì)完全達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 氣旋浮兩級(jí)串聯(lián)處理后水質(zhì)

3.2 新應(yīng)用開(kāi)發(fā)方向的實(shí)際意義

氣旋浮裝置除了可以應(yīng)用于選礦廢水外，還能夠應(yīng)用于礦山的其他方面，以選煤廠為例，探討其開(kāi)發(fā)應(yīng)用的價(jià)值。

(1)對(duì)于無(wú)浮選的中小型重介選煤廠，氣旋浮技術(shù)可以作為多功能一體機(jī)來(lái)進(jìn)行應(yīng)用，主要可以取得兩方面的突出效果，第一可以較好地回收經(jīng)重介分選過(guò)的低灰粗顆粒精煤，第二可以降低細(xì)粒煤的分選成本。

(2)氣旋浮裝置可以應(yīng)用于采用重介—浮選聯(lián)合流程的大型選煤廠，通過(guò)該技術(shù)既能夠甩掉高灰細(xì)泥，又能夠較好地回收經(jīng)重介分選過(guò)的低灰粗顆粒精煤，能夠有效地提高浮選效率。

(3)氣旋浮裝置對(duì)于采用其他流程的選煤廠，也一樣具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)既能夠降低選煤生產(chǎn)成本，又能夠簡(jiǎn)化分選回收細(xì)粒煤的工藝流程。這是由于該技術(shù)能夠較好地甩掉高灰細(xì)泥，能夠得到較低灰分的細(xì)煤泥，同時(shí)又能夠回收較高質(zhì)量的粗煤泥。

【1】趙國(guó)慶，張明賢．水力旋流器分離技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003:13－26．

【2】余仁煥．含油污水處理技術(shù)進(jìn)展［J］．上海環(huán)境科學(xué)，1996，16(8):38 －41．

【3】沈自求，趙立新，李楓，等．旋流分離技術(shù)［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000:34－37．

【4】THEW Martin．Hydrocyclone Redesign for Liquid-liquid Separation［J］．The Chemical Engineer，1986，7(8):17 －23．

【5】蔣明虎，趙立新．產(chǎn)出液預(yù)分離水力旋流器的機(jī)理及試驗(yàn)研究［J］．石油學(xué)報(bào)，1998，19(4):104 －108．

【6】張作萍，謝旭時(shí)，王忠，等．液－固(氣)旋流器流場(chǎng)壓力和分離粒徑的計(jì)算及應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(6):76－79．

【7】張作萍，陳海，郭金基，等．液－固(氣)旋流器分離性能分析及環(huán)保工程應(yīng)用［J］．中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，36(3):131 －133．

【8】褚良銀，陳文梅，羅茜．錐齒刑水力旋流器的分離特性研究［J］．化工機(jī)械，1997，24(1):63 －67．

【9】蔣明虎，趙立新．液－液水力旋流器的入口形式及其研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，1998，27(2):3 －6．

【10】YONG G A B，WAKLAY W D，TAGGART D L，et a1．Oil-water Separation Using Hvdrocyclones:an Experimental Search for Optimum Dimensions［J］．Journal of Petroleum Science and Enginring，1994(11):37 －50．