喬治忠，郝彥東，宋曉利，林 喆

(1.神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

自20世紀(jì)70年代起，加藥絮凝沉降的廣泛應(yīng)用大大提高了煤泥水的固液分離效率[1]，但由于受到煤泥組成、濃度、藥劑制度、加藥位置、濃縮機(jī)結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響，煤泥水處理仍是整個(gè)選煤工藝中最復(fù)雜、最難管理的環(huán)節(jié)[2]。

煤泥水絮凝是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。隨著現(xiàn)代混凝技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到絮凝效果取決于兩個(gè)因素：一是由藥劑自身性質(zhì)決定的吸附架橋聯(lián)結(jié)能力；二是由絮凝設(shè)備的動(dòng)力學(xué)條件所決定的小顆粒碰撞幾率和有效碰撞效果[3]。在碰撞粘附過(guò)程中，流動(dòng)水體的水力作用對(duì)顆粒絮凝起決定性作用，而這種水力作用主要取決于絮凝設(shè)備結(jié)構(gòu)[4]。工程上的絮凝基本都是在湍流環(huán)境下完成的，研究發(fā)現(xiàn)[5]，在構(gòu)成湍流的三組尺度的渦旋中，只有與絮體尺度相近的渦旋(Kolmogoroff渦)才是顆粒碰撞的有效動(dòng)力因素。因此，構(gòu)建符合煤泥水絮凝過(guò)程動(dòng)力需求的絮凝裝置，是提高煤泥水絮凝效率的重要途徑。

在絮凝過(guò)程中，煤泥水中的煤泥顆粒由微米級(jí)別逐步成長(zhǎng)為毫米級(jí)別。根據(jù)微渦尺度應(yīng)與絮凝體顆粒尺度相近的原則，為了匹配煤泥絮體顆粒的成長(zhǎng)，絮凝裝置所能提供的水流微渦尺度也應(yīng)當(dāng)逐步增大。Levich導(dǎo)出流體的最小微渦特征尺寸和有效能量耗散的1/4次方成反比[6]，基于Camp和Stein推導(dǎo)的速度梯度表達(dá)式，可將速度梯度表示為能量耗散和黏度比的1/2次方[7，8]。因此微渦尺寸在一定程度上和速度梯度成反比關(guān)系?；谶@個(gè)思路，本文設(shè)計(jì)了一種漸變格柵式絮凝裝置，使水流經(jīng)過(guò)該裝置時(shí)產(chǎn)生逐步遞減的速度梯度，以滿足微渦尺度遞增的水力需求，并利用該裝置進(jìn)行煤泥水的絮凝實(shí)驗(yàn)研究。

1 漸變格柵式絮凝裝置的設(shè)計(jì)

1.1 自保守混凝動(dòng)力學(xué)理論

Wang和Friedlander在1967年首先提出自保守混凝動(dòng)力學(xué)理論[9]。在該體系下，絮體粒徑分布的曲線形狀為值不隨時(shí)間變化的折減譜函數(shù)，最終達(dá)到指數(shù)分布的形式，并且與初始條件無(wú)關(guān)。北京交通大學(xué)趙宗升教授課題組在這個(gè)體系上做了進(jìn)一步深入研究，認(rèn)為對(duì)于一個(gè)自保守混凝系統(tǒng)，速度梯度G(剪切速率)必須隨著時(shí)間按如下規(guī)律變化[10]：

G=G0/(1+Kt)

(1)

式中，G0為初始速度梯度，s-1；t為絮凝時(shí)間，s；K為常數(shù)系數(shù)，s-1。

K=4n0(G0V0/π+kT/3μ)

(2)

式中，N0為初始粒子濃度；V0為初始粒子體積，m3；π為圓周率；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23m2·kg/(s2·K)；T為開(kāi)氏溫度，K；μ為運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)，Pa·s。

由式(1)可知，自保守絮凝體系下速度梯度G在混凝過(guò)程中是逐步遞減的，符合絮體成長(zhǎng)對(duì)流體動(dòng)力的需求。本研究即以此為依據(jù)進(jìn)行漸變格柵式絮凝裝置的設(shè)計(jì)。

1.2 格柵參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

速度梯度理論最早是在層流條件下導(dǎo)出的，但仍被廣泛應(yīng)用于湍流條件下的絮凝裝置的設(shè)計(jì)[8]。由于湍流的復(fù)雜性，其速度梯度難以估算，因此本研究在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，格柵中水流的速度梯度仍采用層流條件進(jìn)行估算：假定流體在流動(dòng)通道壁面處的流速為0，中心處流速為平均流速u的2倍，速度從邊界到中心的遞增滿足線性關(guān)系。則根據(jù)速度梯度的物理定義，有：

G′=4u/de

(3)

式中，de為矩形流動(dòng)通道的水力當(dāng)量直徑，m。

本研究采用截面為長(zhǎng)方形的柱體作為絮凝裝置主體，內(nèi)置格柵。設(shè)截面矩形長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W，采用直徑為d的圓柱作為格柵，第N組格柵中每排格柵的數(shù)量為nN(第N組格柵有mN排，每排中的格柵間距相同，具有相同的速度梯度)，若裝置的處理量為Q(m3/h)，則煤泥水流經(jīng)第N組格柵時(shí)的平均流速uN為：

此時(shí)，nN個(gè)格柵將截面分為nN+1個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小通道，其當(dāng)量直徑：

根據(jù)工藝要求確定好處理量Q以及絮凝裝置的尺寸L、W和d后，令G′=G0，利用式(3)—(5)即可求得第一組格柵每排格柵的數(shù)量。此后的每組格柵中每排格柵的數(shù)量按組序遞減1，并由式(3)求得每組格柵對(duì)應(yīng)的速度梯度，結(jié)合式(1)可得煤泥水在每個(gè)格柵數(shù)量下的停留時(shí)間θN：

因此，第N組格柵區(qū)的高度hN為：

hN=uNθN

(7)

在高為hN的區(qū)域中，將格柵以中心距l(xiāng)N為L(zhǎng)/(nN+1)的正三角形形式排列即可。

本研究中所用煤泥水的性質(zhì)為：固體物濃度10g/L，煤泥顆粒密度1.4kg/L，平均粒度0.04mm，溫度25℃，則可得V0=3.35×10-14m3，N0=2.13×1011。取初始速度梯度G0=300s-1，由式(2)可得系數(shù)K=2.73s-1。絮凝裝置主體高1000mm；截面長(zhǎng)100mm，寬20mm，格柵選擇直徑5mm的圓柱。處理量取2.4L/min，根據(jù)前述設(shè)計(jì)方法可得到如圖1所示的漸變格柵式絮凝裝置，具體的布置結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 煤泥水絮凝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

漸變格柵式絮凝裝置用有機(jī)玻璃板加工而成，寬100mm，厚20mm，布流區(qū)高100mm，有效絮凝反應(yīng)區(qū)(格柵區(qū)，格柵布置如1.2節(jié)所述)高1000mm，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，10g/L的煤泥水由蠕動(dòng)泵控制流量進(jìn)入絮凝裝置；絮凝劑(聚丙烯酰胺，PAM)由另一個(gè)微型蠕動(dòng)泵控制加藥量，通過(guò)三通管加入煤泥水中；藥劑和煤泥水經(jīng)管道和絮凝裝置的布流區(qū)充分混合后，進(jìn)入格柵區(qū)進(jìn)行絮凝；絮凝后的煤泥水經(jīng)溢流槽排放，并取樣沉降后測(cè)上清液濁度。

圖1 格柵絮凝裝置

表1 格柵絮凝裝置格柵布置結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 絮凝試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 絮凝劑用量的確定

為避免藥劑因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析的干擾，在格柵式絮凝裝置中進(jìn)行試驗(yàn)前需先確定較優(yōu)的藥劑制度，方法如下：用燒杯配好10g/L煤泥水，一次取100mL煤泥水倒入量筒，將量筒上下翻轉(zhuǎn)5次，然后用移液管按0.1、0.5、1和2mg/L的藥劑量分別加入預(yù)配制的濃度為1g/L的分子量1000萬(wàn)的陰離子型聚丙烯酰胺，再上下翻轉(zhuǎn)10次，使煤泥水和藥劑混合均勻，然后靜置15min，取上清液測(cè)其濁度值。取濁度最低時(shí)的藥劑添加量為格柵式絮凝裝置絮凝試驗(yàn)的藥劑量。

2.3 格柵式絮凝裝置中的絮凝試驗(yàn)

在1.2節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，預(yù)設(shè)流量為2.4L/min。由于采用層流狀態(tài)估算速度梯度，絮凝格柵中實(shí)際的速度梯度可能和預(yù)設(shè)值有偏差。通過(guò)改變進(jìn)料流量可以改變初始速度梯度。因此，將進(jìn)料流量分別設(shè)為1.65、2.28、2.91和3.54L/min(對(duì)應(yīng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為225、250、300和350r/min)進(jìn)行試驗(yàn)，考察初始速度梯度的影響。

每次試驗(yàn)取100mL絮凝后的溢流煤泥水樣品放入沉降管中靜置沉降15min，用上海昕瑞WGZ-1A型濁度儀其測(cè)上清液濁度。試驗(yàn)過(guò)程中，在格柵區(qū)自下向上30、45和60cm處拍攝絮體照片，用于分析絮體的性質(zhì)。每次試驗(yàn)進(jìn)行15min，取樣和拍照均在試驗(yàn)開(kāi)始5min系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑用量對(duì)絮凝效果的影響

絮凝劑用量影響絮凝效果的燒杯試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。隨著絮凝劑用量的添加，濁度先逐漸減小，在用量為 0.5mg/L時(shí)達(dá)到最小值而后開(kāi)始增大。這是由于試驗(yàn)采用的絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)屬于高分子有機(jī)化合物，其主要作用機(jī)理是高分子吸附架橋作用和卷掃網(wǎng)捕作用。當(dāng)加入絮凝劑后，一方面高分子鏈吸附在煤泥顆粒表面會(huì)產(chǎn)生一定的電中和作用，另一方面多個(gè)煤泥顆?；蛐躞w通過(guò)高分子長(zhǎng)鏈連接在一起形成更大的絮團(tuán)，同時(shí)絮團(tuán)通過(guò)卷掃網(wǎng)捕效應(yīng)強(qiáng)化絮凝效果。但吸附架橋作用的前提是絮體顆粒上存在空白表面，投加過(guò)多的絮凝劑時(shí)絮粒表面會(huì)被高分子完全吸附覆蓋，因而不會(huì)再通過(guò)架橋作用產(chǎn)生絮凝，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生“膠體保護(hù)”現(xiàn)象，使煤泥顆粒重新穩(wěn)定而降低絮凝效率[11]；另外絮凝劑過(guò)多還會(huì)導(dǎo)致絮粒被高分子包裹，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疏松的絮團(tuán)，因而更容易被再次破碎成為較小的絮粒，降低絮凝效果。本試驗(yàn)中當(dāng)PAM用量為0.5和1mg/L時(shí)，濁度相差不大，但1mg/L藥劑量下可觀察到其沉降速率比0.5mg/L要快，因此，后續(xù)的大裝置試驗(yàn)選擇絮凝劑用量為1mg/L。

圖3 絮凝劑單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.2 漸變格柵式絮凝裝置的絮凝效果

3.2.1 溢流濁度

采用漸變格柵式絮凝裝置在不同處理量下絮凝的煤泥水沉降后的結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，隨著入料流量的增大，溢流濁度呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。濁度反映細(xì)顆粒的殘余量，一般而言，入料流量越大，能量輸入就越大，速度梯度也就越大，有利于提高顆粒間的碰撞頻率和絮凝；但同時(shí)渦旋尺度越小，對(duì)已形成絮體的剪切和侵蝕破碎也越強(qiáng)。本研究在流量為2.28L/min 時(shí)，溢流濁度最小，達(dá)到最佳絮凝狀態(tài)，說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算流量取值2.4L/min較為合理，過(guò)高入料流量會(huì)產(chǎn)生過(guò)度破碎，而過(guò)低的入料流量則可能因?yàn)榕鲎差l率過(guò)低而使絮凝不充分。

圖4 入料流量(初始速度梯度)對(duì)絮凝效果的影響

此外，作為比較，本研究還在相同的入料流量下試驗(yàn)探討了煤泥水在直管絮凝器(直徑5mm長(zhǎng)2m管道)中的絮凝效果。從圖4可見(jiàn)，其沉降后的濁度要明顯高于漸變格柵式裝置，說(shuō)明后者具有明顯優(yōu)勢(shì)。比較圖3和圖4，漸變格柵式裝置的絮凝效果也優(yōu)于量筒翻轉(zhuǎn)絮凝沉降的效果。

3.2.2 絮體粒徑

通過(guò)拍照統(tǒng)計(jì)了不同條件下煤泥水在漸變格柵式絮凝裝置不同高度位置上的絮凝體平均粒徑，如圖5所示。在所有的流速條件下，隨著絮凝反應(yīng)的進(jìn)行(煤泥水自下而上流過(guò)漸變格柵)，絮體平均粒徑都是逐漸增大的，但2.28L/min流量時(shí)全過(guò)程的絮體尺度都優(yōu)于其他流速條件，這也說(shuō)明了合適的速度梯度對(duì)絮凝具有重要作用。圖5中還可見(jiàn)，在較低的流量下(1.65L/min)，絮體粒徑是持續(xù)增加的，而高流量時(shí)則有趨緩的現(xiàn)象，說(shuō)明低流量時(shí)水力環(huán)境提供的碰撞頻率不足，需要更多的停留時(shí)間以達(dá)到充分絮凝。

圖5 不同流量下煤泥水流經(jīng)漸變格柵式絮凝裝置時(shí)的絮體平均粒徑演變

由此可見(jiàn)，以自保守混凝動(dòng)力學(xué)為原理設(shè)計(jì)的漸變格柵式絮凝沉降反應(yīng)裝置滿足絮凝過(guò)程的速度梯度動(dòng)態(tài)變化的要求：絮凝初期，混凝反應(yīng)器格柵排布較密集，速度梯度較大，煤泥顆粒在水力作用下充分碰撞并在絮凝劑作用下聚并；隨著反應(yīng)器高度的增加，反應(yīng)器內(nèi)部流體的流速通過(guò)格柵排布的明顯減少來(lái)降低速度梯度，避免大的速度梯度下強(qiáng)水流剪切作用破壞已經(jīng)形成的絮體，絮體逐漸增大，達(dá)到良好的絮凝效果。

4 結(jié) 論

1)在自保守絮凝動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)層流近似法簡(jiǎn)化速度梯度可實(shí)現(xiàn)漸變速度梯度絮凝裝置的設(shè)計(jì)，如漸變格柵式絮凝裝置。

2)漸變格柵式絮凝裝置內(nèi)的流場(chǎng)速度梯度分布滿足煤泥水絮凝過(guò)程的水動(dòng)力條件動(dòng)態(tài)變化的要求，絮凝效果優(yōu)于直管絮凝。