張明昊

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 宏遠(yuǎn)工程建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037003)

國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布《中華人民共和國2020年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示,煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.8%[1]?？梢娒禾咳允潜Ｕ夏茉垂?yīng)的基礎(chǔ)能源,在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。礦井水是伴隨煤炭開采產(chǎn)生的地下涌水,他本身是一種地下水資源。我國煤礦又大多分布在北方缺水地區(qū),所以煤礦礦井水處理受到人們廣泛關(guān)注。2020年中國礦業(yè)大學(xué)孫亞軍等[2]指出煤礦礦區(qū)的水環(huán)境問題主要是礦井水抽排、煤炭洗選、生活污水等衍生的各種生態(tài)環(huán)境問題,其中以礦井水抽排引發(fā)的環(huán)境問題最為突出。2021年煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王東升[3]介紹礦井水中的懸浮物主是煤炭開采過程中產(chǎn)生的巖粉、煤粒以及其他細(xì)顆粒物質(zhì),我國大部分煤礦井水中均含有懸浮物。根據(jù)懸浮物的特性,對工業(yè)用水凈化處理常用的主要方法有混凝、沉淀?；炷撬幚砉に囍惺种匾沫h(huán)節(jié),常用的混凝劑為鋁鹽和鐵鹽混凝劑[4]。目前國內(nèi)研究人員對在水處理的絮凝劑儲(chǔ)液箱內(nèi)是否必須設(shè)置攪拌裝置尚無明確結(jié)論。

上海交通大學(xué)施俊[5]于2018年介紹上海閔行南部某自來水廠的加藥系統(tǒng)中絮凝劑儲(chǔ)液池未設(shè)置攪拌裝置。太原理工大學(xué)白飛燕[6]所設(shè)計(jì)的煤泥壓濾過程藥劑自動(dòng)添加系統(tǒng)中絮凝劑儲(chǔ)液池也未設(shè)置攪拌裝置。周召云等[7]為長城水廠設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制加藥系統(tǒng)中儲(chǔ)液箱同樣未設(shè)置攪拌裝置。2019年韓學(xué)淵[8]所研究的浮選加藥系統(tǒng)絮凝劑儲(chǔ)液箱未設(shè)置攪拌裝置。2010年上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院張亞勤[9]指出:Al3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.13 %液態(tài)硫酸鋁溶液容易結(jié)晶,因此,儲(chǔ)液池有必要增加攪拌設(shè)備。他設(shè)計(jì)松江污水處理廠化學(xué)除磷加藥裝置時(shí),采用液下泵的方式對儲(chǔ)液池內(nèi)藥液進(jìn)行水力攪拌。2018年高勇等[10]設(shè)計(jì)的煤泥水處理工藝中自動(dòng)加藥系統(tǒng)儲(chǔ)液箱設(shè)置了攪拌器。增設(shè)攪拌機(jī)的優(yōu)點(diǎn)明確:防止絮凝劑析出;降低絮凝劑沉積;提高絮凝劑顆粒分散度。

本文參照陳允中等[11]和陳志平等[12]介紹的攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)方法對某礦井水處理廠的儲(chǔ)液箱進(jìn)行了改造,增加了一套攪拌裝置。

1 礦井水處理廠加藥工藝概述

某礦污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力4 000 m3/d,采用較常見的PAC作污水處理絮凝劑。水廠改造前絮凝劑的投加工藝為:先在攪拌罐中加入固體絮凝劑和一定比例的水,通過攪拌使固體絮凝劑與水充分混合,之后藥液排入儲(chǔ)液箱中靜置存放,最后使用加藥泵加壓將儲(chǔ)液箱中配好的藥液投加到沉淀池，如圖1所示。

圖1 絮凝系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of flocculation system

在實(shí)際運(yùn)行中存在以下問題:

1)藥液在儲(chǔ)液箱內(nèi)容易發(fā)生沉淀,導(dǎo)致藥液濃度降低,污水脫泥效果不佳。

2)藥液沉淀會(huì)結(jié)塊堵塞加藥管道和儲(chǔ)液箱液位計(jì),長時(shí)間藥液沉淀還會(huì)在儲(chǔ)液箱底部板結(jié),需清理儲(chǔ)液箱底部沉淀。

因此有必要在儲(chǔ)液箱內(nèi)增設(shè)攪拌機(jī)。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 型式選擇

根據(jù)《機(jī)械攪拌設(shè)備》(HG/T 20569—2013)標(biāo)準(zhǔn),攪拌機(jī)選擇偏心頂入式。儲(chǔ)液箱結(jié)構(gòu)為長方體(長×寬×高=1 000 mm×1 000 mm×1 100 mm),在儲(chǔ)液箱頂部中心位置焊接一塊5 mm厚鋼板(長150 mm，寬150 mm),鋼板中間有直徑D=70 mm圓孔,鋼板上安裝攪拌機(jī)減速機(jī)和電機(jī),攪拌桿從圓孔中穿過,攪拌葉距容器底部有一定距離，如圖2所示。

1—觀察口；2—儲(chǔ)液箱箱體；3—絮凝劑藥液；4—藥液投放管路；5—攪拌機(jī)電機(jī)；6—攪拌機(jī)減速機(jī)；7—攪拌機(jī)攪拌桿；8—攪拌葉圖2 儲(chǔ)液箱改造前后對比示意圖Fig.2 Comparison before and after the transformation of storage tank

2.2 葉片選擇

儲(chǔ)液箱現(xiàn)有檢查口位置偏離箱體中心,藥液黏度較小,絮凝劑顆粒越分散越好?？紤]到以上條件,選用螺旋槳葉輪。螺旋槳葉輪直徑小,機(jī)械緊湊,循環(huán)流量大,可安裝在現(xiàn)有檢查口偏儲(chǔ)液箱中心位置處。既不需要破壞箱體,也對檢查口效用影響不大,同時(shí)偏心安裝有利于液體流動(dòng),攪拌效果好。而且螺旋槳葉輪轉(zhuǎn)速較高,介質(zhì)分散效果較好。

2.3 攪拌葉輪設(shè)計(jì)

2)葉輪段數(shù)。液深h與罐徑D之比即h:D=1±0.2,且流體黏度較低,選擇1段葉輪。

3)葉輪安裝位置。對于低黏度的液-液攪拌,當(dāng)液深與罐徑之比在1±0.2范圍內(nèi),需1段葉輪時(shí),葉輪應(yīng)安裝在距攪拌罐底0.1～0.2液深的位置。取葉輪距攪拌罐底400 mm。

2.4 攪拌功率計(jì)算

攪拌功率由下式計(jì)算:

(1)

式中:Np為功率準(zhǔn)數(shù),是無因次數(shù);n為回轉(zhuǎn)數(shù),r/min;d為螺旋槳直徑,m;ρ為液體密度,kg/m3，取值1 000～1 300;gc為重力換算系數(shù),(kg·m)/(kg·s2),取值9.8。

Np受葉輪形狀、幾何條件、擋板情況等影響,是雷諾數(shù)Re的函數(shù)

(2)

式中:μ為流體黏度,Pa·s；回轉(zhuǎn)數(shù)n取132 r/min；d為螺旋槳直徑，500 mm；ρ為液體密度，取值1 000 kg/m3～1 300 kg/m3；Re=1.7×105～2.2×105.

當(dāng)Re> 104時(shí),罐內(nèi)為湍流,Np幾乎是一個(gè)定值。查Np與Re關(guān)系圖得Np=0.9[12],代入計(jì)算攪拌功率P=0.30 kW～0.39 kW。

(3)

式中:PN為攪拌電機(jī)功率,kW;Kt為溫度修正系數(shù);Kn為安全系數(shù);η為減速機(jī)機(jī)械效率。

考慮工作環(huán)境溫度為15 ℃～30 ℃,溫度修正系數(shù)Kt=1.1,安全系數(shù)取Kn=1.2。減速機(jī)采用針輪擺線減速機(jī),機(jī)械效率η取90%[12],攪拌電機(jī)功率PN=0.57 kW。因沒有對應(yīng)功率電機(jī),就近取PN=0.75 kW的攪拌電機(jī)。

2.5 攪拌軸的設(shè)計(jì)

1)按扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算攪拌軸的軸徑。攪拌軸的直徑由下式計(jì)算:

(4)

式中:d1為攪拌軸直徑,mm;G為軸材料的剪切彈性模量,MPa;N0為空心軸內(nèi)徑與外徑的比值;γ—許用扭轉(zhuǎn)角,對于懸臂梁γ=0.35 °/m,對于單跨梁γ=0.7 °/m;Tmax為軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩,N·m。

(5)

攪拌軸選用45#鋼調(diào)質(zhì)處理,取其彈性模量E=2.1×106MPa,剪切模量G=8.1×105MPa;本設(shè)計(jì)中選用懸臂梁的形式,則γ=0.35 °/m;采用實(shí)心軸則N0=0[12],計(jì)算得到d1=32 mm,因此按照就近原則,取攪拌軸的直徑d1=35 mm。

2)按臨界轉(zhuǎn)速校核攪拌軸的直徑。對于小型的攪拌設(shè)備,由于軸徑細(xì),長度短,軸的質(zhì)量小,因而往往把軸理想化為無質(zhì)量的帶有圓盤的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)來計(jì)算軸的臨界轉(zhuǎn)速[12]。

臨界轉(zhuǎn)速為:

(6)

式中:ncr為軸的第一節(jié)臨界轉(zhuǎn)速,r/min;a為懸臂軸兩支點(diǎn)間(跨間)距離,mm;E為軸材料的彈性模量,MPa;l為攪拌器懸臂長度,mm;ms為在S點(diǎn)處所有相當(dāng)質(zhì)量的總和。

(7)

式中:m為攪拌器的質(zhì)量,kg;ηk1為攪拌器附加質(zhì)量系數(shù),葉片數(shù)為3、葉片角θ=37°1′(斜葉)時(shí)ηk1=0.19[12];bi為攪拌器的葉片寬度,mm;ρ為攪拌物料的密度,kg/m3；d為螺旋槳直徑，500 mm。

攪拌器的質(zhì)量m=20 kg,攪拌器的葉片寬度bi=100 mm,攪拌物料的密度ρ=1 050 kg/m3～1 200 kg/m3,葉片角θ=37°1′。計(jì)算得到ms=3.50 kg。已知攪拌器懸臂長度l=700 mm;懸臂軸兩支點(diǎn)間(跨間)距離a=150 mm。計(jì)算得到ncr=202.5 r/min

3)軸的轉(zhuǎn)速n與臨界轉(zhuǎn)速ncr的比值。工作轉(zhuǎn)速n=132 r/min,低于第一節(jié)臨界轉(zhuǎn)速ncr=202.5 r/min,所以該軸是剛性軸。n/ncr=0.65≤0.7,滿足抗振條件,軸徑合格。

2.6 攪拌頻率的測定

通過實(shí)驗(yàn)確定藥劑沉降時(shí)間,進(jìn)而確定攪拌機(jī)啟動(dòng)頻率。我公司選用的固體PAC藥劑中水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%～2.3%,藥液中PAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%,如圖3所示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的微型實(shí)驗(yàn),測定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%的藥液在靜置3 min～5 min后出現(xiàn)了的沉淀,但在15 min～20 min后沉淀增多不明顯。通過對比可以發(fā)現(xiàn):濃度越高沉淀出現(xiàn)得越快,沉淀的量也越大。圖3(f)、(g)、(h)、(i)、(j)中的沉淀均可通過加水繼續(xù)溶解。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%的PAC藥液靜置對比圖Fig.3 Comparison of PAC liquid with mass fraction ranging from 5% to 20%

圖4是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PAC藥液靜置24 h再去除上清液后殘留的沉淀物。該裝置設(shè)置了就地控制箱,利用時(shí)控開關(guān)預(yù)設(shè)了3種攪拌模式:持續(xù)攪拌;每隔7 min攪拌3 min;每隔10min攪拌5 min。操作員在現(xiàn)場可根據(jù)藥液的濃度等實(shí)際狀況選擇對應(yīng)模式,或自行設(shè)定攪拌頻率。該裝置提高了藥劑的利用率,大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,有著良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PAC藥液靜置24 h后除去上清液后殘留的沉淀物Fig.4 Residual sediment after removing supernatant after standing for 24 hours of PAC liquid with 5% mass fraction

3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益及應(yīng)用情況

3.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

該技術(shù)主要有以下三項(xiàng)效益:

1)對改造前后各3個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,改造前平均每月維修加藥系統(tǒng)6次,改造后平均每月維修加藥系統(tǒng)2次,本次改造將加藥系統(tǒng)維護(hù)次數(shù)縮減了2/3。本廠維修組共4人,每個(gè)維修工的工資以7萬元/a。每次維修加藥系統(tǒng)需約0.75 d,則節(jié)約維修所需的人工成本約為3.87萬元/a。

2)節(jié)約藥劑,對改造前后各3個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。改造前需每15 d清掏1次PAC儲(chǔ)液箱,其底部板結(jié)藥劑量烘干后約為50 kg;改造后PAC在儲(chǔ)液箱不板結(jié),不必清掏儲(chǔ)液箱。故每年可節(jié)約PAC 1 200 kg。以PAC單價(jià)3.6元/kg計(jì)算,改造后因減少藥劑沉淀而每年節(jié)約藥劑總價(jià)約為0.43萬元。

3)提高設(shè)備工作效率,清掏儲(chǔ)液箱和維修加藥管路時(shí)會(huì)造成水廠停產(chǎn),每月因清掏儲(chǔ)液箱和維修加藥管路約停產(chǎn)24 h,水處理廠平均處理速度為230 m3/h,故經(jīng)過改造可多處理水6萬t/a,提高了生產(chǎn)效率。

圖5 儲(chǔ)液箱改造效果圖Fig.5 Transformation of liquid storage tank

3.2 應(yīng)用情況

本次改造投入約1 000元購買設(shè)備,每年運(yùn)行成本約800元?？蔀樗畯S降低成本約4.3萬元/a。采用該技術(shù),大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約了藥劑,提高了設(shè)備工作效率,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4 結(jié)論

1)本文通過在礦井水處理廠絮凝劑加藥系統(tǒng)中儲(chǔ)液箱內(nèi)增設(shè)攪拌裝置,并提供了攪拌裝置的設(shè)計(jì)方法。一般儲(chǔ)液箱均可增加此裝置。

2)本方法提高了絮凝劑的利用率,減少了加藥裝置檢修頻率,從而提高了水處理廠的運(yùn)行效率。

3)這種方法操作簡便、投入小且有著一定的抵抗大流量進(jìn)水沖擊的能力,應(yīng)用前景較為可觀。