段家奇，葉貴川，樊玉萍，馬曉敏，董憲姝

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

煤泥水是煤炭洗選過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水。流量大、懸浮細泥顆粒濃度高以及難以自然沉降的特點，使其固液分離效果較差。未沉淀的細泥顆粒隨濃縮機溢流進入主選設(shè)備作為循環(huán)水使用，在系統(tǒng)中反復(fù)循環(huán)，經(jīng)泵及管路的運輸使顆粒不斷破碎和泥化，產(chǎn)生更細粒煤泥，惡化沉淀效果，造成選煤廠“細泥”積聚，產(chǎn)生的高濃度循環(huán)水常造成藥劑添加無效甚至煤泥水處理系統(tǒng)癱瘓。

絮凝是實現(xiàn)煤泥水高效固液分離的關(guān)鍵技術(shù)手段，為提高絮凝效果，大量學(xué)者從多角度、多方面對絮凝機理及其影響因素進行了深入研究，涉及界面物理化學(xué)、流體動力學(xué)等多學(xué)科問題[1，2]。在界面物理化學(xué)方面，著重研究了藥劑類型和用量[3，4]、pH值[5，6]、溫度[7]以及電位[8]等對絮凝效果的影響，然而這些研究側(cè)重絮團的靜置沉降體系，忽略了實際過程中的流體動力學(xué)行為。

近年來，微細顆粒絮凝行為的動力學(xué)過程成為研究熱點，得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[9，10]。以往學(xué)者們常使用顯微鏡或激光衍射儀對絮凝過程絮團形貌等特征進行檢測，進而研究顆粒絮凝行為。但這兩種檢測手段只能研究絮凝結(jié)束后絮體特性或靜置沉降效果，一直到聚焦光束反射測量儀(Focused Beam Reflectance Measurement，F(xiàn)BRM)的出現(xiàn)，絮凝流體動力學(xué)研究得到了進一步技術(shù)支持，伴隨著計算流體力學(xué)(CFD，Computational Fluid Dynamic)的快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于砂礦、污水處理等領(lǐng)域進行絮凝過程動力學(xué)行為的相關(guān)研究。周旭[11]，阮竹恩[12]采用FBRM和PVM(Particle video microscope，PVM)實時在線監(jiān)測技術(shù)，研究絮凝過程中絮團特性的變化，分析了絮凝過程剪切破壞力與絮團凝聚力的相互作用；D.Pandya J和A.Spielman L[13]通過對絮體粒徑分布的測量討論了絮體在湍流流動中的破裂和侵蝕機制。而進一步的理論研究以 Smoluchowski 動力學(xué)[14]模型為基礎(chǔ)，研究活性污泥和尾砂的聚并過程與破碎過程，進而建立聚并模型與破碎模型，再以群體平衡模型(PBM，Population Balance Model)為基本框架[15]，構(gòu)建出全尾砂絮凝的動力學(xué)模型[16，17]。采用PBM模型對顆粒絮凝過程進行數(shù)值仿真模擬，可視化分析絮凝過程，對顆粒絮凝過程的固液兩相動力學(xué)研究具有重要意義。

目前，顆粒絮凝過程存在絮團聚并、破碎及重構(gòu)現(xiàn)象已被眾多科研工作者所證實[2，11，17，18]，但關(guān)于聚并效率、破碎效率的相關(guān)研究還主要停留在數(shù)學(xué)模型的討論上[15，16]。本文利用聚焦光束反射測量儀，實時原位檢測顆粒絮凝過程平均粒度隨時間的變化關(guān)系，提出以絮團增長率曲線間接反映顆粒聚并、破碎效率的變化規(guī)律，進而通過剪切速率和攪拌槳離底高度調(diào)控流場環(huán)境，結(jié)合剪切體系流場特征參數(shù)揭示流體剪切對微細煤泥絮凝過程中聚并-破碎效率的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

采用200目標準篩將開灤林西礦細粒煤進行篩分，取篩下物(-74μm)作為實驗樣品，煤樣工業(yè)分析見表1。為統(tǒng)一粒度測量標準，直接采用FBRM(G400)聚焦光束反射測量儀，在不添加絮凝劑條件下測得剪切體系中實驗煤樣粒徑分布如圖1所示。

表1 實驗煤樣工業(yè)分析 %

圖1 實驗煤樣FBRM粒徑分布

1.2 微細顆粒絮凝過程絮團粒徑在線檢測

實驗采用聚焦光束反射測量儀(FBRM G400，Mettler Toledo，USA)持續(xù)動態(tài)監(jiān)測煤絮團的平均粒徑變化。實驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實驗系統(tǒng)

用篩分好的試驗樣品和去離子水配制成固相質(zhì)量分數(shù)3%，總體積150mL的煤泥水，使用陽離子聚丙烯酰胺配制成濃度為1‰的絮凝劑。試驗時，在拌槳離底高度h/H=1/6、絮凝劑加藥量D=400g/t干煤泥下，設(shè)置5個剪切速率水平(G=17.94s-1、35.89s-1、53.83s-1、71.77s-1、107.66s-1)，測定不同剪切速率下絮團平均粒徑隨時間的關(guān)系曲線；此外，在G=53.83s-1、D=400g/t干煤泥時，設(shè)置5個不同的攪拌槳離底高度(h/H=1/10、1/6、1/4、1/3、1/2)，測定不同攪拌槳離底高度下絮團平均粒徑隨時間的變化情況。

1.3 微細顆粒絮凝過程流場動態(tài)變化的數(shù)值解析

受限于煤泥水系統(tǒng)的復(fù)雜性，剪切條件下顆粒絮凝過程中流體的動態(tài)演變檢測較為困難。本文采用多重參考系模擬攪拌槳的旋轉(zhuǎn)運動，以預(yù)測剪切體系中流場的分布特征。在FLUENT軟件中采用多重參考系對攪拌體系的流場進行數(shù)值可視化已被眾多學(xué)者證明其精準性，其流體動力學(xué)控制方程可參見相關(guān)文獻[19，20]。攪拌體系的幾何模型條件如下：

1)模型參數(shù)：攪拌槽底部直徑7cm，內(nèi)部液面高4.3cm；攪拌軸直徑0.8cm，槳葉長2.4cm，厚0.1cm，寬0.8cm，傾斜45°。

2)網(wǎng)格數(shù)量：共計633518網(wǎng)格，質(zhì)量良好。

3)模型選擇：多重參考系。

4)殘差設(shè)置：K-ε，Standard湍流模型。

5)迭代設(shè)置：每20步計算0.001s。

2 絮凝過程試驗結(jié)果

2.1 微細顆粒絮凝過程聚并-破碎效率分析

圖3 微細煤泥絮凝行為的FBRM檢測

上述討論表明在實驗條件下的煤泥顆粒絮凝行為符合由橋接引起的典型絮凝過程[21]。Jeldres[22]等人將這一趨勢歸因于剪切誘導(dǎo)引起的絮團聚集、破碎、伸長和壓實造成的絮團重組現(xiàn)象，并提出了聚并-破碎效率的數(shù)值表現(xiàn)方式，以直觀分析顆粒的絮凝行為，后被其他學(xué)者不斷加以明確和改進，見表2。

表2 聚并-破碎效率公式

表2中，碰撞頻率βi，j受到分子布朗運動、剪切流、差異沉降作用，但是在剪切流的影響下，布朗運動和差異沉降作用可以忽略[26]；Gv為平均剪切速率(正比于湍流耗散率的三次方)，di和dj為顆粒有效碰撞粒徑；捕獲效率f(α)只受絮凝劑用量導(dǎo)致懸浮液的粘度和密度變化的影響[25]；Si為破碎效率，s1和s2(s2>1)是非量綱常數(shù)。

在剪切速率一定時，絮凝過程的碰撞效率與有效碰撞粒徑成正比，捕獲效率隨絮凝時間的增加而減小。絮凝剛開始時，在剪切條件下顆粒碰撞速率大，此時捕獲效率高，因而顆粒迅速發(fā)生絮凝行為，絮團平均粒徑顯著增大。此后，體系中的相對粒子數(shù)量濃度降低，捕獲效率也相應(yīng)降低，但絮團粒度的增加將導(dǎo)致破碎效率的顯著增加，大絮團發(fā)生明顯的破碎，導(dǎo)致絮體平均粒徑降低。根據(jù)式(4)，絮團平均粒徑的降低致使破碎效率降低，破碎速率減緩，因而絮團逐漸在破碎-聚并中得到相對平穩(wěn)，最終絮團的平均粒徑趨于一個常數(shù)，符合圖3絮團粒徑變化結(jié)果。

2.2 剪切速率對絮凝過程的影響

2.2.1 剪切速率對微細顆粒絮凝過程聚并-破碎效率的影響

絮凝劑加藥量為400g/t干煤泥、攪拌槳離地高度h/H=1/6時，剪切速率對絮凝過程As和F′As的影響如圖4所示。

圖4 剪切速率對絮凝過程As和的影響

由圖4(a)可知，剪切速率過低時(17.94s-1)，沒有明顯絮團破碎的情況，絮團平均粒徑緩慢增加，絮凝效率低。隨剪切速率增加，微細煤泥顆粒絮凝達亞穩(wěn)定階段后的絮團平均尺寸先增大后減小，在剪切速率為35.89s-1時達到最大值。由圖4(b)可知，剪切速率的增加，處于聚并階段的時間減小，達到絮團最大尺寸時間縮短，同時粒徑增長率先增大后減?。煌瑫r，處于破碎階段時間不斷增加，更晚進入亞穩(wěn)定階段。

2.2.2 不同剪切速率的流場模擬

流場渦旋的存在是影響顆粒絮凝的關(guān)鍵因素之一[27]。攪拌槽內(nèi)整體流場湍動能情況如圖5所示，F(xiàn)BRM探頭平行面的湍流耗散率變化如圖6所示。

圖5 剪切速率對流場內(nèi)湍動能的影響

圖6 剪切速率對湍流耗散率的影響

由圖6可知，4葉攪拌槳攪拌作用下，平面流場產(chǎn)生同向渦旋，且隨剪切速率增加，渦旋逐漸變大，導(dǎo)致平面流場速度梯度增加，剪切力增大。同時，根據(jù)式(4)可知湍流耗散率增加使Gv值增大，即破碎效率逐漸增加；由式(2)，碰撞頻率隨湍流耗散率的增加同時增加，認為捕獲效率相同，聚并效率隨之增大，然而破碎效率對Gv值的變化更為敏感(s2>1)，剪切速率為17.84s-1和107.66s-1時的FBRM結(jié)果明顯證明了這一點，與圖4所示結(jié)果相符，絮凝初始時，高剪切速率下有更快的絮團尺寸增長速率，然而絮團最終粒徑卻更小。

2.3 攪拌槳離底高度對絮凝過程的影響

2.3.1 攪拌槳離底高度對微細顆粒絮凝過程聚并-破碎效率的影響

圖7 攪拌槳離底高度對絮凝過程As和的影響

2.3.2 不同攪拌槳離底高度的流場模擬

攪拌槳離底高度對流場湍動能和湍流耗散率的影響如圖8、圖9所示。依據(jù)式(1)(2)(3)，在整體平均剪切速率恒定(Gv不變)，絮凝劑用量不變(f(α)不變)，只改變攪拌槳離底高度情況下，探頭平面位置處湍流耗散率隨攪拌槳位置改變變化不明顯(圖9)，因此攪拌槽內(nèi)初始聚并效率保持不變，絮凝過程中聚并效率的不同主要受絮凝過程粒徑變化的影響。因此，攪拌槳離底高度對煤泥絮凝行為的影響不如剪切速率對絮凝行為的影響顯著。

圖8 攪拌槳離底高度對流場湍動能的影響

圖9 攪拌槳離底高度對湍流耗散率的影響

在懸浮體系中，煤泥顆粒相對水而言均屬于高密度顆粒，因此，大塊絮團更易分布在槽底區(qū)域。當(dāng)攪拌槳靠近槽底時，槽底區(qū)域的湍動能顯著增大(圖8)，對該區(qū)域的大塊絮團的破碎尤為明顯，導(dǎo)致絮體最終粒徑減小。因此，在一定范圍內(nèi)提高離底高度，可以減小剪切條件對體系中大塊絮團的破碎，使體系相對聚并效率增大，強化絮凝效果。離底高度過大，流場渦旋難以充分驅(qū)動槽體下方的絮團懸浮，因而測得的平均粒徑有一定程度的降低。

3 結(jié) 論

2)剪切速率對顆粒的絮凝行為有重要影響，在一定范圍內(nèi)增大剪切速率，有利于聚并效率和亞穩(wěn)定階段時絮團平均粒徑的增加；但過高的剪切速率將產(chǎn)生較高的湍流耗散率，由于破碎效率對湍流耗散率變化更敏感(s2>1)，使絮團破碎效率快速增大，導(dǎo)致絮凝更早進入破碎階段，同時到達亞穩(wěn)定階段時的絮團平均粒度有所降低。

3)攪拌槳離地高度對煤泥的絮凝行為的影響不如剪切速率對絮凝行為的影響顯著；在一定范圍內(nèi)增大攪拌槳離底高度有益于提高絮凝過程的聚并效率，使最終的絮團直徑增大。