煤泥水沉降技術(shù)機(jī)理研究

楊洪環(huán)

摘 要：文章介紹了煤泥水和絮凝藥劑混合的理論基礎(chǔ)，在分子級(jí)主要有靜電作用能、分子作用能和疏水作用能妨礙顆粒的絮凝，要增強(qiáng)煤泥水沉降效果，必須增加微小顆粒之間的碰撞幾率，并對這種幾率進(jìn)行有效控制。

關(guān)鍵詞：選煤；煤泥水處理；作用力；顆粒物

中圖分類號(hào)：TD94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）17-0002-02

煤泥水處理問題是選煤界一直關(guān)注研究的重要課題，煤泥水處理是選煤廠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，筆者對煤泥水處理過程中的沉降機(jī)理作了深入分析，對后續(xù)研究有一定的指導(dǎo)作用。

選煤生產(chǎn)中，煤泥水的沉降效果受煤泥水與藥劑混合程度的影響，這種混合程度的關(guān)鍵是提高混勻基礎(chǔ)，這是煤泥水沉降效果的重要前提性工作。在煤泥水的沉降過程中，煤泥顆粒之間會(huì)產(chǎn)生碰撞，顆粒物之間是否能夠有效碰撞，也對煤泥水的沉降效果有一定的作用，影響煤泥水絮凝效果的因素比較多，其中最關(guān)鍵的主要有兩個(gè)：①由于絮凝劑和凝聚劑的作用，凝聚劑水解后產(chǎn)生壓縮雙電層機(jī)理、吸附電中和作用機(jī)理及高分子絡(luò)合物形成的吸附架橋的聯(lián)接能力；②顆粒的碰撞幾率以及如何有效控制。

1 煤泥水沉降內(nèi)部作用力

1.1 擴(kuò)展的DLVO理論

膠體穩(wěn)定性的DLVO理論可對膠體或微粒懸浮體的電解質(zhì)凝聚進(jìn)行令人滿意的解釋。根據(jù)DLVO理論，由于在顆粒的零電點(diǎn)或零電點(diǎn)附近時(shí)顆粒間的雙電層排斥力最小，甚至幾乎不存在，因此電解質(zhì)凝聚的最強(qiáng)烈的聚團(tuán)程度總是出現(xiàn)在零電點(diǎn)或零電點(diǎn)附近。近20年來，科研工作者發(fā)現(xiàn)在親水或者疏水膠體粒子間存在著某種特殊的相互作用力，對膠體分散體系的穩(wěn)定性起決定性作用，從而提出了擴(kuò)展的DLVO理論，即EDLVO理論。在煤泥水懸浮體系中，各種化學(xué)藥劑以及水的作用，經(jīng)典的DLVO理論僅考慮了膠體顆粒間的靜電作用能和范德華力作用能，難以解釋煤泥水懸浮液體系中細(xì)粒煤的凝聚與分散行為。顆粒在多重力的綜合作用下，相互碰撞形成團(tuán)，這個(gè)理論充分分析了顆粒物體之間的膠范德華力作用能、靜電作用能、疏水作用能這些作用勢能用以下公式表示：

式中：U為總作用能；UE為靜電相互作用勢能；UA為范德華相互作用能；US為疏水相互作用能。

顆粒物之間的狀態(tài)主要表現(xiàn)為：若總作用能U>0，顆粒物之間處于分散狀態(tài)；如果總作用能U<0，顆粒物之間處于聚團(tuán)狀態(tài)。

1.2 靜電作用能

礦物在水溶液中受到水偶極及溶質(zhì)的作用，表面會(huì)帶有一種電荷。礦物表面電荷的存在影響溶液中離子的分布：帶相反電荷的離子會(huì)被吸引到顆粒表面附近，帶相同電荷的離子則被排斥到遠(yuǎn)離顆粒表面，于是礦物固體顆粒與水界面間產(chǎn)生電位差。由于體系是電中性的，所以溶液中必定存在著與顆粒表面電荷相等，電性相反的電荷，并且在顆粒周圍形成雙電層。

描述雙電層結(jié)構(gòu)最早是由Gouy-Chapman提出的平板雙電層模型。該模型強(qiáng)調(diào)了離子環(huán)境的穩(wěn)定性，以后Gouy-Chapman對平板模型提出了修正，建立了擴(kuò)散的雙電層模型，但又過分強(qiáng)調(diào)了離子的穩(wěn)定性。上述兩種模型都不能全面說明雙電層的正確結(jié)構(gòu)。

1.3 分子作用能

原子或分子間的分子吸引力與顆粒間距的7次方成反比，衰減很快，作用距離非常短。但分子作用力有加和性，含有大量原子（或分子）的顆粒與顆粒之間的總作用力是顆粒中各個(gè)原子（或分子）與另一顆粒中各個(gè)原子（或分子）間所有作用力的總和，故顆粒間的分子作用力不僅可觀，而且作用距離較大。

1.4 疏水作用能

當(dāng)顆粒物與水混合時(shí)，由于水分子有相互形成氫鍵的性質(zhì)，顆粒物破壞了原有的水結(jié)構(gòu)，分裂了水分子之間的氫鍵結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)離疏水顆粒的水分子會(huì)馬上形成穩(wěn)定氫鍵締合的籠架結(jié)構(gòu)，然而，與疏水顆粒接觸的水分子無論怎么排列，都使水分子四個(gè)電荷中的一個(gè)或多個(gè)指向疏水顆粒表面或非極性分子，最終不會(huì)形成氫鍵。

此時(shí)疏水顆粒表面與水分子的作用很小，小雨形成氫鍵的作用力，從而使得疏水顆粒周圍水分子的位能很高。

熱力學(xué)定律告訴我們，自由能高的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，一定會(huì)轉(zhuǎn)化到自由能低的狀態(tài)，疏水顆粒周圍的水分子總是企圖將疏水顆粒分子排斥開，形成穩(wěn)定的籠架結(jié)構(gòu)。這種作用效果最終體現(xiàn)為疏水顆粒分析相互吸引，聚合成團(tuán)，或者逃出水體系，在液體——?dú)怏w界面聚集，最大程度減少疏水顆粒與水界面的接觸面積，降低整個(gè)體系的自由能。

2 流體外部作用力

藥劑在煤泥水中的分散除了自身的擴(kuò)散外，更重要的就是外力對其進(jìn)行的強(qiáng)制擴(kuò)散，在攪拌槽中，通過葉輪的旋轉(zhuǎn)把機(jī)械能傳送給液體物料，造成液體的強(qiáng)制對流，混合過程正是在強(qiáng)制對流下的強(qiáng)制擴(kuò)散過程。由于不同工藝要求的混勻過程對流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的要求也是不一樣的，絮凝劑在煤泥水中的分散混勻應(yīng)該屬于分子級(jí)混勻，但是現(xiàn)有的機(jī)械混勻方式都無法達(dá)到分子級(jí)的混合均勻，只能在外部施加外力增加顆粒碰撞的機(jī)會(huì)。那么最重要的仍然是外部流體的運(yùn)動(dòng)方式，現(xiàn)以機(jī)械攪拌的方法為例，詳細(xì)介紹流體運(yùn)動(dòng)狀況的表征量，并用其描述混合效果。并根據(jù)流體力學(xué)的基本原理分析攪拌輪產(chǎn)生的液體運(yùn)動(dòng)狀況。

2.1 葉輪的排液量與流體循環(huán)量

在攪拌槽中，葉輪旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)液體在槽內(nèi)流動(dòng)，葉輪的排液量是指在葉輪的帶動(dòng)下，直接排出的液體的體積流量；循環(huán)量是指在循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，所有參與循環(huán)的液體體積流量。在這個(gè)過程中，葉輪會(huì)產(chǎn)生夾帶作用，由于夾帶能力的不同，循環(huán)量和排液量會(huì)有很大不同，一般情況下，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。

2.2 攪拌輪的壓頭

在攪拌槽內(nèi)的閉合流動(dòng)回路中，葉輪的壓頭必等于流動(dòng)路程中的全部阻力損失之和。在克服流體阻力的過程中，排出流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊o數(shù)大小漩渦的動(dòng)能。漩渦尺寸逐漸衰減，最后全部機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫鴱浬ⅰＳ纱丝梢姡瑝侯^H的數(shù)值即是槽內(nèi)液體流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的度量，而渦流產(chǎn)生與流體中的剪切作用，所以壓頭H也是槽內(nèi)流體受到的剪切作用程度的度量。

2.3 排液量和壓頭之比

槽內(nèi)攪拌輪在工作中會(huì)消耗功率，主要在兩個(gè)方面：①形成液體的循環(huán)流動(dòng)；②產(chǎn)生液體的剪切流動(dòng)。不同的工藝工程機(jī)理，兩種流體運(yùn)動(dòng)方式的效應(yīng)不同。在攪拌功率固定情況下，兩種流動(dòng)方式消耗的功率之比對攪拌效果有重要意義。功耗一定，葉輪的直徑變大可以增加液體循環(huán)量和循環(huán)速度，較少流體受到的切作用，反之，葉輪直徑變小，產(chǎn)生的效果與此相反。

一些常用的攪拌輪Q/H比依次減小（即對流體的剪切作用依次增大）的順序是：平槳、渦輪、螺旋槳、鋸齒狀葉輪和有缺口無葉片的圓盤。

應(yīng)用攪拌的某些工藝工程，對Q/H比的要求依次減小（即對剪切作用要求依次增大）的順序是：混勻、傳熱、固體懸浮、固體溶解、氣體分散、液-液（互不溶液體）分散、固體在高粘度性液體中的分散。

因此，在選擇葉輪時(shí)，必須根據(jù)工藝流程和要求來決定，根據(jù)工藝流程需要重視的參數(shù)來確定。還有一些工藝過程對流體循環(huán)量和剪切速率都有一定的要求，在這樣的系統(tǒng)中，通常有一個(gè)最佳的循環(huán)量對剪切速率的比值。當(dāng)然，不管怎么樣，都必須有一個(gè)最低的速率來保證液體能夠流入和流出葉輪區(qū)，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)流體的循環(huán)流動(dòng)，完成整個(gè)工藝流程。

2.4 流體剪切速率及其在槽內(nèi)的分布

葉輪工作中會(huì)產(chǎn)生流體剪切作用，由于剪切作用，不均勻尺度減小，因而產(chǎn)生了攪拌效果。不同的工藝流程，位置不同，以及攪拌槽的大小，會(huì)產(chǎn)生的攪拌效果，這對分析和研究也有重要的意義。

所謂流體剪切應(yīng)力就是流體的粘度與流體剪切速率之積：

流體剪應(yīng)力=μ×（流體剪切速率）

由于剪切速率的不同，攪拌效果也不同，在實(shí)踐和理論上非常重要，其在不同的分散過程中關(guān)系不同。主要分為兩種：一種是脆弱顆粒的不可逆的分散過程，剪切作用下，打碎的顆粒在槽內(nèi)剪切應(yīng)力較小的區(qū)域中不能凝聚；第二種是在可逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，槽內(nèi)葉輪區(qū)的液底由于剪應(yīng)力較小而部分重新復(fù)合和凝聚。分散現(xiàn)象的實(shí)際情況還受到其他因素的影響，各種參數(shù)會(huì)不同，主要受制于剪應(yīng)力的重要性。隨著攪拌槽的大小改變，剪切作用力的作用和趨勢會(huì)有很大不同，如葉輪的增大和減小，攪拌效果也會(huì)產(chǎn)生變化，在實(shí)踐中，更會(huì)涉及到多種因素的影響。

2.5 葉輪雷諾數(shù)

從上文我們可以理解到，流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響著攪拌作用機(jī)理、速度和剪切作用，還有攪拌槽內(nèi)的附件都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，比如說擋板。因此，葉輪雷諾數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù)，它是判斷槽內(nèi)循環(huán)流動(dòng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的依據(jù)，許多其它攪拌參數(shù)，例如功率準(zhǔn)數(shù)和混合時(shí)間系數(shù)等，均可同葉輪雷諾數(shù)關(guān)聯(lián)起來。當(dāng)然它不能準(zhǔn)確表示整個(gè)槽內(nèi)的液體流動(dòng)狀態(tài)，如葉輪的影響等，其中眾多因素還有待于研究發(fā)現(xiàn)。

本文對分子間的作用能作了簡要的介紹，對外力作用使得顆粒之間能夠增加碰撞機(jī)會(huì)的判定參數(shù)進(jìn)行了討論。在外部施加外力增加分子混勻的機(jī)會(huì)，那么最重要的是外部流體的運(yùn)動(dòng)方式，分析了現(xiàn)有攪拌槽內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀況的表征量是如何來描述混合效果。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理分析攪拌輪產(chǎn)生的液體運(yùn)動(dòng)狀況。

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