漸變格柵式煤泥絮凝裝置設計及應用研究

喬治忠，郝彥東，宋曉利，林 喆

(1.神華準格爾能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

自20世紀70年代起，加藥絮凝沉降的廣泛應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、濃縮機結構等眾多因素的影響，煤泥水處理仍是整個選煤工藝中最復雜、最難管理的環節[2]。

煤泥水絮凝是一個復雜的物理化學過程。隨著現代混凝技術的發展，人們逐漸認識到絮凝效果取決于兩個因素：一是由藥劑自身性質決定的吸附架橋聯結能力；二是由絮凝設備的動力學條件所決定的小顆粒碰撞幾率和有效碰撞效果[3]。在碰撞粘附過程中，流動水體的水力作用對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備結構[4]。工程上的絮凝基本都是在湍流環境下完成的，研究發現[5]，在構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力因素。因此，構建符合煤泥水絮凝過程動力需求的絮凝裝置，是提高煤泥水絮凝效率的重要途徑。

在絮凝過程中，煤泥水中的煤泥顆粒由微米級別逐步成長為毫米級別。根據微渦尺度應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，絮凝裝置所能提供的水流微渦尺度也應當逐步增大。Levich導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推導的速度梯度表達式，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系。基于這個思路，本文設計了一種漸變格柵式絮凝裝置，使水流經過該裝置時產生逐步遞減的速度梯度，以滿足微渦尺度遞增的水力需求，并利用該裝置進行煤泥水的絮凝實驗研究。

1 漸變格柵式絮凝裝置的設計

1.1 自保守混凝動力學理論

Wang和Friedlander在1967年首先提出自保守混凝動力學理論[9]。在該體系下，絮體粒徑分布的曲線形狀為值不隨時間變化的折減譜函數，最終達到指數分布的形式，并且與初始條件無關。北京交通大學趙宗升教授課題組在這個體系上做了進一步深入研究，認為對于一個自保守混凝系統，速度梯度G(剪切速率)必須隨著時間按如下規律變化[10]：

G=G0/(1+Kt)

(1)

式中，G0為初始速度梯度，s-1；t為絮凝時間，s；K為常數系數，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，1.38×10-23m2·kg/(s2·K)；T為開氏溫度，K；μ為運動粘滯性系數，Pa·s。

由式(1)可知，自保守絮凝體系下速度梯度G在混凝過程中是逐步遞減的，符合絮體成長對流體動力的需求。本研究即以此為依據進行漸變格柵式絮凝裝置的設計。

1.2 格柵參數的設計計算

速度梯度理論最早是在層流條件下導出的，但仍被廣泛應用于湍流條件下的絮凝裝置的設計[8]。由于湍流的復雜性，其速度梯度難以估算，因此本研究在進行設計時，格柵中水流的速度梯度仍采用層流條件進行估算：假定流體在流動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系。則根據速度梯度的物理定義，有：

G′=4u/de

(3)

式中，de為矩形流動通道的水力當量直徑，m。

本研究采用截面為長方形的柱體作為絮凝裝置主體，內置格柵。設截面矩形長為L，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)，則煤泥水流經第N組格柵時的平均流速uN為：

此時，nN個格柵將截面分為nN+1個相對獨立的小通道，其當量直徑：

根據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量。此后的每組格柵中每排格柵的數量按組序遞減1，并由式(3)求得每組格柵對應的速度梯度，結合式(1)可得煤泥水在每個格柵數量下的停留時間θN：

因此，第N組格柵區的高度hN為：

hN=uNθN

(7)

在高為hN的區域中，將格柵以中心距lN為L/(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K=2.73s-1。絮凝裝置主體高1000mm；截面長100mm，寬20mm，格柵選擇直徑5mm的圓柱。處理量取2.4L/min，根據前述設計方法可得到如圖1所示的漸變格柵式絮凝裝置，具體的布置結構參數見表1。

2 煤泥水絮凝試驗

2.1 試驗裝置

漸變格柵式絮凝裝置用有機玻璃板加工而成，寬100mm，厚20mm，布流區高100mm，有效絮凝反應區(格柵區，格柵布置如1.2節所述)高1000mm，如圖2所示。試驗時，10g/L的煤泥水由蠕動泵控制流量進入絮凝裝置；絮凝劑(聚丙烯酰胺，PAM)由另一個微型蠕動泵控制加藥量，通過三通管加入煤泥水中；藥劑和煤泥水經管道和絮凝裝置的布流區充分混合后，進入格柵區進行絮凝；絮凝后的煤泥水經溢流槽排放，并取樣沉降后測上清液濁度。

圖1 格柵絮凝裝置

表1 格柵絮凝裝置格柵布置結構參數

圖2 絮凝試驗系統

2.2 絮凝劑用量的確定

為避免藥劑因素對試驗結果分析的干擾，在格柵式絮凝裝置中進行試驗前需先確定較優的藥劑制度，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配制的濃度為1g/L的分子量1000萬的陰離子型聚丙烯酰胺，再上下翻轉10次，使煤泥水和藥劑混合均勻，然后靜置15min，取上清液測其濁度值。取濁度最低時的藥劑添加量為格柵式絮凝裝置絮凝試驗的藥劑量。

2.3 格柵式絮凝裝置中的絮凝試驗

在1.2節設計計算時，預設流量為2.4L/min。由于采用層流狀態估算速度梯度，絮凝格柵中實際的速度梯度可能和預設值有偏差。通過改變進料流量可以改變初始速度梯度。因此，將進料流量分別設為1.65、2.28、2.91和3.54L/min(對應蠕動泵轉速為225、250、300和350r/min)進行試驗，考察初始速度梯度的影響。

每次試驗取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型濁度儀其測上清液濁度。試驗過程中，在格柵區自下向上30、45和60cm處拍攝絮體照片，用于分析絮體的性質。每次試驗進行15min，取樣和拍照均在試驗開始5min系統穩定后進行。

3 結果與討論

3.1 絮凝劑用量對絮凝效果的影響

絮凝劑用量影響絮凝效果的燒杯試驗結果如圖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時達到最小值而后開始增大。這是由于試驗采用的絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)屬于高分子有機化合物，其主要作用機理是高分子吸附架橋作用和卷掃網捕作用。當加入絮凝劑后，一方面高分子鏈吸附在煤泥顆粒表面會產生一定的電中和作用，另一方面多個煤泥顆粒或絮體通過高分子長鏈連接在一起形成更大的絮團，同時絮團通過卷掃網捕效應強化絮凝效果。但吸附架橋作用的前提是絮體顆粒上存在空白表面，投加過多的絮凝劑時絮粒表面會被高分子完全吸附覆蓋，因而不會再通過架橋作用產生絮凝，此時會產生“膠體保護”現象，使煤泥顆粒重新穩定而降低絮凝效率[11]；另外絮凝劑過多還會導致絮粒被高分子包裹，產生結構疏松的絮團，因而更容易被再次破碎成為較小的絮粒，降低絮凝效果。本試驗中當PAM用量為0.5和1mg/L時，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，后續的大裝置試驗選擇絮凝劑用量為1mg/L。

圖3 絮凝劑單因素試驗結果

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果如圖4所示。由圖4可見，隨著入料流量的增大，溢流濁度呈現先減小后增大的變化趨勢。濁度反映細顆粒的殘余量，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；但同時渦旋尺度越小，對已形成絮體的剪切和侵蝕破碎也越強。本研究在流量為2.28L/min 時，溢流濁度最小，達到最佳絮凝狀態，說明設計計算流量取值2.4L/min較為合理，過高入料流量會產生過度破碎，而過低的入料流量則可能因為碰撞頻率過低而使絮凝不充分。

圖4 入料流量(初始速度梯度)對絮凝效果的影響

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

3.2.2 絮體粒徑

通過拍照統計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，隨著絮凝反應的進行(煤泥水自下而上流過漸變格柵)，絮體平均粒徑都是逐漸增大的，但2.28L/min流量時全過程的絮體尺度都優于其他流速條件，這也說明了合適的速度梯度對絮凝具有重要作用。圖5中還可見，在較低的流量下(1.65L/min)，絮體粒徑是持續增加的，而高流量時則有趨緩的現象，說明低流量時水力環境提供的碰撞頻率不足，需要更多的停留時間以達到充分絮凝。

圖5 不同流量下煤泥水流經漸變格柵式絮凝裝置時的絮體平均粒徑演變

由此可見，以自保守混凝動力學為原理設計的漸變格柵式絮凝沉降反應裝置滿足絮凝過程的速度梯度動態變化的要求：絮凝初期，混凝反應器格柵排布較密集，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；隨著反應器高度的增加，反應器內部流體的流速通過格柵排布的明顯減少來降低速度梯度，避免大的速度梯度下強水流剪切作用破壞已經形成的絮體，絮體逐漸增大，達到良好的絮凝效果。

4 結 論

1)在自保守絮凝動力學的基礎上，通過層流近似法簡化速度梯度可實現漸變速度梯度絮凝裝置的設計，如漸變格柵式絮凝裝置。

2)漸變格柵式絮凝裝置內的流場速度梯度分布滿足煤泥水絮凝過程的水動力條件動態變化的要求，絮凝效果優于直管絮凝。