礦井水處理絮凝劑儲液箱攪拌機設計

張明昊

(晉能控股煤業集團 宏遠工程建設有限責任公司,山西 大同 037003)

國家統計局發布《中華人民共和國2020年國民經濟和社會發展統計公報》數據顯示,煤炭消費量占能源消費總量的56.8%[1]。可見煤炭仍是保障能源供應的基礎能源,在國民經濟中具有舉足輕重的戰略地位。礦井水是伴隨煤炭開采產生的地下涌水,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,所以煤礦礦井水處理受到人們廣泛關注。2020年中國礦業大學孫亞軍等[2]指出煤礦礦區的水環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環境問題,其中以礦井水抽排引發的環境問題最為突出。2021年煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室的王東升[3]介紹礦井水中的懸浮物主是煤炭開采過程中產生的巖粉、煤粒以及其他細顆粒物質,我國大部分煤礦井水中均含有懸浮物。根據懸浮物的特性,對工業用水凈化處理常用的主要方法有混凝、沉淀。混凝是水處理工藝中十分重要的環節,常用的混凝劑為鋁鹽和鐵鹽混凝劑[4]。目前國內研究人員對在水處理的絮凝劑儲液箱內是否必須設置攪拌裝置尚無明確結論。

上海交通大學施俊[5]于2018年介紹上海閔行南部某自來水廠的加藥系統中絮凝劑儲液池未設置攪拌裝置。太原理工大學白飛燕[6]所設計的煤泥壓濾過程藥劑自動添加系統中絮凝劑儲液池也未設置攪拌裝置。周召云等[7]為長城水廠設計的自動控制加藥系統中儲液箱同樣未設置攪拌裝置。2019年韓學淵[8]所研究的浮選加藥系統絮凝劑儲液箱未設置攪拌裝置。2010年上海市政工程設計研究總院張亞勤[9]指出:Al3+質量分數為4.13 %液態硫酸鋁溶液容易結晶,因此,儲液池有必要增加攪拌設備。他設計松江污水處理廠化學除磷加藥裝置時,采用液下泵的方式對儲液池內藥液進行水力攪拌。2018年高勇等[10]設計的煤泥水處理工藝中自動加藥系統儲液箱設置了攪拌器。增設攪拌機的優點明確: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]介紹的攪拌設備設計方法對某礦井水處理廠的儲液箱進行了改造,增加了一套攪拌裝置。

1 礦井水處理廠加藥工藝概述

某礦污水處理廠設計處理能力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,之后藥液排入儲液箱中靜置存放,最后使用加藥泵加壓將儲液箱中配好的藥液投加到沉淀池，如圖1所示。

圖1 絮凝系統流程圖Fig.1 Flow chart of flocculation system

在實際運行中存在以下問題:

1)藥液在儲液箱內容易發生沉淀,導致藥液濃度降低,污水脫泥效果不佳。

2)藥液沉淀會結塊堵塞加藥管道和儲液箱液位計,長時間藥液沉淀還會在儲液箱底部板結,需清理儲液箱底部沉淀。

因此有必要在儲液箱內增設攪拌機。

2 設計內容

2.1 型式選擇

根據《機械攪拌設備》(HG/T 20569—2013)標準,攪拌機選擇偏心頂入式。儲液箱結構為長方體(長×寬×高=1 000 mm×1 000 mm×1 100 mm),在儲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,鋼板上安裝攪拌機減速機和電機,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—儲液箱箱體；3—絮凝劑藥液；4—藥液投放管路；5—攪拌機電機；6—攪拌機減速機；7—攪拌機攪拌桿；8—攪拌葉圖2 儲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

儲液箱現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,機械緊湊,循環流量大,可安裝在現有檢查口偏儲液箱中心位置處。既不需要破壞箱體,也對檢查口效用影響不大,同時偏心安裝有利于液體流動,攪拌效果好。而且螺旋槳葉輪轉速較高,介質分散效果較好。

2.3 攪拌葉輪設計

2)葉輪段數。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,當液深與罐徑之比在1±0.2范圍內,需1段葉輪時,葉輪應安裝在距攪拌罐底0.1～0.2液深的位置。取葉輪距攪拌罐底400 mm。

2.4 攪拌功率計算

攪拌功率由下式計算:

(1)

式中:Np為功率準數,是無因次數;n為回轉數,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,(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Re的函數

(2)

式中:μ為流體黏度,Pa·s；回轉數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Re> 104時,罐內為湍流,Np幾乎是一個定值。查Np與Re關系圖得Np=0.9[12],代入計算攪拌功率P=0.30 kW～0.39 kW。

(3)

式中:PN為攪拌電機功率,kW;Kt為溫度修正系數;Kn為安全系數;η為減速機機械效率。

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

2.5 攪拌軸的設計

1)按扭轉變形計算攪拌軸的軸徑。攪拌軸的直徑由下式計算:

(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為空心軸內徑與外徑的比值;γ—許用扭轉角,對于懸臂梁γ=0.35 °/m,對于單跨梁γ=0.7 °/m;Tmax為軸傳遞的最大轉矩,N·m。

(5)

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

2)按臨界轉速校核攪拌軸的直徑。對于小型的攪拌設備,由于軸徑細,長度短,軸的質量小,因而往往把軸理想化為無質量的帶有圓盤的轉子系統來計算軸的臨界轉速[12]。

臨界轉速為:

(6)

式中:ncr為軸的第一節臨界轉速,r/min;a為懸臂軸兩支點間(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點處所有相當質量的總和。

(7)

式中:m為攪拌器的質量,kg;ηk1為攪拌器附加質量系數,葉片數為3、葉片角θ=37°1′(斜葉)時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;懸臂軸兩支點間(跨間)距離a=150 mm。計算得到ncr=202.5 r/min

3)軸的轉速n與臨界轉速ncr的比值。工作轉速n=132 r/min,低于第一節臨界轉速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

通過實驗確定藥劑沉降時間,進而確定攪拌機啟動頻率。我公司選用的固體PAC藥劑中水不溶物質量分數為1.8%～2.3%,藥液中PAC的質量分數為5%～20%,如圖3所示。經過實驗室進行的微型實驗,測定質量分數為5%～20%的藥液在靜置3 min～5 min后出現了的沉淀,但在15 min～20 min后沉淀增多不明顯。通過對比可以發現:濃度越高沉淀出現得越快,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溶解。

圖3 質量分數為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是質量分數為5%的PAC藥液靜置24 h再去除上清液后殘留的沉淀物。該裝置設置了就地控制箱,利用時控開關預設了3種攪拌模式:持續攪拌;每隔7 min攪拌3 min;每隔10min攪拌5 min。操作員在現場可根據藥液的濃度等實際狀況選擇對應模式,或自行設定攪拌頻率。該裝置提高了藥劑的利用率,大大減輕了工人勞動強度,有著良好的社會經濟效益。

圖4 質量分數為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 經濟社會效益及應用情況

3.1 經濟社會效益

該技術主要有以下三項效益:

1)對改造前后各3個月的生產數據進行對比,改造前平均每月維修加藥系統6次,改造后平均每月維修加藥系統2次,本次改造將加藥系統維護次數縮減了2/3。本廠維修組共4人,每個維修工的工資以7萬元/a。每次維修加藥系統需約0.75 d,則節約維修所需的人工成本約為3.87萬元/a。

2)節約藥劑,對改造前后各3個月的生產數據進行對比。改造前需每15 d清掏1次PAC儲液箱,其底部板結藥劑量烘干后約為50 kg;改造后PAC在儲液箱不板結,不必清掏儲液箱。故每年可節約PAC 1 200 kg。以PAC單價3.6元/kg計算,改造后因減少藥劑沉淀而每年節約藥劑總價約為0.43萬元。

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

圖5 儲液箱改造效果圖Fig.5 Transformation of liquid storage tank

3.2 應用情況

本次改造投入約1 000元購買設備,每年運行成本約800元?？蔀樗畯S降低成本約4.3萬元/a。采用該技術,大大降低了勞動強度,節約了藥劑,提高了設備工作效率,社會經濟效益十分顯著。

4 結論

1)本文通過在礦井水處理廠絮凝劑加藥系統中儲液箱內增設攪拌裝置,并提供了攪拌裝置的設計方法。一般儲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水沖擊的能力,應用前景較為可觀。