高效絮凝分級脫水裝置的設計研究

李建波，周 偉，王淑杰，劉亮亮，李 亮

(安徽理工大學， 安徽 淮南 232001)

煤泥水中含有大量細小煤粉顆粒及黏土礦物，這些帶有負電荷的細小煤粉所受到的重力作用很小，而且同種電荷之間的相互排斥作用使得顆粒能夠在水中保持相當穩(wěn)定的均勻分散狀態(tài)，形成懸濁液甚至是膠體[1-2]. 一般的靜沉處理只能實現(xiàn)較大顆粒的沉降，很難通過靜沉實現(xiàn)煤泥水的自然澄清[3]，而現(xiàn)有技術在實現(xiàn)煤泥水“絮凝+分級+脫水”多重目的時，不僅需要絮凝、分級、脫水多工序配合處理，還需要多設備協(xié)同配合，工藝過程復雜，物料在不同設備之間流轉，增大了操作的時間間隙，生產(chǎn)效率較低，無法適應自動化的生產(chǎn)需求。因此，研究設計高效的煤泥水絮凝分級脫水裝置，提高煤泥水處理效率，既是提高生產(chǎn)效率的需要，也是環(huán)境保護的需要。

1 設計思路及目的

遵循煤泥水處理要求和原則，將原有處理煤泥水的多重設備經(jīng)過改進，設計出一種高效絮凝分級脫水裝置，其能夠通過一臺設備對物料完成絮凝、脫水、分級等各個工序的處理[4]. 該裝置要實現(xiàn)：

1) 利用射流混藥裝置和隔膜式鼓動攪拌裝置，實現(xiàn)射流混藥區(qū)中煤泥水與絮凝藥劑高效均勻混合，促使煤泥水中的懸浮物在絮凝沉降區(qū)以較大顆粒或松散絮團的形式沉降分離。

2) 利用離心脫水裝置，在離心力的作用下對沉淀絮團進行脫水，實現(xiàn)固液分離，降低煤炭產(chǎn)品的水分，強化脫水作用，改善脫水效果。

3) 利用振動篩分裝置，對離心脫水產(chǎn)物進行分級，實現(xiàn)粗顆粒物料和細顆粒物料有效篩分，以滿足后續(xù)環(huán)節(jié)對物料回收再利用的要求。

2 高效絮凝分級脫水裝置的設計

高效絮凝分級脫水裝置結構見圖1，初始物料從裝置上端的進料口進入，通過射流混藥區(qū)的加藥機構向初始物料中加入化學藥劑以進行絮凝反應，初始物料經(jīng)絮凝反應后，產(chǎn)生的沉淀物料下沉到沉淀池內，沉淀物料上方的液體經(jīng)溢流口溢出；在離心脫水區(qū)，通過轉動篩籃，使得落入篩籃內的沉淀物料做離心運動，沉淀物料中的水分分離并經(jīng)篩籃側壁上的通液孔移入導流腔內，隨后導流腔內的液體經(jīng)離心液出口排出，而篩籃內脫水后的物料在離心運動后由篩籃移出；篩分機構對篩籃排出的脫水物料，分成不同粒級的顆粒實施篩分，篩分過程中篩除的水分下行經(jīng)排水口排出；離心液出口和溢流口排出的液體再經(jīng)溢流分散管道匯集后，由溢流分散管道的混合液出口排出。由此，完成對含水物料的絮凝、沉降、脫水、分級的所有工序處理，有利于提高脫水效果，也能夠實現(xiàn)對固體顆粒物進行篩分的目的，進而提高生產(chǎn)效率。

1—進料口 2—射流混藥裝置 3—隔膜式鼓動攪拌裝置 4—葉輪攪拌裝置 5—溢流液管道 6—傾斜板 7—混合液排水口 8—絮凝沉淀池 9—離心液管道 10—離心脫水裝置 11—離心沉淀池 12—一級振動篩分裝置 13—二級振動篩分裝置 14—篩下水排出口 a—初始物料 b—絮凝物料 c—溢流液 d—沉淀物料 e—離心液 f—脫水物料 g—振動電機圖1 高效絮凝分級脫水裝置結構示意圖

2.1 箱體的設計

在傳統(tǒng)立式錐形濃縮機結構上進行改進，高效絮凝分級脫水裝置的射流混藥區(qū)、絮凝沉降區(qū)、分散溢流區(qū)、離心脫水區(qū)4個區(qū)域的外部箱體設計為圓柱體結構，振動篩分區(qū)的外部箱體設計為圓錐體結構。

2.2 射流混藥區(qū)

裝置的射流混藥區(qū)主要是由變頻電機(1個)、入料口、葉輪攪拌裝置、射流混藥裝置(含電源、控制器)、隔膜式鼓動攪拌裝置等組成。物料從進料口隨重力作用自由下落，射流混藥裝置實現(xiàn)煤泥水和藥劑的射流混合，加快物料絮凝速度，隔膜式鼓動攪拌裝置對物料快速鼓動推料，增大物料進料量和流動速度，葉輪攪拌裝置對快速混藥的物料進行攪拌，實現(xiàn)物料快速均勻混藥的目的。

1) 射流混藥裝置。

射流混藥裝置結構見圖2，絮凝劑或凝聚劑從加藥管中進入射流混藥裝置內，通過控制器控制射流混藥裝置，將絮凝劑或凝聚劑射流到射流混藥區(qū)，自動化程度高，運行時性能穩(wěn)定，操作方便，加快了物料混藥速度。

2—射流混藥裝置 21—加藥管 22—電源 23—控制器圖2 射流混藥裝置結構示意圖

2) 隔膜式鼓動攪拌裝置。

隔膜式鼓動攪拌裝置結構見圖3，工作時，中心聯(lián)桿在電動機的驅動下，帶動柱塞作往復運動，使隔膜來回鼓動，鼓動初始物料快速到達葉輪攪拌裝置，從而加快混藥速度，加大物料進料量。

3—隔膜式鼓動攪拌裝置 31—隔膜 32—中心聯(lián)桿 33—電動機圖3 隔膜式鼓動攪拌裝置結構示意圖

2.3 絮凝沉降區(qū)

絮凝沉降區(qū)主要由傾斜板、沉淀池組成。絮凝物料經(jīng)由射流混藥區(qū)跌落到絮凝沉降區(qū)，其中傾斜板加快了絮凝物料的跌落速度，絮凝物料由重力勢能沉降到沉淀池進行沉淀。

2.4 分散溢流區(qū)

分散溢流區(qū)包含溢流液管道，絮凝沉降區(qū)產(chǎn)生的溢流液溢流至分散溢流區(qū)，溢流液進入溢流管道同離心脫水區(qū)產(chǎn)生的離心液一起從混合液排水口排出。

2.5 離心脫水區(qū)

離心脫水區(qū)示意圖見圖4，離心脫水區(qū)俯視圖見圖5，主要由篩籃、旋轉電機(1個)、振動電機(2個)、離心液管道等組成。沉淀物料由絮凝沉降區(qū)的沉淀池進入到離心脫水區(qū)，在離心力和軸向激振力等綜合作用下脈動性前移，離心液通過篩籃縫隙排出，沉淀物料在逐漸通過篩籃的過程中完成脫水過程。沉淀物料在進入篩籃篩座和即將離開篩籃完成脫水時，由于回轉半徑的逐漸加大，沉淀物料的切向速度逐漸加大，所產(chǎn)生離心力也隨之增加，更利于較難脫除水分的排出。脫水物料進入到振動篩分區(qū)，而離心液順著離心液管道進入混合液管道同溢流液一起排出。此外，在運動和停止的交替過程中，沉淀物料處于松散狀態(tài)，有利于水分通過物料間空隙排出，從而達到強化脫水、改善脫水效果的目的。

9—離心液管道 10—離心脫水裝置 101—過渡導料管 102—隔板 103—篩籃 104—導流腔 105—離心液排口 106—振動組件 107—接料件 11—離心沉淀池 d—沉淀物料 e—離心液 f—脫水物料圖4 離心脫水區(qū)示意圖

9—離心液管道 10—離心脫水裝置 103—篩籃 106—離心驅動組件圖5 離心脫水區(qū)俯視圖

含水沉淀物料進入到離心脫水區(qū)域中，在旋轉電機產(chǎn)生的切向離心力下，將附著水分甩出，所產(chǎn)生的離心液透過篩籃進入到離心液管道，從混合液排出口排出；而脫水物料在振動電機的振動作用力下，自由沉降到振動篩分區(qū)，其中傾斜板加快脫水物料的沉降速度。

2.6 振動篩分區(qū)

振動篩分區(qū)示意圖見圖6. 脫水物料由離心脫水區(qū)進入到粗顆粒振動篩，透過粗顆粒篩網(wǎng)篩分出-0.5 mm以上的粗顆粒物料，由粗顆粒篩上物收集槽收集。后續(xù)物料同粗顆粒篩下水一同進入細顆粒振動篩進一步篩分，透過細顆粒篩網(wǎng)篩分出-0.5 mm以下的細顆粒物料，由細顆粒篩上物收集槽收集。粗顆粒物料與細顆粒物料篩下水一同從篩下水排出口流出。粗(細)顆粒振動器運行后帶動粗(細)顆粒振動篩和粗(細)顆粒篩網(wǎng)一同振動，增大物料的振動效率，增強粗細顆粒的篩分效果，具有粗細顆粒分級的優(yōu)點。

12—一級振動篩分裝置 121—粗顆粒振動篩 122—粗顆粒篩網(wǎng) 123—粗顆粒振動器 124—粗顆粒篩上物收集槽 13—二級振動篩分裝置 131—細顆粒振動篩 132—細顆粒篩網(wǎng) 133—細顆粒振動器 134—細顆粒篩上物收集槽 14—篩下水排出口圖6 振動篩分區(qū)示意圖

3 裝置可行性分析

裝置內自上而下依次設置射流混藥區(qū)、絮凝沉降區(qū)、離心脫水區(qū)和振動篩分區(qū)。裝置的上端設置用于向混藥區(qū)投放初始物料的進料口。射流混藥區(qū)內設置加藥機構，加藥機構用于向混藥區(qū)內的初始物料中加入?yún)⑴c絮凝反應的化學藥劑；絮凝沉降區(qū)具有用于盛接混藥區(qū)下沉的沉淀物料的沉淀池，裝置側壁上設置有供沉淀物料上方的液體溢出的溢流口，溢流口的高度低于進料口且高于沉淀池的入口；離心脫水區(qū)設有回轉配合的碗狀篩籃和驅使篩籃回轉的離心驅動組件，篩籃用于盛接沉淀池卸出的沉淀物料，篩籃的回轉軸沿鉛垂方向布置，篩籃的側壁具有供沉淀物料中分離的水分通過的通液孔，篩籃的外周側設有與各通液孔均連通的導流腔，導流腔分別與篩籃的外側壁、裝置的內壁密封配合，裝置上設有與導流腔相連通的離心液出口；振動篩分區(qū)設有篩分機構，篩分機構用于對篩籃排出的脫水物料中不同粒級的顆粒實施篩分。裝置的底部設置供篩分過程中的水分排出的排水口，包括溢流分散管道，溢流分散管道分別與溢流口、離心液出口相連通，溢流分散管道具有供溢流液和離心液排出的混合液出口。

射流混藥區(qū)中部設有用于對初始物料與化學藥劑攪拌混合的攪拌機構，攪拌機構包括立狀布置的攪拌軸和攪拌軸上安裝的各個攪拌葉，射流混藥區(qū)內還設有用于將初始物料向攪拌機構處推動的推料機構，推料機構包括沿裝置的徑向活動裝配的推板，推板的中部設置空缺部，空缺部內安裝有柔性的隔膜，隔膜用于在推板往復移動過程中產(chǎn)生波動并使得物料中的固態(tài)物質分散，推板與調節(jié)其沿裝置徑向移動的推料驅動組件相連。加藥機構為射流混藥組件構成，射流混藥組件包括加藥管和加藥泵，加藥泵串接在加藥管的出口端，用于將加藥管入口端流入的化學藥劑噴射至初始物料中。

絮凝沉降區(qū)設有倒錐形的導流管，導流管布置在沉淀池的上方，導流管的上端口與混藥區(qū)相連通，導流管的下端口與沉淀池的池口間隔布置。沉淀池的池口自上而下呈收口狀布置，沉淀池的池壁下端向下延伸形成過渡導料管，過渡導料管的下端伸至篩籃內且與篩籃的籃底間隔布置，過渡導流管在篩籃籃底的投影范圍小于篩籃籃底的布置范圍，過渡導料管用于對沉淀物料進入篩籃內進行導引。

離心脫水區(qū)的裝置外側設有振動組件，振動組件沿裝置的周向間隔布置，振動組件用于驅使篩籃沿軸向激振，使得篩籃內的沉淀物料上下振動。篩籃包括篩籃主體和接料件，篩籃主體與裝置內壁之間形成供脫水物料通行的通行間隙，接料件為與篩籃主體同心布置的環(huán)形件并設置在通行間隙內，接料件用于盛接篩籃主體中移出的脫水物料，接料件的內環(huán)邊部與篩籃主體的的邊沿密封連接，接料件的外環(huán)邊部與裝置的內壁密封配合。接料件上設置供脫水物料向下排出的排料口，排料口與導流腔之間分隔布置。接料件的上表面高度低于篩籃主體的頂邊，篩籃主體的頂邊向下延伸并與接料件的內環(huán)邊部相連接，排料口設置在接料件上表面的較低處，接料件為導流腔的上側腔壁構成，導流腔的腔底高度低于篩籃的底部高度，離心液出口與導流腔的腔室底部對應布置。

振動篩分區(qū)的篩分機構包括沿豎直方向間隔布置的粗顆粒振動篩和細顆粒振動篩，粗顆粒振動篩、細顆粒振動篩分別用于對不同粒級的顆粒進行振動篩分，裝置上對應顆粒篩分區(qū)的裝置部分呈倒錐形。粗(細)顆粒振動篩的旁側設有用于對粗(細)顆粒振動篩上截留的顆粒物進行收集的粗(細)顆粒收集槽，其中粗(細)顆粒振動篩在振動篩分過程中所產(chǎn)生的水分均由排水口排出。

4 裝置中的關鍵環(huán)節(jié)及其作用

1) 射流混藥區(qū)內設有攪拌機構，能夠對初始物料和化學藥劑充分攪拌混合，以提高絮凝反應的效率，進而提高物料的脫水篩分效率；推料機構能將物料推向攪拌機構，有利于提高物料混合的效率和均勻性。另外，在推料機構中的推板中部設置空缺部，并在空缺部處設柔性隔膜，從而在推板往復移動過程中，使得隔膜能夠在隔膜兩側壓力下產(chǎn)生往復波動，繼而有利于物料中的固體物質分散均勻，絮凝反應更加充分，提高反應效率。

2) 絮凝沉降區(qū)與離心脫水區(qū)之間設有倒錐形的導流管，有利于沉淀物料順利落入沉淀池內，順利進入后續(xù)處理工序；同時，導流管的下端口與沉淀池的池口間隔布置，能夠防止沉淀物料堵塞導流管的下端口，并方便沉淀池與導流管之間的液體向溢流口移動；另外，沉淀池的池口自上而下呈收口狀布置，有利于沉淀物料在下沉的過程中逐漸聚攏，方便沉淀物料后續(xù)能夠落入篩籃的中部，進而為沉淀物料的離心運動預留運動的空間；通過設置過渡導流管將沉淀物料由沉淀池導入到篩籃內，且過渡導流管的下端處于篩籃以內，能夠確保沉淀物料順利落入篩籃底部，為沉淀物料的離心運動提供更多的軸向運動空間，而沉淀物料由篩籃的底部中央開始做離心運動并沿篩籃的側壁爬升，繼而提高物料脫水效果。

3) 離心脫水區(qū)的裝置外設有振動組件，能夠為篩籃中進行離心脫水的沉淀物料提供軸向激振力，從而使得沉淀物料能夠在軸向激振力的作用下上下間歇振動，使得沉淀物料更加松散，有利于水分通過物料間隙排出，進一步提高離心脫水的效果；采用導流腔的上側腔壁構成接料件，減少零件數(shù)量，結構更加簡單可靠；將導流腔的腔底高度設置成低于篩籃的底部高度，有利于離心液順利排出，也能在一定程度上提高排水效率；篩籃與裝置之間設置接料件能夠對篩籃中移出的脫水物料進行承接，而通過在接料件上設置排料口，能夠方便脫水產(chǎn)物由接料件向下排出至振動篩分區(qū)。

4) 振動篩分區(qū)中的粗顆粒振動篩、細顆粒振動篩分別對脫水物料中不同粒級的顆粒物進行篩分，將篩分過程中的水分由下方的排水口排出，一方面能夠進一步降低固體物中的含水率，另一方面能夠將不同粒級的顆粒物分別篩選出來，便于后續(xù)對不同粒級的顆粒物分別處理。

5 結 論

高效絮凝分級脫水裝置將射流混藥、絮凝沉降、離心脫水、振動篩分四者工序有效結合在一起，滿足對物料再加工或后續(xù)處理的要求，解決物料需要逐級絮凝、脫水、分級等復雜工藝問題，節(jié)約物料的處理時間，簡化物料的處理步驟，實現(xiàn)物料絮凝、沉降、脫水、分級一體化的目的，適應自動化的生產(chǎn)需求。