煤泥水絮凝沉降效果導向的旋流-擾流流場優化

2023-12-18 03:07:04胡金良

潔凈煤技術 2023年12期

胡金良,林喆

(1.神華準能集團有限責任公司,內蒙古自治區鄂爾多斯 010399;2.中國礦業大學化工學院,江蘇徐州 221116)

0 引言

煤泥水處理是選煤廠最難管理的工藝單元之一,其原因在于煤泥水絮凝沉降的影響因素多,包括原煤性質[1]、分選工藝[2]、煤泥水濃度[3]、絮凝藥劑種類及其添加制度[4-5]、煤泥濃縮機的結構和處理量[6]等。從絮凝動力學角度將上述因素進行分類考察是研究絮凝沉降影響規律的有效途徑。絮凝動力學將微細顆粒完整的絮凝過程分為顆粒的碰撞、黏附和可能發生的脫附3個階段[7-8]。而這3個階段的效率取決于2個因素[9]:① 微細顆粒的表面性質和藥劑作用決定的顆粒間的作用力;② 由絮凝設備的水力學條件所決定的顆粒碰撞與脫附行為。工程上,顆粒絮凝基本都在湍流環境下完成。研究發現,湍流中與絮體尺度相近的Kolmogoroff黏性渦旋是促進顆粒碰撞的有效動力因素[10],因此,合理構造絮凝裝置中的渦旋是提高顆粒絮凝的重要途徑。

Tayler在1947年首次提出了渦流發生器,最初應用于航空領域[11]。YANG等[12]、劉小民等[13]和PAN等[14]將渦流發生器應用于尾水管中進行研究,發現通過改變渦流發生器葉片的大小、安裝位置、葉片數目和安裝間隔等參數,可改變尾水管的能量恢復系數,也能對不同水利機械和設備內部水流特性進行一定程度改善。丁美蘭[15]在絮凝池中通過加裝擾流裝置控制微渦旋取得了較好的絮凝效果。因此,為改變旋流場內的水流特性,提高絮凝效率,本研究探討將擾流板(渦流發生器)置于柱式旋流場內,通過擾流板大小、安裝位置和數量等參數,控制水流特性,提高煤泥水絮凝效果。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗用煤泥水取自山西某選煤廠,經測量固體物濃度后,試驗時通過計量加水調整其質量濃度為40 g/L。試驗使用凝聚劑為聚合氯化鋁(PAC),絮凝劑為聚丙烯酰胺(PAM,非離子型,分子量800萬)。

1.2 藥劑制度的確定

為減少藥劑制度對試驗結果的干擾,在進行流體環境影響試驗前,需確定合適的藥劑制度。研究采用量筒混凝沉降試驗確定藥劑制度,具體實施方案為:在1 L具塞量筒中,定量加入配制好濃度的煤泥水1 L,搖勻;加入確定的凝聚劑,翻轉10次,再加入對應絮凝劑,翻轉10次;隨即靜置沉降并開始計時,至出現明顯界面時,記錄為澄清時間,并立即取上清液測定濁度。試驗的加藥方案為:① 固定PAC 用量為1 mg/L,絮凝劑用量從1 mg/L開始,按1 mg/L的梯度遞增至10 mg/L;② 根據試驗①得到的最佳結果固定使用絮凝劑,改變凝聚劑PAM用量,從1 mg/L遞增至10 mg/L。

1.3 旋流-擾流試驗裝置

1.3.1 試驗裝置

試驗系統由煤泥水攪拌桶、給料泵、藥劑貯槽和計量泵、旋流-擾流絮凝沉降裝置以及底流泵構成,如圖1所示。旋流-擾流式絮凝沉降裝置是核心,其基于微渦發生器原理和絮凝動力學原理,在圓柱壁面加入擾流板(微渦發生器),強化流場中的微渦,有望提高絮凝效率。圖1右半部分由內外套筒、溢流槽和底流錐底構成。外筒高800 mm,內筒高500 mm,內筒和外筒形成的環形流道上部封閉,使物料沿外筒壁切向進入后向下流動進入環形空間。環形空間的內筒外壁上裝有擾流板,擾流板尺寸、安裝形式和數量見表1,多組安裝時,豎向中心間距為80 mm。內筒兩端開放,作為中心溢流管,溢流水從裝置上部排出,沉降的煤泥從底部錐斗排出。

表1 絮凝沉降試驗條件Table 1 Test conditions

圖1 試驗裝置及流程示意Fig.1 Devices and process flow of the flocculation-sedimentation experiment

該試驗裝置具有以下特點:① 利用管道沿桶壁方向切向給料,用自身動力形成旋流流場,有利于通過離心力場實現煤泥顆粒的差速碰撞;② 擾流板可以提高旋流流場中的渦流,進而提高絮凝沉降效率;③ 內外套筒設計可實現煤泥水絮凝沉降過程的混藥、混凝和沉降的一體化。系統使用的儀器和儀表型號見表2。

表2 試驗主要儀器儀表Table 2 Main experimental instruments

1.3.2 試驗方法

試驗采用蠕動泵和計量泵分別控制進/出料流量和藥劑流量。在正常工作范圍內,蠕動泵轉速、計量泵頻率都與流量線性對應,因此在絮凝沉降前,需在絮凝沉降試驗使用的管道條件下通過預試驗確定線性關系式,以便試驗中調節蠕動泵轉速和計量泵的頻率設定流量值。

絮凝沉降試驗時,首先將進料蠕動泵和藥劑計量泵流量根據試驗方案設定為對應的轉速或頻率,依次開啟攪拌桶、進料泵和藥劑計量泵,待流量穩定后,打開底流泵,系統穩定運行20 min后,分別采集底流和溢流樣品測定濃度和濁度。

試驗從擾流板尺寸,擾流板數量、擾流板安裝角度以及進料流量等4個因素探索影響絮凝沉降效率。擾流板采用常見的有機玻璃,設計為底邊長10 mm,高分別為10、15、20的等腰三角形,每組5個均勻布在內筒外壁上為1排;擾流板安裝角度θ(圖1)為向上30°、40°、60°和90°,其他參數設定見表1。

1.4 旋流-擾流裝置流場模擬分析

為了解擾流子對流場的影響情況,采用Fluent軟件對旋流-擾流裝置的流場進行了模擬。模擬采用四面體非結構化網格,其他各類參數設置如下[16]:

1)邊界條件。進口采用速度邊界,速度值根據試驗條件設定;底流和溢流出口均定義為自由流出邊界(outflow);壁面設定為無滑移邊界。

2)求解模型。湍流模型選用RNGk-ε湍流模型;用SIMPLEC求解器,QUICK離散格式,設置松弛因子各參數為:壓力0.3,密度1,動量1,湍動能0.7,湍動能耗散率0.8。

2 結果與討論

2.1 藥劑用量的確定

絮凝劑用量對絮凝效果的影響如圖2所示,當使用1 mg/L凝聚劑,絮凝劑用量由1 mg/L逐漸增加至5 mg/L時,絮凝澄清所需時間逐漸減少;當絮凝劑用量超過5 mg/L時,澄清時間反而隨藥劑用量增加變長,沉降速度變慢。沉降后上清液濁度隨藥劑量的增加逐步降低并在5 mg/L后趨于穩定。可見絮凝劑用量過大時可能會因絮凝劑空間位阻效應形成疏松絮體而不利于沉降[1],在本試驗中,取5 mg/L為宜。

圖2 絮凝劑用量對絮凝效果的影響Fig.2 Effect of flocculant dosage on flocculation

凝聚劑用量對澄清效果的影響如圖3所示。隨凝聚劑用量增多,澄清時間先緩慢降低,當凝聚劑用量為2 mg/L時,澄清所需時間最少,此后隨絮凝劑用量增加,澄清時間再次增加并在藥劑達4 mg/L后趨于穩定;對于上清液濁度,隨凝聚劑用量增多,上清液濁度先緩慢減小,當凝聚劑用量為3 mg/L時,上清液濁度達最小,此后隨凝聚劑用量增加,上清液濁度增大并趨于穩定。清液濁度的這種變化通常是因為凝聚劑吸附電中和作用導致的顆粒表面電位的變化[17-18]。綜合沉降時間和上清液濁度,取凝聚劑的最佳加藥量為2 mg/L。

圖3 凝聚劑用量對絮凝效果的影響Fig.3 Effect of coagulant dosage on flocculation

2.2 擾流板對流場特征的影響分析

對旋流-擾流流場的模擬結果表明,擾流板參數對流場有顯著影響。圖4為裝置中自上而下第1組擾流板所在高度的裝置斷面的流場參數分布。圖4(a)顯示,擾流板高度h對流場渦量分布影響顯著:h為10 mm時,渦流不明顯,隨高度h增大,渦流顯著增強,渦旋尺度增加,渦旋中心沿徑向向外移動,這些變化都可能影響混凝的效果。圖4(b)顯示了安裝角度對流場中速度分布的影響,可見安裝角度的影響不顯著。

2.3 混凝試驗結果分析

2.3.1 擾流板高度對絮凝沉降效果的影響

在90°安裝角、5排擾流板和4 L/min進料速度的條件下,改變擾流板高度所得試驗結果如圖5所示。由圖5可知,隨擾流板高度增加,溢流濁度減小而底流濃度增大,直到15 mm時達極值,絮凝沉降效果最好。進一步增加擾流板高度至20 mm時,溢流濁度出現一定程度的升高,底流濃度也相應降低。10 mm擾流板形成的漩渦尺度和強度較小,無法有效促進煤泥顆粒碰撞,煤泥水絮凝效率提高幅度有限;而當擾流板高度達20 mm時,在裝置的環形絮凝空間中占比達4/5,流體紊流程度(能量耗散)過高,導致形成的大絮團會被強紊流剪切破碎[19-20],從而造成小絮體增多,沉降性能變差,底流濃度和溢流濁度均變差;擾流板高度15 mm時,絮凝沉降效果最理想。

圖5 擾流板尺寸對絮凝沉降效果的影響Fig.5 Effect of spoiler size on flocculation and sedimentation

2.3.2 擾流板組數對絮凝沉降效果的影響

在擾流板高度15 mm、安裝角度90°和進料速度4 L/min條件下,改變擾流板組數所得試驗結果如圖6所示。隨擾流板組數增加,溢流濁度逐漸減小,底流濃度增大,當擾流板增至3組時,溢流濁度達到最小,底流濃度最高;進一步增加擾流板組數,溢流濁度又出現一定程度升高而底流濃度減小。這與混凝停留時間有重要關聯:單組擾流板的混凝區太短,細顆粒沒有足夠時間完成碰撞黏附;而5組擾流板雖有足夠長混凝區,但可能造成已絮凝大絮體破碎和壓縮沉降區空間,沉降分離時間縮短,導致沉降不充分,效果變差;3組擾流板的情況下可很好地兼顧混凝區和沉降區的長度,既能保證煤泥顆粒充分碰撞又能保證絮體由足夠的沉降時間,符合高效絮凝要求。

圖6 擾流板組數對絮凝沉降效果影響Fig.6 Effect of the number of spoiler group on flocculation and sedimentation

2.3.3 擾流板安裝角度對絮凝沉降效果的影響

在安裝3組15 mm高擾流板和進料速度4 L/min條件下,擾流板安裝角度對絮凝沉降效果的影響情況如圖7所示。可知相對于擾流板高度和組數,安裝角度對絮凝沉降的影響較小,安裝角由0到90°變化時,溢流濁度有所增加而底流濃度略降低。圖8顯示了水流方向和擾流板的角度ω同安裝角度的關聯性:實際水流在環形管道中螺旋向下運動,因此,當安裝角度為60°和90°時,水流和擾流板間的夾角可能最大,此時擾流板提供了較大的空間位阻作用,使渦流更劇烈,加劇了絮凝體的破碎,因而小絮體增多,濁度增大,而30°安裝角與水流方向夾角最小,渦流強度(能量耗散)最低,可有效避免破碎的發生,絮凝沉降效果最佳。