擋板式管道混合器絮凝沉降性能的試驗(yàn)研究

張 舒 沈麗娟 張 娟

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

擋板式管道混合器絮凝沉降性能的試驗(yàn)研究

張 舒 沈麗娟 張 娟

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

提高礦漿跟藥劑的混勻程度是改善煤泥水絮凝沉降效果的基礎(chǔ)，在管道中設(shè)置擋板可以有效地促進(jìn)礦漿和藥劑的混合。本文通過(guò)對(duì)管道中擋板的形狀、擋板總數(shù)以及擋板間距這3個(gè)影響因素所進(jìn)行的正交試驗(yàn)，分析得出了有利于煤泥水沉降的最佳條件。

擋板 管道混合器 絮凝沉降 正交試驗(yàn)

選煤廠煤泥水處理時(shí)，通常加入凝聚劑或絮凝劑來(lái)強(qiáng)化煤泥水的沉降效果，藥劑條件是影響絮凝沉降效果的關(guān)鍵因素之一。在藥劑與礦漿的混合過(guò)程中，藥劑和礦粒的有效接觸是首要條件，增強(qiáng)藥劑與礦粒的接觸程度和提高礦漿與藥劑的混勻程度是改善煤泥水絮凝沉降效果的前提與基礎(chǔ)。

管道混合方式耗能低，其消耗的能量主要來(lái)自于管道中流動(dòng)的流體本身，無(wú)需外界再附加能量，而且混合強(qiáng)度可以通過(guò)改變管道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。典型的裝置就是在管道內(nèi)安裝擋板，擋板式管道混合器主要依靠管道內(nèi)的混合單元構(gòu)件擋板對(duì)流經(jīng)的流體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)作用，使流體不斷地急速擴(kuò)大和縮小，并產(chǎn)生連續(xù)強(qiáng)烈的剪切力和切割力，從而達(dá)到均勻混合的目的。

本試驗(yàn)的目的就是對(duì)管道中擋板的各參數(shù)進(jìn)行探索試驗(yàn)，得出各參數(shù)對(duì)煤泥水絮凝沉降的影響規(guī)律，為以后的管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)煤樣

煤樣篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。該煤樣主導(dǎo)粒級(jí)為－0.045mm，占總樣的53.80%，灰分較高，為47.32%，其它兩個(gè)粒級(jí)含量相差不大，分別是20%和26.2%，灰分比－0.045mm較低。該煤樣高灰細(xì)泥含量較大，在選煤廠中較難處理，容易使洗水固體物含量升高。本試驗(yàn)配制的煤泥水濃度為30g／L。

表1 煤樣篩分試驗(yàn)結(jié)果表

1.2 試驗(yàn)藥劑

藥劑為陰離子1200萬(wàn)分子量的聚丙烯酰胺，濃度為50g／t。

1.3 試驗(yàn)儀器

自制擋板式管道混合器如圖1所示，主要由攪拌器、入料槽（高為400mm，內(nèi)徑為250mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃）、閥門(mén)、連接管、加藥器以及擋板式管道（內(nèi)徑為20mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃）這6部分組成。

圖1 自制擋板式管道混合器結(jié)構(gòu)圖

1.4 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

本試驗(yàn)取煤泥水上清液的透射比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，配制煤泥水用自來(lái)水的透射比T，設(shè)定為100%。

試驗(yàn)時(shí)，在入料槽中加入一定量的煤泥水，開(kāi)啟攪拌器進(jìn)行攪拌，達(dá)到均勻入料的目的，之后打開(kāi)閥門(mén)，待流量穩(wěn)定后用注射器以恒定藥劑量加入聚丙烯酰胺，煤泥水和藥劑經(jīng)過(guò)管道混合器后，在出口處用直徑為100mm的接樣容器接取煤泥水1 L，靜置1min后抽取液面下25mm處的上清液，測(cè)其透射比。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明透射比越大，煤泥水絮凝沉降效果越好。

2 擋板參數(shù)分析

2.1 擋板形狀

擋板形狀是擋板式管道混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，改變擋板形狀對(duì)改變管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大的影響，從而進(jìn)一步影響煤泥水絮凝沉降的效果，管道中擋板形狀主要與其橫截面積相關(guān)。

流體流經(jīng)管道某一截面的流量Q與其截面積A和流速v有關(guān)，即Q＝Av。當(dāng)流量Q保持不變時(shí)，截面積A與流速v成反比關(guān)系。在管道中加入面積為S的擋板后，該截面的面積發(fā)生變化，由原來(lái)的A變?yōu)锳－S，若要保持流體流量Q不變，則流體流過(guò)該截面時(shí)流速v應(yīng)急劇增大，且擋板面積S越大，流速v增大的越多。這里的速度v是矢量，其數(shù)值和方向均有變化，因此擋板截面積的大小對(duì)管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)影響較大。

試驗(yàn)設(shè)置兩種截面積大小不同的擋板，擋板F1面積為管截面的一半，擋板F2面積為擋板F1面積的一半，如圖2所示。擋板材質(zhì)為鍍鋅鐵皮，用AB膠粘貼在管道內(nèi)。

圖2 截面積不同的擋板

2.2 擋板間距

擋板間距的大小影響管道中流體的紊流強(qiáng)度，在合適的位置安裝擋板可以產(chǎn)生足夠大的紊流強(qiáng)度，促使煤泥水與藥劑更好的混合。當(dāng)擋板數(shù)目一定時(shí)，其間距還會(huì)影響管道的最終長(zhǎng)度，繼而影響礦漿在管道混合器中的停留時(shí)間，即擋板間距越大，管道越長(zhǎng)，礦漿在管道中停留的時(shí)間越長(zhǎng)。

參考其他擋板管道混合器以及考慮到現(xiàn)實(shí)的可操作性，本試驗(yàn)選取擋板間距為管徑的2倍和4倍，即4cm和8cm。

2.3 擋板總數(shù)

為選取合適的擋板數(shù)目進(jìn)行正交試驗(yàn)，在擋板形狀為F1、擋板間距為8cm時(shí)進(jìn)行了擋板數(shù)目的試驗(yàn)，先取4塊擋板進(jìn)行試驗(yàn)，然后每次增加4塊，擋板數(shù)目試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 擋板數(shù)目試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)前16塊擋板時(shí)，上清液透射比的變化趨勢(shì)比較明顯，從15.10%上升至73.80%。隨著擋板數(shù)目的增加，透射比變化緩慢，上清液趨于穩(wěn)定。參照此試驗(yàn)結(jié)果，選取8塊和16塊擋板進(jìn)行管道混合器的正交試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)共考察3個(gè)因素，擋板形狀A(yù)、擋板間距B以及擋板總數(shù)C，考慮它們之間的交互作用，選取正交表L827，各因素的水平分別為擋板形狀A(yù)：F1、F2，擋板間距B：4cm、8cm，擋板總數(shù)C：8塊、16塊。

4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上方案進(jìn)行了試驗(yàn)，并在試驗(yàn)環(huán)境相同的情況下進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 透射比正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

由表2可知，其中Ki是第i個(gè)因素8次試驗(yàn)結(jié)果之和，ki是第i個(gè)因素8次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，極差R＝k1－k2，Si為離差平方和。

4.1 直觀分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果的直接對(duì)比。通過(guò)表2試驗(yàn)指標(biāo)的結(jié)果直接對(duì)比，可以看出4號(hào)試驗(yàn)兩次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果最好，上清液透射比分別為74.10%和68.28%，因此A1B2C2試驗(yàn)條件最好。

（2）因素水平效果的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和綜合對(duì)比。根據(jù)表2各因素不同水平試驗(yàn)結(jié)果的平均值可以看出，A因素取1水平、B因素取2水平、C因素取2水平時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)最好，這一結(jié)果與直接對(duì)比結(jié)果完全一致。

（3）因素效應(yīng)的直觀對(duì)比。極差的大小可以反映試驗(yàn)中各因素作用的大小。根據(jù)表2中極差R的大小可以得出3個(gè)因素的主次順序?yàn)镃＞A＞B。

表3 方差分析表

4.2 方差分析

按下列順序分別計(jì)算各因素離差平方和Si、試驗(yàn)誤差平方和SE2、自由度f(wàn)i、均方統(tǒng)計(jì)量

由表3可以看出，3個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響順序?yàn)镃＞A＞B，這與直觀分析結(jié)論一致。FA×B與FA×C均小于F0.1（1，8），所以交互作用A×B與A×C均不顯著，為了提高檢驗(yàn)精度，可將其合并為試驗(yàn)誤差SE1。根據(jù)統(tǒng)計(jì)量F做顯著性檢驗(yàn)，可知各因素A、B、C對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較為顯著，且主次順序?yàn)镃＞A＞B，同時(shí)交互作用A×B×C、B×C對(duì)指標(biāo)也有一定的影響。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)自制的擋板式管道混合器進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析得出以下結(jié)論：影響煤泥水沉降效果因素的主次順序?yàn)閾醢蹇倲?shù)、擋板形狀以及擋板間距，并且在擋板總數(shù)為16塊、擋板形狀為F1、擋板間距為8cm時(shí)煤泥水上清液透射比最大，煤泥水沉降效果最佳。

［1］ 陳建中.選煤標(biāo)準(zhǔn)使用手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999

［2］ 劉炯天.試驗(yàn)研究方法［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006

［3］ 吳群英，林亮.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2004

［4］ 劉雁鵬.選煤廠煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（9）

Performance research on flocculation and sedimentation of baffle pipeline mixer

Zhang Shu，Shen Lijuan，Zhang Juan
（Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization，Ministry of Education，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Increasing the mixing degree of reagent and coal slurry is the basis of improving the effect of coal slurry flocculating－sedimentation，and installing baffles in the pipeline can promote the mixing degree.Through the orthogonal experiment on three influential factors of baffle shape，baffle number and baffle spacing，the paper has obtained the optimal condition for coal slurry flocculating－sedimentation.

baffle，pipe mixer，flocculation and sedimentation，orthogonal experiment

TD946.2

A

張舒（1988－），女，江蘇沛縣人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院在讀碩士，從事礦物加工工程的研究。

（責(zé)任編輯 王雅琴）