煤泥離心過濾和機械壓濾的濾餅層粒度分布及其影響

王雪偉,張文軍,2,胡格偉,余悅發(fā),武志宏

(1．中國礦業(yè)大學化工學院,江蘇徐州 221116;2．中國礦業(yè)大學低碳能源研究院,江蘇徐州 221008)

煤泥離心過濾和機械壓濾的濾餅層粒度分布及其影響

王雪偉1,張文軍1,2,胡格偉1,余悅發(fā)1,武志宏1

(1．中國礦業(yè)大學化工學院,江蘇徐州 221116;2．中國礦業(yè)大學低碳能源研究院,江蘇徐州 221008)

針對離心過濾和機械壓濾過程中煤粒成餅機理的差異,采用分層取樣法分析對比了煤泥離心過濾與機械壓濾兩種不同過濾方式形成的濾餅內(nèi)部的粒度及水分分布特點,基于沉降理論探討了離心過濾和機械壓濾的成餅過程,并分析了入料級配對離心過濾過程中濾餅粒度分布的影響。結(jié)果表明：機械壓濾形成的濾餅中,顆粒粒度和濾餅水分沿濾餅厚度的方向無顯著變化,而離心過濾形成的濾餅中,顆粒粒度和濾餅水分沿濾餅厚度的方向存在較大變化,距離濾網(wǎng)越近,濾餅層顆粒的平均粒度越粗、水分越低;入料級配對離心過濾的濾餅層粒度的徑向分布及脫水效果影響顯著,隨著入料平均粒度的減小,上述徑向分布差異呈現(xiàn)縮小的趨勢;沿著濾餅厚度的方向,壓濾濾餅中的過濾比阻分布是相對均勻的,在理論分析中可近似為常數(shù),而離心過濾的濾餅層的過濾比阻分布具有非均勻性,影響比阻分布的因素具有復雜性。

煤泥;離心過濾;壓濾;濾餅粒度分布;濾餅比阻

煤炭產(chǎn)品的水分對煤炭運輸、加工、利用等方面有諸多不利影響,選后產(chǎn)品脫水是煤炭濕法洗選加工過程的必須環(huán)節(jié)[1-3]。由于粒度細、比表面積大,煤泥產(chǎn)品脫水難度大,開發(fā)細粒煤泥脫水技術(shù)一直是選煤行業(yè)的熱點和難點之一。

機械壓濾(圖1(a))技術(shù)已經(jīng)廣泛用于煤泥脫水領(lǐng)域,離心過濾脫水技術(shù)是煤泥脫水研究的重要方向之一[4-5]。在離心過濾脫水過程中(圖1(b),ra為濾餅層內(nèi)表面半徑,r為顆粒所處位置的半徑),固體顆粒與液體在離心力的作用下朝濾網(wǎng)運動,大于篩孔的固體顆粒被篩網(wǎng)攔截形成濾餅層;大部分液體穿過顆粒間隙和篩孔后成為濾液;小于篩孔的顆粒,一部分在液體攜帶下透過顆粒間隙和篩孔進入濾液,一部分則被沉積顆粒層的孔隙結(jié)構(gòu)截留并進入濾餅中[6]。顆粒離心沉積形成濾餅層,其結(jié)構(gòu)既影響液體的脫除速度與效果,也影響濾液的濃度以及細顆粒的回收效果。提高過濾速度、降低濾餅水分與濾液濃度、控制脫水成本是離心過濾技術(shù)研究的主要內(nèi)容。楊建國等[7]分析了粒度組成對煤泥產(chǎn)品水分的影響;張晉霞[8]通過改變?nèi)肓系臐舛确治隽藵舛茸兓瘜γ耗嚯x心脫水效果的影響;張文軍等[9-11]研究了螺旋卸料離心機脫水時間對脫水效果的影響,并探討了細煤泥離心過濾機的粒度截留問題;曾方俊[12]對螺旋卸料過濾離心機進行了理論研究與仿真分析;程曉峰[1]對離心過濾過程濾餅的增長過程進行了計算機模擬;Keles[13],R．Asmatulu[14-15]研究了離心與氣壓聯(lián)合過濾脫水的效果,并利用半工業(yè)化試驗裝置在Arch Coal運行的Cardinal選煤廠對不同粒度組成的細粒精煤進行了脫水試驗,可將＜0．025 mm粒級含量為94．46%的煤泥水分降低到19．4%,可將＜0．025 mm粒級含量為41．3%的煤泥水分降低到15．1%。

圖1 壓濾和離心過濾過程原理Fig．1 Schematic diagram of press filter and centrifugal filtration

濾餅的孔隙率及孔隙的平均直徑與其粒度組成密切相關(guān),濾餅層的顆粒分布是濾餅結(jié)構(gòu)及其過濾性能的基礎(chǔ)因素。本文對比分析了機械壓濾濾餅與離心過濾濾餅中不同區(qū)域的水分及粒度分布情況,并重點對離心過濾濾餅的粒度分布特點及其影響進行了研究與探討。

1 試驗裝置及試樣

所用煤泥樣品采自淮北蘆嶺選煤廠的浮選精煤,其粒度分布見表1。

表1 煤泥粒度組成Table 1 Size distributions of coal sample

表2為將該浮選精煤進行0．074 mm分級后,按照不同粒級比例配制的3種離心過濾模擬試樣。機械壓濾的濾餅采自蘆嶺選煤廠的浮選精煤壓濾機(型號KZG500/1600-U);煤泥離心過濾試驗采用實驗室過濾離心機(型號TD5G),不銹鋼濾網(wǎng)的孔徑為0．074 mm,入料質(zhì)量濃度控制在200 g/L,采用連續(xù)入料方式給料,離心機轉(zhuǎn)數(shù)為2 500 r/min,過濾時間為20 s;采用套篩對煤泥原料及產(chǎn)品的粒度進行分析,采用快速水分儀(型號JT-60)對濾餅的水分進行測定。

表2 3種級配的入料粒度Table 2 Size distributions of three types graded material

將濾餅沿著厚度方向進行環(huán)狀分割,并對各層的粒度、水分進行分析和比較(圖2)。

圖2 濾餅(橫剖面上)分層切割示意Fig．2 Diagram of cake slicing in transverse section

2 結(jié)果與探討

2.1 離心濾餅與壓濾濾餅的比較

表3為離心濾餅及壓濾濾餅分層切割后各層的水分,圖3為蘆嶺浮選精煤機械壓濾形成的濾餅和離心過濾的濾餅分層切割后各層的粒度分布。

表3 煤泥離心過濾與壓濾濾餅的分層水分Table 3 Moisture of centrifugal filter and press filter cake %

水分檢測表明：壓濾濾餅中的各層水分大致相同,均在26．5%左右;煤泥離心濾餅的平均水分為23%,且各分層的水分值變化較大。第1層水分最高,第2層、第3層水分逐漸降低,靠近濾網(wǎng)的第3層水分為20．2%,較第1層降低了5%左右。

粒度分析表明：機械壓濾的濾餅中各層的粒度分布沒有明顯的差異,基本呈均勻分布;而離心過濾形成的濾餅中的顆粒分布具有明顯的不均勻性,即隨著濾餅層所在位置半徑的增大,濾餅層中細顆粒的含量逐漸減少、粗顆粒的含量逐漸增加。這種差異可能源于濾餅層形成過程中顆粒的沉積、堆垛過程的差異。

圖1(a)所示的壓濾過程中,懸浮液經(jīng)入料管被壓入濾板間的濾腔后,流體在壓力差的作用下透過濾布進入收集室;固體顆粒在流體摩擦拖曳作用下也向濾布方向運動,由于受到濾布及已堆積顆粒的截留,逐漸充滿濾腔。由于質(zhì)量力(或體積力)方向朝下,顆粒在垂直于濾布的水平方向僅受摩擦曳力而無質(zhì)量力作用。液體對顆粒的摩擦曳力屬于表面力,機械壓濾過程中顆粒與流體之間的相對速度很小,不足以產(chǎn)生顯著的粒度分離趨勢。所以,壓濾所形成濾餅層的顆粒粒度沿厚度方向呈均勻分布(圖3)。

圖3 壓濾濾餅與離心濾餅中各分層的粒度分布Fig．3 Various layers of particle size distribution of press filter cake and centrifugal filtration of coal slurry

圖1(b)所示的離心過濾過程中,固體顆粒既受到離心力的作用,也受到流體曳力的作用。由于離心力垂直于過濾介質(zhì)表面,且煤泥的密度大于水的密度,因而顆粒群向過濾網(wǎng)沉降的過程屬干擾沉降。顆粒在離心場中的干擾沉降速度[6]為

式中,v為沉降速度,m/s;χ為球形系數(shù);dV為固體顆粒的體積當量直徑,m;δ為固體顆粒的密度,kg/m3;ρ為液體介質(zhì)密度,kg/m3;ω為轉(zhuǎn)鼓角速度,rad/s;Ψ為阻力系數(shù)。

固體顆粒在離心過濾過程中所受離心力遠大于重力,根據(jù)式(1),在相同的沉降環(huán)境中,粗粒煤泥的沉降速度明顯大于細粒煤泥,即在離心過濾的沉降成餅階段,直徑相對較大的粗顆粒沉降速度快,會率先沉積成餅,細粒煤泥的沉降、沉積過程則具有一定的滯后性,由此導致濾餅層中的顆粒沿著徑向產(chǎn)生一定的粒度分布差異(圖3(a),4)。

圖1(b)中,半徑r處取厚度為dr的單位高度的濾餅環(huán),則其所受離心力df可表示為

離心力在半徑r處的濾餅層內(nèi)產(chǎn)生的壓力Fr可表示為

式中,Fr為壓力,N;ρc為濾餅層平均密度,kg/m3。

由式(3)可知,濾餅層中顆粒所受到的離心力沿著回轉(zhuǎn)半徑方向具有傳遞和累積效應,即在離心過濾過程中,也同時存在壓濾效應。這種效應導致顆粒緊密堆積、濾餅孔隙變小、細顆粒的損失減小,同時壓縮濾餅的含液空間,對降低濾餅的水分具有積極影響。

離心濾餅的粒度分析表明：雖然采用的濾網(wǎng)孔徑為0．074 mm,入料中＜0．074 mm的部分占48．76%,但濾餅各分層中＜0．074 mm的含量都超過30%。由此說明,離心過濾形成的濾餅層的孔隙結(jié)構(gòu)對微細顆粒具有顯著的截留作用,濾網(wǎng)孔徑的大小主要決定流失到濾液中的最大顆粒的粒度,濾層的孔隙結(jié)構(gòu)決定細顆粒的回收效果。

2.2 入料組成對離心濾餅粒度分布及脫水效果的影響

以各粒度級的中值粒度為基準,按式(4)計算表2中各入料的加權(quán)平均粒度,并以之作為區(qū)別不同級配的入料的特征粒度。

式中,dav為粒群特征粒度,mm;dai為各粒級的中值粒度,mm;γi為各粒級的產(chǎn)率,%。

3種不同級配的入料所對應的特征粒度分別為0．244(級配1),0．170(級配2),0．122 mm(級配3);級配1中＞0．074 mm含量占主導,級配3中＜0．074 mm占主導;級配1的特征粒度約為級配3的2倍。

在轉(zhuǎn)速與過濾時間相同的情況下,當入料的特征粒度分別為0．244,0．170,0．122 mm時,對應的濾餅水分分別為20．83%,22．61%和24．83%,即隨著濾餅特征粒度的減小,離心脫水后的濾餅的平均水分逐漸升高。

由圖4可知,對于同一級配的煤泥,離心過濾濾餅各分層中的細顆粒的含量沿濾餅厚度方向逐漸減少,粗顆粒則逐漸增多,且離篩網(wǎng)越近,顆粒層的顆粒平均粒度越大。隨著入料特征粒度的減小,離心過濾濾餅各分層中的細顆粒本級含量逐漸增多,顆粒粒度沿著厚度方向(即回轉(zhuǎn)半徑方向)的分布差異呈逐漸縮小趨勢。

圖4 不同級配物料的濾餅分層顆粒粒度分布Fig．4 Size distributions of cake layered in different graduation

由于濾餅的孔隙大小及孔隙率取決于濾餅的物料粒度及組成,組成濾餅的物料粒度越小,濾餅孔隙率越小,過濾介質(zhì)被阻塞的幾率越大[16]。徐新陽等[17]通過實驗證明：真空過濾的物料比表面積增加2．29倍,濾餅比阻增加了10倍。因而,微細顆粒的含量是影響過濾脫水效果的重要因素。

2.3 濾餅粒度分布對濾餅過濾速度的影響

濾餅過濾的過濾速度[18]為

式中,Q為濾液的體積流量;AF為過濾面積;Δp為流體通過濾餅層的壓力損失;h為濾餅厚度;η為濾液的動力黏度;α為濾層中的過濾比阻;dh為長度為h的典型毛細管的平均水力直徑;Vp,Ap分別為濾層中顆粒的體積和表面積;ε為濾層的孔隙率。

對于壓濾過程,濾餅內(nèi)部顆粒的粒度沿厚度方向呈均勻分布,因此濾餅中不同部位的孔隙率ε、床層顆粒體積比表面積的倒數(shù)Vp/Ap,以及平均水力半徑dh可近似為常數(shù),則根據(jù)式(6)確定的壓濾濾餅中的過濾比阻沿著厚度方向也應是均勻分布的。

對離心過濾過程,由于濾餅中顆粒粒度分布沿濾餅厚度方向存在很大差異,因此離心濾餅層中,不同半徑處的ε,Vp/Ap,dh是變化的,即離心過濾形成的濾餅的ε,Vp/Ap以及dh是半徑或位置的函數(shù)。則根據(jù)式(6),離心過濾的濾餅過濾比阻也是半徑或位置的函數(shù)。由圖3(a),4可知,隨著半徑的增大,離心過濾濾餅層中顆粒的平均粒度逐漸增大,則濾層的孔隙率ε以及濾層顆粒的Vp/Ap亦應增大?；诿毥Y(jié)構(gòu)模型的顆粒層的水力半徑dh也增大。因此,根據(jù)式(6)確定的離心過濾濾餅的過濾比阻沿著半徑增大的方向而降低。

根據(jù)上述分析,離心過濾濾餅的比阻確定及影響存在復雜性。進一步研究和建立離心過濾濾餅的比阻α與濾層顆粒分布及孔隙結(jié)構(gòu)的函數(shù)模型,對于發(fā)展離心過濾理論和技術(shù)具有積極的意義。

3 結(jié) 論

(1)濾餅水分的分層分析表明：機械壓濾形成的濾餅,其水分沿著濾餅厚度基本沒有變化,而離心過濾的濾餅水分沿著厚度或半徑方向存在一定的梯度變化。

(2)濾餅粒度的分層分析表明：機械壓濾形成的濾餅沿厚度方向的粒度分布總體比較均勻;而離心過濾形成的濾餅沿厚度方向的粒度分布不均勻,隨著半徑的增大,即越靠近濾網(wǎng),粗顆粒的相對含量越高,顆粒層的平均粒度變大。

(3)離心過濾濾餅的徑向粒度變化受入料粒度組成的影響。隨著入料中細顆粒含量的增加,濾餅沿厚度方向的粒度分布差異呈現(xiàn)減小的趨勢;在離心過濾過程中,濾餅層對小于濾網(wǎng)孔徑的細顆粒的截留與回收發(fā)揮著重要的作用。

(4)濾餅的過濾比阻分析表明：壓濾濾餅層中的過濾比阻分布是均勻的;離心過濾的濾餅層的過濾比阻隨著濾餅層所在半徑的增大具有降低的趨勢;離心過濾濾餅的過濾比阻的確定及影響存在復雜性。

[1] 程曉峰．細分散煤泥離心脫水裝備研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學,2010．

Cheng Xiaofeng．Research on centrifuging equipment for fine dispersive coal[D]．Xuzhou：China University of Mining&Technology, 2010．

[2] 戚家偉,朱書全,謝廣元,等．極細粒煤選擇性雙向絮凝脫硫降灰實驗研究[J]．中國礦業(yè)大學學報,2005,34(2)：156-159．

Qi Jiawei,Zhu Shuquan,Xie Guangyuan,et al．Desulphurization and deashing of ultrafine coal using selective bilateral flocculation[J]．Journal of China University of Mining&Technology,2005,34(2)： 156-159．

[3] 周明遠,關(guān) 杰．浮選精煤熱壓過濾干燥脫水機理與脫水動力學研究[J]．煤炭學報,2010,35(3)：472-475．

Zhou Mingyuan,Guan Jie．Mechanism and kinetics of flotation concentrate thermo-comptession filtration-drying dewatering[J]．Journal of Coal Society,2010,35(3)：472-475．

[4] 張文軍．高效細分散煤泥懸浮液連續(xù)離心過濾脫水研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學,2002．

Zhang Wenjun．Study on high-efficiency dewatering of finely dispersed coal suspension with continuous centrifugal filtration[D]．Xuzhou：China University of Mining&Technology,2002．

[5] 任 欣,田 園,厲 青．沉降過濾式離心機技術(shù)參數(shù)對煤泥分離效果的影響[J]．煤炭學報,2007,32(2)：206-210．

Ren Xin,Tian Yuan,Li Qing．The influence of screen bowl centrifiuge’s technical parameters on coal slime dewatering[J]．Journal of China Coal Society,2007,32(2)：206-210．

[6] 謝廣元．選礦學[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2005：133-137．

[7] 楊建國,劉傳印,程曉峰,等．煤泥高效離心脫水機脫水效果的試驗研究[J]．礦山機械,2011(7)：96-99．

Yang Jianguo,Liu Chuanyin,Cheng Xiaofeng,et al．Experimental study on dehydration effects of efficient slime centrefuge[J]．Mining &Equipment,2011(7)：96-99．

[8] 張晉霞．浮選精煤離心脫水研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學, 2005．

Zhang Jinxia．Study on dewatering of clean coal with centrifugal filtarion[D]．Xuzhou：China University of Mining&Technology,2005．

[9] 張文軍,李延鋒,劉炯天,等．立式螺旋煤泥過濾離心機脫水時間模型研究[J]．中國礦業(yè)大學學報,2007,36(6)：779-782．

Zhang Wenjun,Li Yanfeng,Liu Jiongtian,et al．Research on dewatering time of the helical slime filtering centrifuge[J]．Journal of China University of Mining&Technology,2007,36(6)：779-782．

[10] Zhang Wenjun,Li Yanfeng,Tang Jie．Cake forming and filtering time in the spiral discharging fine coal fil-tering centrifuge[J]．Journal of Coal Science&Engineering,2012,18(2)：172-176．

[11] 張文軍,李延峰,王進才．細煤泥離心過濾機的粒度截留問題探討[J]．煤炭工程,2007(3)：84-86．

Zhang Wenjun,Li Yanfeng,Wang Jincai．Fine coal particle recovery in the filtering centrefuge[J]．Coal Engineering,2007(3)：84-86．

[12] 曾方?。菪读线^濾離心機的理論研究與仿真分析[D]．武漢：武漢理工大學,2007．

Zeng Fangjun．The theory research and simulation analysis on scroll discharge screen centriguge[D]．Wuhan：Wuhan University of Technology,2007．

[13] Serhat Keles．Development of centribaric dewatering technology[J]．International Journal of Coal Preparition and Utilization,2010,30：204-216．

[14] Asmatulu R．Air pressure-assisted centrifugal dewatering of concentrated fine sulfide partices[J]．International Journal of Rotating Machinery,2011,1：1-7．

[15] Asmatulu R．Removal of moisture from the ultra fine particles using both high centrifugal force and air pressure[J]．Separation Science and Technology,2009,44：265-274．

[16] 石常省,謝廣遠,張悅秋．細粒煤壓濾濾餅的微觀結(jié)構(gòu)分析[J]．中國礦業(yè)大學學報,2006,35(1)：99-103．

Shi Changsheng,Xie Guangyuan,Zhang Yueqiu．Study of the inner structure of fine coal filter cake[J]．Journal of China University of Mining&Technology,2006,35(1)：99-103．

[17] 徐新陽,徐繼潤,鄧長烈,等．氣壓過濾及其濾餅結(jié)構(gòu)分型特征的研究[J]．化工學報,1995,46(1)：8-14．

Xu Xinyang,Xu Jirun,Deng Changlie,et al．Dynamics of air pressure filterarion and fractal filter cake constructure[J]．Journal of Chemical Industry and Engineering,1995,46(1)：8-14．

[18] NaeBe Th,Fahland M．Model calculation of the filter cake porosity, pore size distribution and flow resistance[J]．Aufberritungs-Technik,1994,35(3)：117-124．

Particle size distribution of fine coal cake in filtering centrifuge and press filter and its influences on specific filtering resistance

WANG Xue-wei1,ZHANG Wen-jun1,2,HU Ge-wei1,YU Yue-fa1,WU Zhi-hong1

(1.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In order to study the forming mechanism differences of filter cake under centrifugal force and mechanical stress,the particle size distribution of cakes from the press filter and filtering centrifuge were analyzed by stratified sampling,and the influences of feed grain-size composition on the particle distribution of cake in filtering centrifuge were studied in detail．Results indicate that the particle size distribution and moisture content in the cakes of press filter are uniform,while that of filtering centrifuge changes gradually．The nearer the particles are to the screen,the coarser the average particle size is,and the higher the cake moisture．Moreover,the feed particle size distribution influences the particle size distributions of the filtering centrifuge cake significantly．Due to the particle size distribution of cakes, it can be inferred that the specific filtration resistance in pressure filter cake is relatively uniform and can be treated as constant,but it decreases with the increase of cake radius in filtering centrifuge．It also shows that the recovery of fines smaller than screen mesh depends mainly on the cake bed structure in filtering centrifuge．

coal slime;centrifugal filtration;pressure filter;cake size distribution;specific resistance of filter cake

TD926．2

A

0253-9993(2014)10-2087-05

2014-04-14 責任編輯：張曉寧

國家自然科學基金資助項目(51174204);江蘇省優(yōu)勢學科平臺建設(shè)經(jīng)費資助項目

王雪偉(1988—),男,湖北隨州人,碩士研究生。E-mail：xueweiwangchina@163．com。通訊作者：張文軍(1970—),男,陜西寶雞人,副教授,博士。Tel：0516-83884390,E-mail：zwjcumt@sina．com

王雪偉,張文軍,胡格偉,等．煤泥離心過濾和機械壓濾的濾餅層粒度分布及其影響[J]．煤炭學報,2014,39(10)：2087-2091．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．0496

Wang Xuewei,Zhang Wenjun,Hu Gewei,et al．Particle size distribution of fine coal cake in filtering centrifuge and press filter and its influences on specific filtering resistance[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2087-2091．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．0496