煤泥水沉降技術(shù)機理研究

楊洪環(huán)

摘 要：文章介紹了煤泥水和絮凝藥劑混合的理論基礎(chǔ)，在分子級主要有靜電作用能、分子作用能和疏水作用能妨礙顆粒的絮凝，要增強煤泥水沉降效果，必須增加微小顆粒之間的碰撞幾率，并對這種幾率進行有效控制。

關(guān)鍵詞：選煤；煤泥水處理；作用力；顆粒物

中圖分類號：TD94 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0002-02

煤泥水處理問題是選煤界一直關(guān)注研究的重要課題，煤泥水處理是選煤廠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，筆者對煤泥水處理過程中的沉降機理作了深入分析，對后續(xù)研究有一定的指導(dǎo)作用。

選煤生產(chǎn)中，煤泥水的沉降效果受煤泥水與藥劑混合程度的影響，這種混合程度的關(guān)鍵是提高混勻基礎(chǔ)，這是煤泥水沉降效果的重要前提性工作。在煤泥水的沉降過程中，煤泥顆粒之間會產(chǎn)生碰撞，顆粒物之間是否能夠有效碰撞，也對煤泥水的沉降效果有一定的作用，影響煤泥水絮凝效果的因素比較多，其中最關(guān)鍵的主要有兩個：①由于絮凝劑和凝聚劑的作用，凝聚劑水解后產(chǎn)生壓縮雙電層機理、吸附電中和作用機理及高分子絡(luò)合物形成的吸附架橋的聯(lián)接能力；②顆粒的碰撞幾率以及如何有效控制。

1 煤泥水沉降內(nèi)部作用力

1.1 擴展的DLVO理論

膠體穩(wěn)定性的DLVO理論可對膠體或微粒懸浮體的電解質(zhì)凝聚進行令人滿意的解釋。根據(jù)DLVO理論，由于在顆粒的零電點或零電點附近時顆粒間的雙電層排斥力最小，甚至幾乎不存在，因此電解質(zhì)凝聚的最強烈的聚團程度總是出現(xiàn)在零電點或零電點附近。近20年來，科研工作者發(fā)現(xiàn)在親水或者疏水膠體粒子間存在著某種特殊的相互作用力，對膠體分散體系的穩(wěn)定性起決定性作用，從而提出了擴展的DLVO理論，即EDLVO理論。在煤泥水懸浮體系中，各種化學(xué)藥劑以及水的作用，經(jīng)典的DLVO理論僅考慮了膠體顆粒間的靜電作用能和范德華力作用能，難以解釋煤泥水懸浮液體系中細粒煤的凝聚與分散行為。顆粒在多重力的綜合作用下，相互碰撞形成團，這個理論充分分析了顆粒物體之間的膠范德華力作用能、靜電作用能、疏水作用能這些作用勢能用以下公式表示：

式中：U為總作用能；UE為靜電相互作用勢能；UA為范德華相互作用能；US為疏水相互作用能。

顆粒物之間的狀態(tài)主要表現(xiàn)為：若總作用能U>0，顆粒物之間處于分散狀態(tài)；如果總作用能U<0，顆粒物之間處于聚團狀態(tài)。

1.2 靜電作用能

礦物在水溶液中受到水偶極及溶質(zhì)的作用，表面會帶有一種電荷。礦物表面電荷的存在影響溶液中離子的分布：帶相反電荷的離子會被吸引到顆粒表面附近，帶相同電荷的離子則被排斥到遠離顆粒表面，于是礦物固體顆粒與水界面間產(chǎn)生電位差。由于體系是電中性的，所以溶液中必定存在著與顆粒表面電荷相等，電性相反的電荷，并且在顆粒周圍形成雙電層。

描述雙電層結(jié)構(gòu)最早是由Gouy-Chapman提出的平板雙電層模型。該模型強調(diào)了離子環(huán)境的穩(wěn)定性，以后Gouy-Chapman對平板模型提出了修正，建立了擴散的雙電層模型，但又過分強調(diào)了離子的穩(wěn)定性。上述兩種模型都不能全面說明雙電層的正確結(jié)構(gòu)。

1.3 分子作用能

原子或分子間的分子吸引力與顆粒間距的7次方成反比，衰減很快，作用距離非常短。但分子作用力有加和性，含有大量原子（或分子）的顆粒與顆粒之間的總作用力是顆粒中各個原子（或分子）與另一顆粒中各個原子（或分子）間所有作用力的總和，故顆粒間的分子作用力不僅可觀，而且作用距離較大。

1.4 疏水作用能

當(dāng)顆粒物與水混合時，由于水分子有相互形成氫鍵的性質(zhì)，顆粒物破壞了原有的水結(jié)構(gòu)，分裂了水分子之間的氫鍵結(jié)構(gòu)，遠離疏水顆粒的水分子會馬上形成穩(wěn)定氫鍵締合的籠架結(jié)構(gòu)，然而，與疏水顆粒接觸的水分子無論怎么排列，都使水分子四個電荷中的一個或多個指向疏水顆粒表面或非極性分子，最終不會形成氫鍵。

此時疏水顆粒表面與水分子的作用很小，小雨形成氫鍵的作用力，從而使得疏水顆粒周圍水分子的位能很高。

熱力學(xué)定律告訴我們，自由能高的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，一定會轉(zhuǎn)化到自由能低的狀態(tài)，疏水顆粒周圍的水分子總是企圖將疏水顆粒分子排斥開，形成穩(wěn)定的籠架結(jié)構(gòu)。這種作用效果最終體現(xiàn)為疏水顆粒分析相互吸引，聚合成團，或者逃出水體系，在液體——氣體界面聚集，最大程度減少疏水顆粒與水界面的接觸面積，降低整個體系的自由能。

2 流體外部作用力

藥劑在煤泥水中的分散除了自身的擴散外，更重要的就是外力對其進行的強制擴散，在攪拌槽中，通過葉輪的旋轉(zhuǎn)把機械能傳送給液體物料，造成液體的強制對流，混合過程正是在強制對流下的強制擴散過程。由于不同工藝要求的混勻過程對流體運動狀態(tài)的要求也是不一樣的，絮凝劑在煤泥水中的分散混勻應(yīng)該屬于分子級混勻，但是現(xiàn)有的機械混勻方式都無法達到分子級的混合均勻，只能在外部施加外力增加顆粒碰撞的機會。那么最重要的仍然是外部流體的運動方式，現(xiàn)以機械攪拌的方法為例，詳細介紹流體運動狀況的表征量，并用其描述混合效果。并根據(jù)流體力學(xué)的基本原理分析攪拌輪產(chǎn)生的液體運動狀況。

2.1 葉輪的排液量與流體循環(huán)量

在攪拌槽中，葉輪旋轉(zhuǎn)會帶動液體在槽內(nèi)流動，葉輪的排液量是指在葉輪的帶動下，直接排出的液體的體積流量；循環(huán)量是指在循環(huán)運動過程中，所有參與循環(huán)的液體體積流量。在這個過程中，葉輪會產(chǎn)生夾帶作用，由于夾帶能力的不同，循環(huán)量和排液量會有很大不同，一般情況下，前者遠遠大于后者。

2.2 攪拌輪的壓頭

在攪拌槽內(nèi)的閉合流動回路中，葉輪的壓頭必等于流動路程中的全部阻力損失之和。在克服流體阻力的過程中，排出流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊o數(shù)大小漩渦的動能。漩渦尺寸逐漸衰減，最后全部機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫鴱浬?。由此可見，壓頭H的數(shù)值即是槽內(nèi)液體流運動強度的度量，而渦流產(chǎn)生與流體中的剪切作用，所以壓頭H也是槽內(nèi)流體受到的剪切作用程度的度量。

2.3 排液量和壓頭之比

槽內(nèi)攪拌輪在工作中會消耗功率，主要在兩個方面：①形成液體的循環(huán)流動；②產(chǎn)生液體的剪切流動。不同的工藝工程機理，兩種流體運動方式的效應(yīng)不同。在攪拌功率固定情況下，兩種流動方式消耗的功率之比對攪拌效果有重要意義。功耗一定，葉輪的直徑變大可以增加液體循環(huán)量和循環(huán)速度，較少流體受到的切作用，反之，葉輪直徑變小，產(chǎn)生的效果與此相反。

一些常用的攪拌輪Q/H比依次減?。磳α黧w的剪切作用依次增大）的順序是：平槳、渦輪、螺旋槳、鋸齒狀葉輪和有缺口無葉片的圓盤。

應(yīng)用攪拌的某些工藝工程，對Q/H比的要求依次減?。磳羟凶饔靡笠来卧龃螅┑捻樞蚴牵夯靹颉鳠?、固體懸浮、固體溶解、氣體分散、液-液（互不溶液體）分散、固體在高粘度性液體中的分散。

因此，在選擇葉輪時，必須根據(jù)工藝流程和要求來決定，根據(jù)工藝流程需要重視的參數(shù)來確定。還有一些工藝過程對流體循環(huán)量和剪切速率都有一定的要求，在這樣的系統(tǒng)中，通常有一個最佳的循環(huán)量對剪切速率的比值。當(dāng)然，不管怎么樣，都必須有一個最低的速率來保證液體能夠流入和流出葉輪區(qū)，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)流體的循環(huán)流動，完成整個工藝流程。

2.4 流體剪切速率及其在槽內(nèi)的分布

葉輪工作中會產(chǎn)生流體剪切作用，由于剪切作用，不均勻尺度減小，因而產(chǎn)生了攪拌效果。不同的工藝流程，位置不同，以及攪拌槽的大小，會產(chǎn)生的攪拌效果，這對分析和研究也有重要的意義。

所謂流體剪切應(yīng)力就是流體的粘度與流體剪切速率之積：

流體剪應(yīng)力=μ×（流體剪切速率）

由于剪切速率的不同，攪拌效果也不同，在實踐和理論上非常重要，其在不同的分散過程中關(guān)系不同。主要分為兩種：一種是脆弱顆粒的不可逆的分散過程，剪切作用下，打碎的顆粒在槽內(nèi)剪切應(yīng)力較小的區(qū)域中不能凝聚；第二種是在可逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，槽內(nèi)葉輪區(qū)的液底由于剪應(yīng)力較小而部分重新復(fù)合和凝聚。分散現(xiàn)象的實際情況還受到其他因素的影響，各種參數(shù)會不同，主要受制于剪應(yīng)力的重要性。隨著攪拌槽的大小改變，剪切作用力的作用和趨勢會有很大不同，如葉輪的增大和減小，攪拌效果也會產(chǎn)生變化，在實踐中，更會涉及到多種因素的影響。

2.5 葉輪雷諾數(shù)

從上文我們可以理解到，流體的運動狀態(tài)影響著攪拌作用機理、速度和剪切作用，還有攪拌槽內(nèi)的附件都會產(chǎn)生一定的影響，比如說擋板。因此，葉輪雷諾數(shù)是一個很重要的參數(shù)，它是判斷槽內(nèi)循環(huán)流動動力學(xué)狀態(tài)的依據(jù)，許多其它攪拌參數(shù)，例如功率準(zhǔn)數(shù)和混合時間系數(shù)等，均可同葉輪雷諾數(shù)關(guān)聯(lián)起來。當(dāng)然它不能準(zhǔn)確表示整個槽內(nèi)的液體流動狀態(tài)，如葉輪的影響等，其中眾多因素還有待于研究發(fā)現(xiàn)。

本文對分子間的作用能作了簡要的介紹，對外力作用使得顆粒之間能夠增加碰撞機會的判定參數(shù)進行了討論。在外部施加外力增加分子混勻的機會，那么最重要的是外部流體的運動方式，分析了現(xiàn)有攪拌槽內(nèi)的流體運動狀況的表征量是如何來描述混合效果。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理分析攪拌輪產(chǎn)生的液體運動狀況。

參考文獻：

[1] 丁緒淮，周理.液體攪拌[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1983.

[2] 常青.水處理絮凝學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3] L.斯瓦羅夫斯基（英）.朱企新，金鼎五（譯）.固液分離[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.