高效絮凝分級(jí)脫水裝置的設(shè)計(jì)研究

李建波，周 偉，王淑杰，劉亮亮，李 亮

(安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南 232001)

煤泥水中含有大量細(xì)小煤粉顆粒及黏土礦物，這些帶有負(fù)電荷的細(xì)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(dāng)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(shí)現(xiàn)較大顆粒的沉降，很難通過(guò)靜沉實(shí)現(xiàn)煤泥水的自然澄清[3]，而現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)現(xiàn)煤泥水“絮凝+分級(jí)+脫水”多重目的時(shí)，不僅需要絮凝、分級(jí)、脫水多工序配合處理，還需要多設(shè)備協(xié)同配合，工藝過(guò)程復(fù)雜，物料在不同設(shè)備之間流轉(zhuǎn)，增大了操作的時(shí)間間隙，生產(chǎn)效率較低，無(wú)法適應(yīng)自動(dòng)化的生產(chǎn)需求。因此，研究設(shè)計(jì)高效的煤泥水絮凝分級(jí)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(hù)的需要。

1 設(shè)計(jì)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(shè)備經(jīng)過(guò)改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種高效絮凝分級(jí)脫水裝置，其能夠通過(guò)一臺(tái)設(shè)備對(duì)物料完成絮凝、脫水、分級(jí)等各個(gè)工序的處理[4]. 該裝置要實(shí)現(xiàn)：

1) 利用射流混藥裝置和隔膜式鼓動(dòng)攪拌裝置，實(shí)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?；蛩缮⑿鯃F(tuán)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(duì)沉淀絮團(tuán)進(jìn)行脫水，實(shí)現(xiàn)固液分離，降低煤炭產(chǎn)品的水分，強(qiáng)化脫水作用，改善脫水效果。

3) 利用振動(dòng)篩分裝置，對(duì)離心脫水產(chǎn)物進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)粗顆粒物料和細(xì)顆粒物料有效篩分，以滿足后續(xù)環(huán)節(jié)對(duì)物料回收再利用的要求。

2 高效絮凝分級(jí)脫水裝置的設(shè)計(jì)

高效絮凝分級(jí)脫水裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，初始物料從裝置上端的進(jìn)料口進(jìn)入，通過(guò)射流混藥區(qū)的加藥機(jī)構(gòu)向初始物料中加入化學(xué)藥劑以進(jìn)行絮凝反應(yīng)，初始物料經(jīng)絮凝反應(yīng)后，產(chǎn)生的沉淀物料下沉到沉淀池內(nèi)，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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)篩籃，使得落入篩籃內(nèi)的沉淀物料做離心運(yùn)動(dòng)，沉淀物料中的水分分離并經(jīng)篩籃側(cè)壁上的通液孔移入導(dǎo)流腔內(nèi)，隨后導(dǎo)流腔內(nèi)的液體經(jīng)離心液出口排出，而篩籃內(nèi)脫水后的物料在離心運(yùn)動(dòng)后由篩籃移出；篩分機(jī)構(gòu)對(duì)篩籃排出的脫水物料，分成不同粒級(jí)的顆粒實(shí)施篩分，篩分過(guò)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(duì)含水物料的絮凝、沉降、脫水、分級(jí)的所有工序處理，有利于提高脫水效果，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固體顆粒物進(jìn)行篩分的目的，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

1—進(jìn)料口 2—射流混藥裝置 3—隔膜式鼓動(dòng)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(jí)振動(dòng)篩分裝置 13—二級(jí)振動(dòng)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(dòng)電機(jī)圖1 高效絮凝分級(jí)脫水裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 箱體的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)立式錐形濃縮機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，高效絮凝分級(jí)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(gè)區(qū)域的外部箱體設(shè)計(jì)為圓柱體結(jié)構(gòu)，振動(dòng)篩分區(qū)的外部箱體設(shè)計(jì)為圓錐體結(jié)構(gòu)。

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(jī)(1個(gè))、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(dòng)攪拌裝置等組成。物料從進(jìn)料口隨重力作用自由下落，射流混藥裝置實(shí)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(dòng)攪拌裝置對(duì)物料快速鼓動(dòng)推料，增大物料進(jìn)料量和流動(dòng)速度，葉輪攪拌裝置對(duì)快速混藥的物料進(jìn)行攪拌，實(shí)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，絮凝劑或凝聚劑從加藥管中進(jìn)入射流混藥裝置內(nèi)，通過(guò)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(dòng)化程度高，運(yùn)行時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖

2) 隔膜式鼓動(dòng)攪拌裝置。

隔膜式鼓動(dòng)攪拌裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，工作時(shí)，中心聯(lián)桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使隔膜來(lái)回鼓動(dòng)，鼓動(dòng)初始物料快速到達(dá)葉輪攪拌裝置，從而加快混藥速度，加大物料進(jìn)料量。

3—隔膜式鼓動(dòng)攪拌裝置 31—隔膜 32—中心聯(lián)桿 33—電動(dòng)機(jī)圖3 隔膜式鼓動(dòng)攪拌裝置結(jié)構(gòu)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(shì)能沉降到沉淀池進(jìn)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(jìn)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(jiàn)圖4，離心脫水區(qū)俯視圖見(jiàn)圖5，主要由篩籃、旋轉(zhuǎn)電機(jī)(1個(gè))、振動(dòng)電機(jī)(2個(gè))、離心液管道等組成。沉淀物料由絮凝沉降區(qū)的沉淀池進(jìn)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(dòng)性前移，離心液通過(guò)篩籃縫隙排出，沉淀物料在逐漸通過(guò)篩籃的過(guò)程中完成脫水過(guò)程。沉淀物料在進(jìn)入篩籃篩座和即將離開(kāi)篩籃完成脫水時(shí)，由于回轉(zhuǎn)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(jìn)入到振動(dòng)篩分區(qū)，而離心液順著離心液管道進(jìn)入混合液管道同溢流液一起排出。此外，在運(yùn)動(dòng)和停止的交替過(guò)程中，沉淀物料處于松散狀態(tài)，有利于水分通過(guò)物料間空隙排出，從而達(dá)到強(qiáng)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(guò)渡導(dǎo)料管 102—隔板 103—篩籃 104—導(dǎo)流腔 105—離心液排口 106—振動(dòng)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(qū)動(dòng)組件圖5 離心脫水區(qū)俯視圖

含水沉淀物料進(jìn)入到離心脫水區(qū)域中，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(guò)篩籃進(jìn)入到離心液管道，從混合液排出口排出；而脫水物料在振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)作用力下，自由沉降到振動(dòng)篩分區(qū)，其中傾斜板加快脫水物料的沉降速度。

2.6 振動(dòng)篩分區(qū)

振動(dòng)篩分區(qū)示意圖見(jiàn)圖6. 脫水物料由離心脫水區(qū)進(jìn)入到粗顆粒振動(dòng)篩，透過(guò)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(jìn)入細(xì)顆粒振動(dòng)篩進(jìn)一步篩分，透過(guò)細(xì)顆粒篩網(wǎng)篩分出-0.5 mm以下的細(xì)顆粒物料，由細(xì)顆粒篩上物收集槽收集。粗顆粒物料與細(xì)顆粒物料篩下水一同從篩下水排出口流出。粗(細(xì))顆粒振動(dòng)器運(yùn)行后帶動(dòng)粗(細(xì))顆粒振動(dòng)篩和粗(細(xì))顆粒篩網(wǎng)一同振動(dòng)，增大物料的振動(dòng)效率，增強(qiáng)粗細(xì)顆粒的篩分效果，具有粗細(xì)顆粒分級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。

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

3 裝置可行性分析

裝置內(nèi)自上而下依次設(shè)置射流混藥區(qū)、絮凝沉降區(qū)、離心脫水區(qū)和振動(dòng)篩分區(qū)。裝置的上端設(shè)置用于向混藥區(qū)投放初始物料的進(jìn)料口。射流混藥區(qū)內(nèi)設(shè)置加藥機(jī)構(gòu)，加藥機(jī)構(gòu)用于向混藥區(qū)內(nèi)的初始物料中加入?yún)⑴c絮凝反應(yīng)的化學(xué)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(cè)壁上設(shè)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(jìn)料口且高于沉淀池的入口；離心脫水區(qū)設(shè)有回轉(zhuǎn)配合的碗狀篩籃和驅(qū)使篩籃回轉(zhuǎn)的離心驅(qū)動(dòng)組件，篩籃用于盛接沉淀池卸出的沉淀物料，篩籃的回轉(zhuǎn)軸沿鉛垂方向布置，篩籃的側(cè)壁具有供沉淀物料中分離的水分通過(guò)的通液孔，篩籃的外周側(cè)設(shè)有與各通液孔均連通的導(dǎo)流腔，導(dǎo)流腔分別與篩籃的外側(cè)壁、裝置的內(nèi)壁密封配合，裝置上設(shè)有與導(dǎo)流腔相連通的離心液出口；振動(dòng)篩分區(qū)設(shè)有篩分機(jī)構(gòu)，篩分機(jī)構(gòu)用于對(duì)篩籃排出的脫水物料中不同粒級(jí)的顆粒實(shí)施篩分。裝置的底部設(shè)置供篩分過(guò)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(shè)有用于對(duì)初始物料與化學(xué)藥劑攪拌混合的攪拌機(jī)構(gòu)，攪拌機(jī)構(gòu)包括立狀布置的攪拌軸和攪拌軸上安裝的各個(gè)攪拌葉，射流混藥區(qū)內(nèi)還設(shè)有用于將初始物料向攪拌機(jī)構(gòu)處推動(dòng)的推料機(jī)構(gòu)，推料機(jī)構(gòu)包括沿裝置的徑向活動(dòng)裝配的推板，推板的中部設(shè)置空缺部，空缺部?jī)?nèi)安裝有柔性的隔膜，隔膜用于在推板往復(fù)移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生波動(dòng)并使得物料中的固態(tài)物質(zhì)分散，推板與調(diào)節(jié)其沿裝置徑向移動(dòng)的推料驅(qū)動(dòng)組件相連。加藥機(jī)構(gòu)為射流混藥組件構(gòu)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(xué)藥劑噴射至初始物料中。

絮凝沉降區(qū)設(shè)有倒錐形的導(dǎo)流管，導(dǎo)流管布置在沉淀池的上方，導(dǎo)流管的上端口與混藥區(qū)相連通，導(dǎo)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(guò)渡導(dǎo)料管，過(guò)渡導(dǎo)料管的下端伸至篩籃內(nèi)且與篩籃的籃底間隔布置，過(guò)渡導(dǎo)流管在篩籃籃底的投影范圍小于篩籃籃底的布置范圍，過(guò)渡導(dǎo)料管用于對(duì)沉淀物料進(jìn)入篩籃內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)引。

離心脫水區(qū)的裝置外側(cè)設(shè)有振動(dòng)組件，振動(dòng)組件沿裝置的周向間隔布置，振動(dòng)組件用于驅(qū)使篩籃沿軸向激振，使得篩籃內(nèi)的沉淀物料上下振動(dòng)。篩籃包括篩籃主體和接料件，篩籃主體與裝置內(nèi)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(shè)置在通行間隙內(nèi)，接料件用于盛接篩籃主體中移出的脫水物料，接料件的內(nèi)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(nèi)壁密封配合。接料件上設(shè)置供脫水物料向下排出的排料口，排料口與導(dǎo)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(nèi)環(huán)邊部相連接，排料口設(shè)置在接料件上表面的較低處，接料件為導(dǎo)流腔的上側(cè)腔壁構(gòu)成，導(dǎo)流腔的腔底高度低于篩籃的底部高度，離心液出口與導(dǎo)流腔的腔室底部對(duì)應(yīng)布置。

振動(dòng)篩分區(qū)的篩分機(jī)構(gòu)包括沿豎直方向間隔布置的粗顆粒振動(dòng)篩和細(xì)顆粒振動(dòng)篩，粗顆粒振動(dòng)篩、細(xì)顆粒振動(dòng)篩分別用于對(duì)不同粒級(jí)的顆粒進(jìn)行振動(dòng)篩分，裝置上對(duì)應(yīng)顆粒篩分區(qū)的裝置部分呈倒錐形。粗(細(xì))顆粒振動(dòng)篩的旁側(cè)設(shè)有用于對(duì)粗(細(xì))顆粒振動(dòng)篩上截留的顆粒物進(jìn)行收集的粗(細(xì))顆粒收集槽，其中粗(細(xì))顆粒振動(dòng)篩在振動(dòng)篩分過(guò)程中所產(chǎn)生的水分均由排水口排出。

4 裝置中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及其作用

1) 射流混藥區(qū)內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)構(gòu)，能夠?qū)Τ跏嘉锪虾突瘜W(xué)藥劑充分?jǐn)嚢杌旌?，以提高絮凝反?yīng)的效率，進(jìn)而提高物料的脫水篩分效率；推料機(jī)構(gòu)能將物料推向攪拌機(jī)構(gòu)，有利于提高物料混合的效率和均勻性。另外，在推料機(jī)構(gòu)中的推板中部設(shè)置空缺部，并在空缺部處設(shè)柔性隔膜，從而在推板往復(fù)移動(dòng)過(guò)程中，使得隔膜能夠在隔膜兩側(cè)壓力下產(chǎn)生往復(fù)波動(dòng)，繼而有利于物料中的固體物質(zhì)分散均勻，絮凝反應(yīng)更加充分，提高反應(yīng)效率。

2) 絮凝沉降區(qū)與離心脫水區(qū)之間設(shè)有倒錐形的導(dǎo)流管，有利于沉淀物料順利落入沉淀池內(nèi)，順利進(jìn)入后續(xù)處理工序；同時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)流管的下端口，并方便沉淀池與導(dǎo)流管之間的液體向溢流口移動(dòng)；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(guò)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(jìn)而為沉淀物料的離心運(yùn)動(dòng)預(yù)留運(yùn)動(dòng)的空間；通過(guò)設(shè)置過(guò)渡導(dǎo)流管將沉淀物料由沉淀池導(dǎo)入到篩籃內(nèi)，且過(guò)渡導(dǎo)流管的下端處于篩籃以內(nèi)，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(yùn)動(dòng)提供更多的軸向運(yùn)動(dòng)空間，而沉淀物料由篩籃的底部中央開(kāi)始做離心運(yùn)動(dòng)并沿篩籃的側(cè)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(shè)有振動(dòng)組件，能夠?yàn)楹Y籃中進(jìn)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(dòng)，使得沉淀物料更加松散，有利于水分通過(guò)物料間隙排出，進(jìn)一步提高離心脫水的效果；采用導(dǎo)流腔的上側(cè)腔壁構(gòu)成接料件，減少零件數(shù)量，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠；將導(dǎo)流腔的腔底高度設(shè)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(shè)置接料件能夠?qū)Y籃中移出的脫水物料進(jìn)行承接，而通過(guò)在接料件上設(shè)置排料口，能夠方便脫水產(chǎn)物由接料件向下排出至振動(dòng)篩分區(qū)。

4) 振動(dòng)篩分區(qū)中的粗顆粒振動(dòng)篩、細(xì)顆粒振動(dòng)篩分別對(duì)脫水物料中不同粒級(jí)的顆粒物進(jìn)行篩分，將篩分過(guò)程中的水分由下方的排水口排出，一方面能夠進(jìn)一步降低固體物中的含水率，另一方面能夠?qū)⒉煌＜?jí)的顆粒物分別篩選出來(lái)，便于后續(xù)對(duì)不同粒級(jí)的顆粒物分別處理。

5 結(jié) 論

高效絮凝分級(jí)脫水裝置將射流混藥、絮凝沉降、離心脫水、振動(dòng)篩分四者工序有效結(jié)合在一起，滿足對(duì)物料再加工或后續(xù)處理的要求，解決物料需要逐級(jí)絮凝、脫水、分級(jí)等復(fù)雜工藝問(wèn)題，節(jié)約物料的處理時(shí)間，簡(jiǎn)化物料的處理步驟，實(shí)現(xiàn)物料絮凝、沉降、脫水、分級(jí)一體化的目的，適應(yīng)自動(dòng)化的生產(chǎn)需求。