煤泥水絮凝沉降效果導(dǎo)向的旋流-擾流流場(chǎng)優(yōu)化

胡金良,林 喆

(1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 010399;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)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(zhì)[1]、分選工藝[2]、煤泥水濃度[3]、絮凝藥劑種類(lèi)及其添加制度[4-5]、煤泥濃縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和處理量[6]等。從絮凝動(dòng)力學(xué)角度將上述因素進(jìn)行分類(lèi)考察是研究絮凝沉降影響規(guī)律的有效途徑。絮凝動(dòng)力學(xué)將微細(xì)顆粒完整的絮凝過(guò)程分為顆粒的碰撞、黏附和可能發(fā)生的脫附3個(gè)階段[7-8]。而這3個(gè)階段的效率取決于2個(gè)因素[9]:① 微細(xì)顆粒的表面性質(zhì)和藥劑作用決定的顆粒間的作用力;② 由絮凝設(shè)備的水力學(xué)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(huán)境下完成。研究發(fā)現(xiàn),湍流中與絮體尺度相近的Kolmogoroff黏性渦旋是促進(jìn)顆粒碰撞的有效動(dòng)力因素[10],因此,合理構(gòu)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(fā)生器,最初應(yīng)用于航空領(lǐng)域[11]。YANG等[12]、劉小民等[13]和PAN等[14]將渦流發(fā)生器應(yīng)用于尾水管中進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變渦流發(fā)生器葉片的大小、安裝位置、葉片數(shù)目和安裝間隔等參數(shù),可改變尾水管的能量恢復(fù)系數(shù),也能對(duì)不同水利機(jī)械和設(shè)備內(nèi)部水流特性進(jìn)行一定程度改善。丁美蘭[15]在絮凝池中通過(guò)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(chǎng)內(nèi)的水流特性,提高絮凝效率,本研究探討將擾流板(渦流發(fā)生器)置于柱式旋流場(chǎng)內(nèi),通過(guò)擾流板大小、安裝位置和數(shù)量等參數(shù),控制水流特性,提高煤泥水絮凝效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)用煤泥水取自山西某選煤廠,經(jīng)測(cè)量固體物濃度后,試驗(yàn)時(shí)通過(guò)計(jì)量加水調(diào)整其質(zhì)量濃度為40 g/L。試驗(yàn)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(wàn))。

1.2 藥劑制度的確定

為減少藥劑制度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾,在進(jìn)行流體環(huán)境影響試驗(yàn)前,需確定合適的藥劑制度。研究采用量筒混凝沉降試驗(yàn)確定藥劑制度,具體實(shí)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(zhuǎn)10次,再加入對(duì)應(yīng)絮凝劑,翻轉(zhuǎn)10次;隨即靜置沉降并開(kāi)始計(jì)時(shí),至出現(xiàn)明顯界面時(shí),記錄為澄清時(shí)間,并立即取上清液測(cè)定濁度。試驗(yàn)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(kāi)始,按1 mg/L的梯度遞增至10 mg/L;② 根據(jù)試驗(yàn)①得到的最佳結(jié)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(yàn)裝置

1.3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)由煤泥水?dāng)嚢柰啊⒔o料泵、藥劑貯槽和計(jì)量泵、旋流-擾流絮凝沉降裝置以及底流泵構(gòu)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(fā)生器原理和絮凝動(dòng)力學(xué)原理,在圓柱壁面加入擾流板(微渦發(fā)生器),強(qiáng)化流場(chǎng)中的微渦,有望提高絮凝效率。圖1右半部分由內(nèi)外套筒、溢流槽和底流錐底構(gòu)成。外筒高800 mm,內(nèi)筒高500 mm,內(nèi)筒和外筒形成的環(huán)形流道上部封閉,使物料沿外筒壁切向進(jìn)入后向下流動(dòng)進(jìn)入環(huán)形空間。環(huán)形空間的內(nèi)筒外壁上裝有擾流板,擾流板尺寸、安裝形式和數(shù)量見(jiàn)表1,多組安裝時(shí),豎向中心間距為80 mm。內(nèi)筒兩端開(kāi)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(yàn)條件Table 1 Test conditions

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

該試驗(yàn)裝置具有以下特點(diǎn):① 利用管道沿桶壁方向切向給料,用自身動(dòng)力形成旋流流場(chǎng),有利于通過(guò)離心力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)煤泥顆粒的差速碰撞;② 擾流板可以提高旋流流場(chǎng)中的渦流,進(jìn)而提高絮凝沉降效率;③ 內(nèi)外套筒設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)煤泥水絮凝沉降過(guò)程的混藥、混凝和沉降的一體化。系統(tǒng)使用的儀器和儀表型號(hào)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)主要儀器儀表Table 2 Main experimental instruments

1.3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用蠕動(dòng)泵和計(jì)量泵分別控制進(jìn)/出料流量和藥劑流量。在正常工作范圍內(nèi),蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速、計(jì)量泵頻率都與流量線性對(duì)應(yīng),因此在絮凝沉降前,需在絮凝沉降試驗(yàn)使用的管道條件下通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定線性關(guān)系式,以便試驗(yàn)中調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速和計(jì)量泵的頻率設(shè)定流量值。

絮凝沉降試驗(yàn)時(shí),首先將進(jìn)料蠕動(dòng)泵和藥劑計(jì)量泵流量根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)定為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速或頻率,依次開(kāi)啟攪拌桶、進(jìn)料泵和藥劑計(jì)量泵,待流量穩(wěn)定后,打開(kāi)底流泵,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行20 min后,分別采集底流和溢流樣品測(cè)定濃度和濁度。

試驗(yàn)從擾流板尺寸,擾流板數(shù)量、擾流板安裝角度以及進(jìn)料流量等4個(gè)因素探索影響絮凝沉降效率。擾流板采用常見(jiàn)的有機(jī)玻璃,設(shè)計(jì)為底邊長(zhǎng)10 mm,高分別為10、15、20的等腰三角形,每組5個(gè)均勻布在內(nèi)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(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

1.4 旋流-擾流裝置流場(chǎng)模擬分析

為了解擾流子對(duì)流場(chǎng)的影響情況,采用Fluent軟件對(duì)旋流-擾流裝置的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。模擬采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其他各類(lèi)參數(shù)設(shè)置如下[16]:

1)邊界條件。進(jìn)口采用速度邊界,速度值根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)定;底流和溢流出口均定義為自由流出邊界(outflow);壁面設(shè)定為無(wú)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(shè)置松弛因子各參數(shù)為:壓力0.3,密度1,動(dòng)量1,湍動(dòng)能0.7,湍動(dòng)能耗散率0.8。

2 結(jié)果與討論

2.1 藥劑用量的確定

絮凝劑用量對(duì)絮凝效果的影響如圖2所示,當(dāng)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(shí),絮凝澄清所需時(shí)間逐漸減少;當(dāng)絮凝劑用量超過(guò)5 mg/L時(shí),澄清時(shí)間反而隨藥劑用量增加變長(zhǎng),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(wěn)定?？梢?jiàn)絮凝劑用量過(guò)大時(shí)可能會(huì)因絮凝劑空間位阻效應(yīng)形成疏松絮體而不利于沉降[1],在本試驗(yàn)中,取5 mg/L為宜。

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

凝聚劑用量對(duì)澄清效果的影響如圖3所示。隨凝聚劑用量增多,澄清時(shí)間先緩慢降低,當(dāng)凝聚劑用量為2 mg/L時(shí),澄清所需時(shí)間最少,此后隨絮凝劑用量增加,澄清時(shí)間再次增加并在藥劑達(dá)4 mg/L后趨于穩(wěn)定;對(duì)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(dāng)凝聚劑用量為3 mg/L時(shí),上清液濁度達(dá)最小,此后隨凝聚劑用量增加,上清液濁度增大并趨于穩(wěn)定。清液濁度的這種變化通常是因?yàn)槟蹌┪诫娭泻妥饔脤?dǎo)致的顆粒表面電位的變化[17-18]。綜合沉降時(shí)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(duì)絮凝效果的影響Fig.3 Effect of coagulant dosage on flocculation

2.2 擾流板對(duì)流場(chǎng)特征的影響分析

對(duì)旋流-擾流流場(chǎng)的模擬結(jié)果表明,擾流板參數(shù)對(duì)流場(chǎng)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(chǎng)參數(shù)分布。圖4(a)顯示,擾流板高度h對(duì)流場(chǎng)渦量分布影響顯著:h為10 mm時(shí),渦流不明顯,隨高度h增大,渦流顯著增強(qiáng),渦旋尺度增加,渦旋中心沿徑向向外移動(dòng),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(duì)流場(chǎng)中速度分布的影響,可見(jiàn)安裝角度的影響不顯著。

2.3 混凝試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 擾流板高度對(duì)絮凝沉降效果的影響

在90°安裝角、5排擾流板和4 L/min進(jìn)料速度的條件下,改變擾流板高度所得試驗(yàn)結(jié)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(shí)達(dá)極值,絮凝沉降效果最好。進(jìn)一步增加擾流板高度至20 mm時(shí),溢流濁度出現(xiàn)一定程度的升高,底流濃度也相應(yīng)降低。10 mm擾流板形成的漩渦尺度和強(qiáng)度較小,無(wú)法有效促進(jìn)煤泥顆粒碰撞,煤泥水絮凝效率提高幅度有限;而當(dāng)擾流板高度達(dá)20 mm時(shí),在裝置的環(huán)形絮凝空間中占比達(dá)4/5,流體紊流程度(能量耗散)過(guò)高,導(dǎo)致形成的大絮團(tuán)會(huì)被強(qiáng)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(shí),絮凝沉降效果最理想。

圖5 擾流板尺寸對(duì)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(shù)對(duì)絮凝沉降效果的影響

在擾流板高度15 mm、安裝角度90°和進(jìn)料速度4 L/min條件下,改變擾流板組數(shù)所得試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。隨擾流板組數(shù)增加,溢流濁度逐漸減小,底流濃度增大,當(dāng)擾流板增至3組時(shí),溢流濁度達(dá)到最小,底流濃度最高;進(jìn)一步增加擾流板組數(shù),溢流濁度又出現(xiàn)一定程度升高而底流濃度減小。這與混凝停留時(shí)間有重要關(guān)聯(lián):單組擾流板的混凝區(qū)太短,細(xì)顆粒沒(méi)有足夠時(shí)間完成碰撞黏附;而5組擾流板雖有足夠長(zhǎng)混凝區(qū),但可能造成已絮凝大絮體破碎和壓縮沉降區(qū)空間,沉降分離時(shí)間縮短,導(dǎo)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(qū)和沉降區(qū)的長(zhǎng)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(shí)間,符合高效絮凝要求。

圖6 擾流板組數(shù)對(duì)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(duì)絮凝沉降效果的影響

在安裝3組15 mm高擾流板和進(jìn)料速度4 L/min條件下,擾流板安裝角度對(duì)絮凝沉降效果的影響情況如圖7所示?？芍鄬?duì)于擾流板高度和組數(shù),安裝角度對(duì)絮凝沉降的影響較小,安裝角由0到90°變化時(shí),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(guān)聯(lián)性:實(shí)際水流在環(huán)形管道中螺旋向下運(yùn)動(dòng),因此,當(dāng)安裝角度為60°和90°時(shí),水流和擾流板間的夾角可能最大,此時(shí)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(qiáng)度(能量耗散)最低,可有效避免破碎的發(fā)生,絮凝沉降效果最佳。

圖7 擾流板安裝角度對(duì)絮凝沉降效果影響Fig.7 Effect of spoiler installation angle on flocculation and sedimentation

圖8 水流與擾流板夾角示意Fig.8 Angle between spoiler and flow

3 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)的旋流-擾流式連續(xù)絮凝沉降裝置中,擾流板高度和數(shù)量對(duì)絮凝沉降效率影響顯著,與無(wú)擾流板的旋流流場(chǎng)相比,可降低溢流濁度50%;試驗(yàn)條件下,擾流板高15 mm、組數(shù)3組為最優(yōu)條件。

2)擾流板高度主要影響渦流的特征尺寸和能量耗散,進(jìn)而影響顆粒碰撞頻率和絮體破碎效率;擾流板組數(shù)影響顆粒在渦流區(qū)的停留時(shí)間,停留時(shí)間不足則絮凝不充分,過(guò)長(zhǎng)則發(fā)生破碎。

3)擾流板安裝角度也對(duì)絮凝沉降效果有一定影響,主要是水流方向與擾流板夾角的大小決定了渦流強(qiáng)度,但影響顯著性低于擾流板高度和數(shù)量。