絮凝剂溶液制备与投加系统的改进设计

赵建军，邓方针，宋 涛，李传伟

（北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京 102600）

絮凝剂溶液制备与投加系统的改进设计

赵建军，邓方针，宋 涛，李传伟

（北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京 102600）

针对絮凝剂溶液制备与投加系统在供水压力由0.6MPa变为0.8MPa时，制得的絮凝剂溶液出现结团、絮凝效果差等现象，研发人员利用数值模拟技术对预溶器中的水、气混合过程进行数值模拟研究。对模拟结果分析后得出，当预溶器入水压力一定时，水缝开度过小会产生倒灌现象，开度过大会产生预溶不充分；当水缝一定时，压力过大或过小同样会影响絮凝剂粉料预溶效果。根据研究结果对现有预溶器进行优化设计，并将新版预溶器用于江西德兴铜矿水处理站二期絮凝剂溶液制备与投加设备。

选矿；絮凝剂；数值模拟技术；加药系统；预溶器；污水处理

1 引言

高分子絮凝剂溶液的制备和投加是影响选矿浓密过程生产效率的一个重要环节，絮凝剂溶液自动制备和投加系统则大大提高了絮凝剂溶液的制备效率和投加精度。随着人们对絮凝过程的研究，国内的很多选冶厂逐渐摆脱靠人工制备和投加絮凝剂溶液的方法，采用自动制备和投加系统。随着越来越多的选冶厂使用絮凝剂制备和投加系统发现，国内现有的系统存在制备量小、溶液絮凝效果差、核心部件故障率高等问题；国外的设备比较成熟，但其价格较高、维修成本高、核心部件会有堵塞故障。

北京矿冶研究总院在2009年研制出第一台絮凝剂溶液制备与投加系统，并应用于工业现场。由于其具备制备能力强、制备效果好、核心设备故障率低、价格低廉等优势先后应用于江铜德兴水处理站、云南华联锌铟股份有限公司、西藏甲玛多金属矿、刚果（布）索瑞米铜铅锌多金属矿等国内外选冶厂。2015年9月，江铜德兴水处理站二期絮凝剂溶液制备与投加设备出现制备溶液出现结团、絮凝效果差现象，而同期在云南华联锌铟股份有限公司安装的设备则未出现该问题。

2 理论分析

研发人员在实地对江铜德兴水处理站设备研究后发现，设备安装初期，供水压力为0.6MPa；后来现场改造，供水压力升至0.8MPa，甚至一度上升到1.0MPa，而同期其它选冶厂设备运行环境未发生变化。水压上升后，现场工人发现制备的溶液出现絮凝效果差、絮凝剂粉料结团等现象。针对此问题，研发人员对絮凝剂粉料溶解过程进行研究。高分子絮凝剂颗粒由于分子链较长，分子链充分展开需要一个较漫长的过程，一般先后经历溶胀和溶解两个过程。在絮凝剂颗粒溶解初期，高分子暂时不会向溶剂中扩散。随着时间的推移，高分子絮凝剂由于热运动而慢慢膨胀、产生空穴，并被溶剂分子占据，此过程即为溶胀。随着絮凝剂分子体积的膨胀，产生的空穴越来越多，与高分子链结合的溶剂分子越来越多，絮凝剂分子就逐渐的扩散到溶剂中，直到絮凝剂分子完全溶解于溶剂中［1］。

图1 高分子物质溶解过程示意图

基于对高分子絮凝剂溶解过程的研究，现有的絮凝剂溶液制备与投加设备工作原理可分为：直接搅拌、计量粉料溶解和预溶、溶解方法［1］。

直接搅拌：顾名思义，搅拌是将絮凝剂粉料直接加到溶剂中，通过搅拌棍的搅拌（一般是人工搅拌）使絮凝剂粉料溶解于溶剂中。

计量粉料溶解：通过控制给料时间控制给料量，通过电机带动搅拌器来促进絮凝剂粉料的溶解，此类设备实现了在一定精度内控制所制备的絮凝剂溶液浓度。

预溶、溶解方法：絮凝剂粉料不直接投入到溶剂中，而是通过风力输送装置先送至预溶器中，在输送的过程中风会将絮凝剂粉料充分吹散；同时在预溶器的另一端输入预溶水，预溶水在预溶器内会形成水雾，被吹入的干粉颗粒就会被水迅速包裹，然后在制备槽中进行熟化溶解。北京矿冶研究总院即是基于此原理研发设计了絮凝剂溶液制备与投加设备。

基于高分子絮凝剂粉料溶解过程的研究，结合预溶器的工作原理得出，当预溶水压力改变时，预溶水在预溶器内无法形成水雾或形成水雾较少，从而影响了预溶效果，导致制备的溶液中出现结团现象。

3 絮凝剂预溶过程的研究

基于预溶、溶解原理，北京矿冶研究总院研发设计了预溶器来实现预溶过程，预溶器如图2所示。预溶水经预溶水入口进入预溶腔内，经预溶器的特殊结构在腔体内形成水雾；絮凝剂粉料经风力输送由粉料入口进入预溶腔，在预溶腔内被吹散的干粉颗粒会被水迅速包裹，从而达到预溶的效果。

图2 预溶器示意图

为了研究水、粉料在预溶腔内的混合过程，研发人员采用数值模拟技术对预溶器进行水、气两相流模拟分析。

3.1 简化模型

由于预溶器结构复杂、零部件较多，直接进行模拟分析增加了划分网格难度，且本文主要研究水、气两相在预溶腔内的混合过程。因此，对预溶器模型进行简化，简化后预溶器模型如图3所示。

图3 预溶器简化模型

3.2 划分网格

划分网格是计算流体力学模拟分析的一个重要步骤，是推进CFD工程化应用的重要因素；而划分网格质量的好坏则直接影响了动力数据和最终数值解的计算精度［2］。简化后的预溶器模型结构比较简单，可以采用结构化网格进行网格划分。划分后网格结果如图4所示。

图4 网格划分

3.3 确定边界条件

对江铜二期絮凝剂溶液制备与投加设备出现的问题分析发现，当水压变化时，制备的溶液出现结团现象、絮凝效果变差，因此，预溶水压力的变化是导致预溶效果变差的主要因素。当供水压力发生变化时，供水入口水量发生变化，研发人员在预溶水入口管道处添加一台流量计记录现场不同供水压力下预溶水流量。边界条件如表1所示。

表1 边界条件1

3.4 模拟结果及分析

对于相同水缝开度，不同供水流量条件模拟结果如图5。对于相同供水流量，不同水缝开度条件下模拟结果如图6。

图5 预溶过程数值模拟结果

图6 预溶过程数值模拟结果

从模拟结果分析得出：

（1）当水缝开度不变时，随着供水流量的增加，预溶水在预溶腔内形成的水雾逐渐增加，在流速为15m3/h时达到最好，超过15m3/h后，随着供水流量的增加，形成的水雾逐渐减少，形成的涡流增加；

（2）当供水流量不变时，随着水缝的增加，预溶水在预溶腔内形成的水雾逐渐增加，当水缝开度为3mm时形成的水雾最佳，当水缝超过3mm后，形成的水雾逐渐减少；

（3）当供水流量为15m3/h，水缝为0.5mm时，存在倒灌的危险，工程人员反应，在设备首次调试时，确实存在倒灌的情况，减小预溶水手阀后，倒灌情况消失。

4 预溶器的优化设计及工业应用效果

预溶水压力的变化直接影响了预溶器中水雾的效果，从而影响预溶效果。不同的选矿厂供水压力会存在差别，即便是同一选矿厂不同时间，水压也会不同。

4.1 预溶器的优化设计

通过以上研究得出，当供水流量变化时，可通过适当调整预溶水缝的大小来调整预溶效果。因此，研究人员优化设计了现有的预溶器，如图7所示。新版预溶器可通过调节螺母来调节水缝的大小。

图7 新版预溶器示意图

4.2 工业应用效果

2015年9月份，新型预溶器被应用于江铜德兴水处理站工业现场，并根据供水流量调整预溶水缝。使用了新型预溶器的絮凝剂溶液制备与投加系统制备出的絮凝剂溶液浓度精准，溶解效果好，不再有结团现象，絮凝效果好，大大的节省了絮凝剂粉料。同时新版预溶器还应用在了刚果（布）多金属矿现场。

5 结论

（1）预溶器供水流量和水缝开度直接影响了絮凝剂粉料的预溶效果，当水缝开度一定时，随着供水流量的增加，预溶效果先变好再变差；当供水流量一定时，随着水缝开度的变化，预溶效果先变好再变差；

（2）当预溶器供水流量一定时，随着水缝开度的减小，存在预溶水倒灌的危险；

（3）数值模拟技术的应用可以很好的帮助我们完成相关设备的研发、设计、优化改进。基于预溶器优化设计的成功经验，研发人员在优化设计给料器的过程中也采用了数值模拟技术。

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［6］白博峰， 郭烈锦， 陈学俊. 空气—水两相流压差波动研究［J］. 中国电机工程学报， 2002（3）：22-26.

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Improvement Design of Flocculants Preparation and Dosage Unit

ZHAO Jian-jun， DENG Fang-zhen， SONG Tao， LI Chuan-wei
（Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy， State Key Laboratory of Process Automation in Mining & Metallurgy，Beijing Key Laboratory of Process Automation in Mining & Metallurgy， Beijing 102600， China）

There appears agglomeration and bad flocculation effect in flocculants solution made up by flocculants preparation and dosage unit， when the water pressure increased from 0.6Mpa to 0.8Mpa. Based on study of the flocculants property， a computational fluid dynamics model has been applied to the water-gas mixing in pre-dissolving device. According to the result of numerical simulation， water may flow backward if the water seam is smaller， as the water pressure does not change. And flocculants do not dissolve sufficient if the water seam is bigger， as the water pressure does not change. The higher or lower water pressure also has effect on pre-dissolving if the water seam does not change. Based on the result of numerical simulation， an optimization designing about pre-dissolving device has been done. The new pre-dissolving device for flocculant has been applied in Second Flocculants Preparation and Dosage Unit in Jiangxi Dexing Copper ore.

mineral processing；flocculant；numerical simulation；dosing system；pre-dissolving device；wastewater treatment

TD928.9

A

1009-3842（2016）05-0035-04

2016-05-16

赵建军（1980-），男，山东东营人，高级工程师，主要人事选冶在线分析仪器、自动化装置的研究。E-mail：zhao_jj@bgrimm.com