超重力场中煤泥颗粒沉降规律研究①

王照临, 刘令云, 王方源

(安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

国内大多数选煤厂的煤泥水均存在流量大、浓度高、粒度细、粘度大、颗粒在水中处于分散状态等特点,因此比较难以净化和回收,致使煤泥水处理成为选煤生产的瓶颈。煤泥水是湿法选煤工艺中主选作业产生的尾煤废水[1],由于部分煤泥颗粒具有粒度细、灰分高和易泥化等特点,采用常规处理方法无法取得预期效果,需通过一定技术手段[2-5]强化处理效果。国内外学者针对煤泥水的微细颗粒沉降方法展开了大量研究[6-10]。本文以实验室现有的超重力场煤泥微细颗粒沉降设备来开展试验,通过分析不同的溢流半径、转鼓转速以及入料浓度对微细颗粒煤泥沉降效果的影响,以期提高选煤厂微细颗粒煤泥的沉降效果。

1 超重力场煤泥沉降设备结构设计及工作原理

新型煤泥沉降分级设备的装置连接示意图。由图1,图2可知,该连接装置主要由底座、驱动机构、壳体、转鼓、设置在转鼓中心上方的入料口和溢流环,以及位于转鼓外侧下方的溢流产品出口和底流产品出口等组成。

图1 设备的结构组成

图2 内部挡板示意图

在一定的给料速度下,物料从入料口流入,进入到转鼓内首先到达底层盘片上,由于底层盘片的四周平均放置的8块扇形挡板构成了的8个整流槽,物料在超重力场的作用下均匀的分配到第三空间的8个整流槽内,整流槽可以有效地减小流体之间涡流的形成,使得物料在整流槽的内部可以很好地实现分层,使得细小的颗粒分布在上层,大颗粒分布在下层。转鼓处于高速旋转的状态,在煤泥水中的固体和液体的密度是不同的,因此所受到的重力是不同的,离心力也是不一样的。在超重力场的作用下,物料穿过整流槽到达立体挡块与第二裙摆之间的间隙处。由于第三空间的整流槽与第二空间的整流槽形成了一个水平放置的 “U”型管,在U型管的压差原理下,一部分水流会带动细小颗粒向上流入第二空间的整流槽内,在压力差的作用下从溢流圆环流入第一空间最终从溢流口流出,而大颗粒由于上升的水流所形成的力无法带动,在自身重力的作用下从底流口流出,从而完成沉降分级的过程,同时,由于绝大多数的液体要从溢流圆环流出,从而对底流口形成了一定的浓缩作用,可以更好地实现高效沉降分级。

2 试验准备

2.1 试验样品的制备

本次试验选用石英为矿物原料,由于煤泥水中主要含有高岭石、石英、蒙脱石等,其他矿物在微细状态下为片状结构,而石英为类球型,根据斯托克斯沉降公式可知,形状系数会影响沉降结果,而石英的形状系数最接近1,较为理想,因此本次试验选取石英为原料。将采集到的石英原矿首先用破碎机进行破碎,然后用振动筛将其筛分成0.5-0.25mm,0.25-0.125mm,0.125-0.045mm,-0.045mm 四个不同的粒度级,由于用振动筛筛分不充分,再次对所筛样品进行湿筛后烘干,烘干后对不同粒度级的样品进行分袋保存备用。

2.2 试验粒度的确定

由于连续沉降分级是对超细粒难以沉降的颗粒进行沉降分级,对于在自然条件下沉降速度比较快的颗粒来说没有意义,因此对于不同的颗粒级进行自然沉降,寻找出试验所需的粒度级。

分别对粒度级为0.25mm -0.125mm,0.125mm-0.045mm,-0.045mm 的颗粒进行自然沉降。取多个500m L 量筒,分别对粒度级为0.25mm-0.125mm 的颗粒在0s,5s,10s,15s时刻,粒度级为0.125mm-0.045mm 的颗粒在0min,0.5min,1min,2min,3min,4min时刻,粒度级为-0.045mm 的颗粒在0min,5min,10min,15min,20min,30min时刻在相同的位置取相同量的上清液,然后进行激光粒度分析,探究不同粒度级在不同时刻的粒度含量以此判断沉降快慢。不同颗粒的自然沉降结果分比如表1所示。

表1 不同颗粒的自然沉降结果

由表1可知在刚开始时沉降速度比较快,随着时间的推移,沉降速度逐渐变慢,并且在相应的粒度级几乎沉降完成时再无明显变化。0.25-0.125mm 的粒度级在0.025min时几乎沉降完成,0.125-0.045mm 的粒度级在3min时几乎完成了沉降,-0.045mm 的粒度级在30min内无沉降。因此小于0.125mm 的粒度级沉降速度较慢。试验采用-0.125mm 的全粒级颗粒。

3 评价指标

通常认为在分级的过程中当底流分配律为50%时的粒度为实际分级粒度,当底流分配律大于50%时,认为会进入底流,小于50% 时会进入溢流。因此也可以认为当分配律为50%时为实际沉降粒度。

4 操作参数对沉降效果的影响

4.1 溢流半径200mm时,不同转速下的实际分级粒度

选取的转股转速为200r/min,300r/min,400r/min,500r/min,600r/min五个等级。试验中均采用60g/L 的入料浓度,探究溢流半径为200mm 时,不同转速对实际分级粒度的影响。如图3示。由图3 可知,溢流半径为200mm 时,随着转速的改变,不同粒度之间的底流分配率也发生了改变,当转速为200r/min时,底流分配率为50% 所对应的粒度为0.038mm;转速为300r/min时,底流分配率为50%时所对应的粒度为0.039mm;转速为400r/min时,底流分配率为50%时所对应的粒度为0.039mm,转速为500r/min时,底流分配率为50% 所对应的粒度为0.040mm;转速为600r/min时,底流分配率为50%所对应的粒度为0.040mm。因此,不同的转速对实际的分级粒度产生了一定的影响,转速越高则实际分级粒度越大,沉降粒度越大。

图3 溢流半径为200mm时,不同转速,不同粒度下的底流分配率

4.2 溢流半径340mm时,不同转速下的实际分级粒度

选取的转股转速为200r/min,300r/min,400r/min,500r/min,600r/min五个等级。实验中均采用60g/L的入料浓度,探究溢流半径为340mm 时,不同转速对实际分级粒度的影响,如图4示。

图4 溢流半径为340mm时,不同转速,不同粒度下的底流分配律

由图4 可知,溢流半径为340mm 时,随着转速的改变,不同粒度之间底流分配律的变化趋势和溢流半径为200mm 时的变化趋势相同,转速为200r/min时,底流分配律为50%所对应的粒度为0.035mm;转速为300r/min 时,底流分配率为50%时所对应的粒度为0.036mm;转速为400r/min时,底流分配率为50%时所对应的粒度为0.037mm,转速为500r/min时,底流分配率为50%所对应的粒度为0.037mm;转速为600r/min时,底流分配律为50%所对应的粒度为0.039mm。因此,转速越高则实际分级粒度越大,沉降粒度越大。

综合图3与图4可知,溢流半径越大,实际分级粒度越小,沉降粒度越小,微细颗粒的沉降效果越好。

4.3 溢流半径200mm 时,不同入料浓度下的实际分级粒度

选取的入料浓度分别为60g/L,70g/L,80g/L,90g/L,100g/L 五个等级,转鼓转速均为400r/min,溢流半径为200mm,探究不同入料浓度对分级粒度的影响,如图5示。

由图5可知,随着入料浓度的改变,对于不同的粒度而言,底流分配率发生了改变,在确定的转鼓转速下,当入料浓度为60g/L时,底流分配律50%所对应的粒度为0.039mm;入料浓度70g/L-100g/L时,底流分配律为50% 所对应的粒度依次为0.038mm,0.037mm,0.036mm,0.036mm。因此,入料浓度越高实际分级粒度越小,沉降粒度越小。

图5 溢流半径为200mm 时,不同入料浓度,不同粒度下的底流分配律

4.4 溢流半径340mm 时,不同入料浓度下的实际分级粒度

选取的转股转速为200r/min,300r/min,400r/min,500r/min,600r/min五个等级。试验中均采用60g/L的入料浓度,探究溢流半径为340mm时,不同转速对实际分级粒度的影响,如图6。

图6 溢流半径为340mm时,不同入料浓度,不同粒度下的底流分配律

由图6 可知,溢流半径为340mm 时,随着入料浓度的改变,不同粒度之间底流分配律的变化趋势和溢流半径为200mm 时的变化趋势相同,在确定的转鼓转速下,当入料浓度为60g/L 时,底流分配律50% 所对应的粒度为0.037mm;入料浓度70g/L-100g/L 时,底流分配律为50%所对应的粒度依次为0.036mm,0.035mm,0.034mm,0.033mm。因此,入料浓度越高实际分级粒度越小,沉降粒度越小。

综合图5与图6可知,溢流半径越大,实际分级粒度越小,沉降粒度越小,微细颗粒的沉降效果越好。

5 结 论

(1)在不同转速下,当溢流半径为200mm,入料浓度为60g/L,转速由200r/min 提高到600r/min 时,实际分级粒度分别为0.038mm,0.039mm,0.039mm,0.040mm,0.040mm;当溢流半径为340mm,入料浓度为60g/L,转速由200r/min提高到600r/min时,实际分级粒度分别为0.035mm,0.036mm,0.037mm,0.037mm,0.039mm。转速越高则实际分级粒度越大,沉降粒度越大。

(2)在不同入料浓度下,当溢流半径为200mm,转鼓转速为400r/min 时,入料浓度由60g/L提高到100g/L时,实际分级粒度分别为0.039mm,0.038mm,0.037mm,0.036mm,0.036mm;当溢流半径为340mm,其他条件不变时,实际分级粒度分别为0.037mm,0.036mm,0.035mm,0.034mm,0.033mm。因此,入料浓度越高则实际分级粒度越小,沉降粒度越小。

(3)溢流半径越大,实际分级粒度越小,沉降粒度越小,微细颗粒的沉降效果越好。