为了揭示流体剪切对微细煤泥絮凝过程破碎-聚并效率的影响规律, 在不同剪切速率和搅拌桨离地高度条件下进行煤泥絮凝试验, 并采用聚焦光束反射测量仪实时测定絮凝过程中絮团尺寸变化情况, 以絮团平均粒径增长率间接反映絮凝过程聚并-破碎效率。 研究结果表明: 絮团平均粒径增长率可以反映煤泥颗粒絮凝过程的聚并-破碎效率, 依据增长率的变化情况, 煤泥絮凝过程可分为聚并阶段、 破碎阶段和亚稳定阶段; 剪切速率对煤泥絮凝行为有显著影响, 在 G<35. 89s-1时增大剪切速率, 有利于聚并效率和亚稳定阶段时絮团平均粒径的增加; 但过高的剪切速率(G>53. 83s-1)将产生较高的湍流耗散率, 使絮团破碎效率增大; 搅拌桨离地高度对煤泥的絮凝行为有一定影响, 在 h / H<1 / 3 时, 适当增加搅拌桨离底高度有益于煤泥颗粒生成更大的絮团。

关键词:

          煤泥水絮凝; 流体剪切; 聚并效率; FBRM; 剪切速率; 搅拌桨; 絮团

 

         煤泥水是煤炭洗选过程中产生的工业废水。 流量大、 悬浮细泥颗粒浓度高以及难以自然沉降的特点, 使其固液分离效果较差。 未沉淀的细泥颗粒随浓缩机溢流进入主选设备作为循环水使用, 在系统中反复循环, 经泵及管路的运输使颗粒不断破碎和泥化, 产生更细粒煤泥, 恶化沉淀效果, 造成选煤厂 “细泥” 积聚, 产生的高浓度循环水常造成药剂添加无效甚至煤泥水处理系统瘫痪。

        絮凝是实现煤泥水高效固液分离的关键技术手段, 为提高絮凝效果, 大量学者从多角度、 多方面对絮凝机理及其影响因素进行了深入研究, 涉及界面物理化学、 流体动力学等多学科问题。 在界面物理化学方面, 着重研究了药剂类型和用量、pH 值、 温度以及电位 等对絮凝效果的影响, 然而这些研究侧重絮团的静置沉降体系, 忽略了实际过程中的流体动力学行为。

         近年来, 微细颗粒絮凝行为的动力学过程成为研究热点, 得到了国内外研究者的广泛关注。

以往学者们常使用显微镜或激光衍射仪对絮凝过程絮团形貌等特征进行检测, 进而研究颗粒絮凝行为。但这两种检测手段只能研究絮凝结束后絮体特性或静 置 沉 降 效 果, 一 直 到 聚 焦 光 束 反 射 测 量 仪(Focused Beam Reflectance Measurement, FBRM) 的出现, 絮凝流体动力学研究得到了进一步技术支持,伴随 着 计 算 流 体 力 学 ( CFD, Computational Fluid Dynamic)的快速发展, 被广泛应用于砂矿、 污水处理等领域进行絮凝过程动力学行为的相关研究。 周旭, 阮竹恩采用 FBRM 和 PVM( Particle video microscope, PVM)实时在线监测技术, 研究絮凝过程中絮团特性的变化, 分析了絮凝过程剪切破坏力与絮团凝聚力的相互作用; D. Pandya J 和 A. Spielman L通过对絮体粒径分布的测量讨论了絮体在湍流流动中的破 裂 和 侵 蚀 机 制。 而 进 一 步 的 理 论 研 究 以Smoluchowski 动力学模型为基础, 研究活性污泥和尾砂的聚并过程与破碎过程, 进而建立聚并模型与破碎模型, 再以群体平衡模型(PBM, Population Balance Model)为基本框架, 构建出全尾砂絮凝的动力学模型。 采用 PBM 模型对颗粒絮凝过程进行数值仿真模拟, 可视化分析絮凝过程, 对颗粒絮凝过程的固液两相动力学研究具有重要意义。

          目前, 颗粒絮凝过程存在絮团聚并、 破碎及重构现象已被众多科研工作者所证实, 但关于聚并效率、 破碎效率的相关研究还主要停留在数学模型的讨论上。 本文利用聚焦光束反射测量仪, 实时原位检测颗粒絮凝过程平均粒度随时间的变化关系, 提出以絮团增长率曲线间接反映颗粒聚并、 破碎效率的变化规律, 进而通过剪切速率和搅拌桨离底高度调控流场环境, 结合剪切体系流场特征参数揭示流体剪切对微细煤泥絮凝过程中聚并-破碎效率的影响规律。

1      材料与方法

1. 1  试验原料

        采用 200 目标准筛将开滦林西矿细粒煤进行筛分, 取筛下物( -74μm)作为实验样品, 煤样工业分析见表 1。

     

        为统一粒度测量标准, 直接采用 FBRM(G400)聚焦光束反射测量仪, 在不添加絮凝剂条件下测得剪切体系中实验煤样粒径分布如图 1 所示。

         

1. 2   微细颗粒絮凝过程絮团粒径在线检测

         实验采用聚焦光束反射测量仪 ( FBRM G400,Mettler Toledo, USA)持续动态监测煤絮团的平均粒径变化。 实验系统如图 2 所示。
         
         用筛分好的试验样品和去离子水配制成固相质量分数 3%, 总体积 150mL 的煤泥水, 使用阳离子聚丙烯酰胺配制成浓度为 1‰的絮凝剂。 试验时, 在拌桨离底高度 h / H= 1/ 6、 絮凝剂加药量 D= 400g / t 干煤泥下, 设 置 5 个 剪 切 速 率 水 平 ( G = 17. 94s-1、35. 89s-1、 53. 83s-1、 71. 77s-1、 107. 66s-1), 测定不同剪切速率下絮团平均粒径随时间的关系曲线; 此外, 在 G = 53. 83s-1、 D = 400g / t 干煤泥时, 设置 5个不同的搅拌桨离底高度( h / H = 1 / 10、 1 / 6、 1 / 4、1 / 3、 1 / 2), 测定不同搅拌桨离底高度下絮团平均粒径随时间的变化情况。

1. 3    微细颗粒絮凝过程流场动态变化的数值解析

          受限于煤泥水系统的复杂性, 剪切条件下颗粒絮凝过程中流体的动态演变检测较为困难。 本文采用多重参考系模拟搅拌桨的旋转运动, 以预测剪切体系中流场的分布特征。 在 FLUENT 软件中采用多重参考系对搅拌体系的流场进行数值可视化已被众多学者证明其精准性, 其流体动力学控制方程可参见相关文献。 搅拌体系的几何模型条件如下:

         1) 模型参数: 搅拌槽底部直径 7cm, 内部液面高 4. 3cm; 搅拌轴直径 0. 8cm, 桨叶长 2. 4cm, 厚0. 1cm, 宽 0. 8cm, 倾斜 45°。

         2) 网格数量: 共计 633518 网格, 质量良好。

         3) 模型选择: 多重参考系。

         4) 残差设置: K-ε, Standard 湍流模型。

         5) 迭代设置: 每 20 步计算 0. 001s。

2       絮凝过程试验结果

2. 1   微细颗粒絮凝过程聚并-破碎效率分析

         搅拌 桨 离 底 高 度 h / H = 1 / 6、 剪 切 速 率 G =53. 83s-1、 絮凝 剂 加 药 量 D = 400g / t 干 煤 泥 时 的FBRM 试验结果如图 3 菱形散点所示。 为进一步分析絮团成长过程, 以絮团平均粒径 As(Average size)为函数值, 以絮凝时间 t 为自变量, 采用样条插值的方式对实验数据进行拟合, 可以得到 As 关于 t 的函数, 即 FAs= f(t)。 对函数 FAs 求其导函数 F′As, 通过 F′As 值的正负即可判断絮团平均粒径的增减情况。将 F′As 定义为絮团平均粒径增长率, 可得出 F′As 与絮凝时间的关系曲线(如图 3 虚线所示)。

          

         由图 3 可知, 在搅拌体系中加入絮凝剂后, F′As数值为正, 且先增大后减小为 0, 表明此时颗粒主要处于聚并阶段; 此后, F′As 数值为负, 其绝对值先增大后减小为 0, 表明此时絮团主要处于破碎阶段; 再之后, F′As 数值在 0 附近波动, 表明此时絮团的兼并和破碎达到一个动态平衡的过程, 即亚稳态阶段。

          上述讨论表明在实验条件下的煤泥颗粒絮凝行为符合由桥接引起的典型絮凝过程。 Jeldres 等人将这一趋势归因于剪切诱导引起的絮团聚集、 破碎、 伸长和压实造成的絮团重组现象, 并提出了聚并-破碎效率的数值表现方式, 以直观分析颗粒的絮凝行为, 后被其他学者不断加以明确和改进, 见表 2。

        

          表 2 中, 碰撞频率 βi,j受到分子布朗运动、 剪切流、 差异沉降作用, 但是在剪切流的影响下, 布朗运动和差异沉降作用可以忽略; Gv 为平均剪切速率(正比于湍流耗散率的三次方), di 和 dj 为颗粒有效碰撞粒径; 捕获效率 f(α)只受絮凝剂用量导致悬浮液的粘度和密度变化的影响; Si 为破碎效率,s1 和 s2(s2>1)是非量纲常数。

          在剪切速率一定时, 絮凝过程的碰撞效率与有效碰撞粒径成正比, 捕获效率随絮凝时间的增加而减小。 絮凝刚开始时, 在剪切条件下颗粒碰撞速率大, 此时捕获效率高, 因而颗粒迅速发生絮凝行为,絮团平均粒径显著增大。 此后, 体系中的相对粒子数量浓度降低, 捕获效率也相应降低, 但絮团粒度的增加将导致破碎效率的显著增加, 大絮团发生明显的破碎, 导致絮体平均粒径降低。 根据式( 4),絮团平均粒径的降低致使破碎效率降低, 破碎速率减缓, 因而絮团逐渐在破碎-聚并中得到相对平稳,最终絮团的平均粒径趋于一个常数, 符合图 3 絮团粒径变化结果。

2. 2     剪切速率对絮凝过程的影响

2. 2. 1 剪切速率对微细颗粒絮凝过程聚并-破碎效率的影响

絮凝剂加药量为 400g / t 干煤泥、 搅拌桨离地高度 h / H= 1 / 6 时, 剪切速率对絮凝过程 As 和 F′As 的影响如图 4 所示。

         

         由图 4( a) 可知, 剪切速率过低时(17. 94s-1),没有明显絮团破碎的情况, 絮团平均粒径缓慢增加,絮凝效率低。 随剪切速率增加, 微细煤泥颗粒絮凝达亚稳定阶段后的絮团平均尺寸先增大后减小, 在剪切速率为 35. 89s-1 时达到最大值。 由图 4( b) 可知, 剪切速率的增加, 处于聚并阶段的时间减小,达到絮团最大尺寸时间缩短, 同时粒径增长率先增大后减小; 同时, 处于破碎阶段时间不断增加, 更晚进入亚稳定阶段。

2. 2. 2 不同剪切速率的流场模拟

           流场涡旋的存在是影响颗粒絮凝的关键因素之一。 搅拌槽内整体流场湍动能情况如图 5 所示,FBRM 探头平行面的湍流耗散率变化如图 6 所示。

        

          由图 6 可知, 4 叶搅拌桨搅拌作用下, 平面流场产生同向涡旋, 且随剪切速率增加, 涡旋逐渐变大, 导致平面流场速度梯度增加, 剪切力增大。 同时, 根据式(4) 可知湍流耗散率增加使 Gv 值增大,即破碎效率逐渐增加; 由式(2), 碰撞频率随湍流耗散率的增加同时增加, 认为捕获效率相同, 聚并效率随之增大, 然而破碎效率对 Gv 值的变化更为敏感(s2> 1), 剪切速率为 17. 84s-1 和 107. 66s-1 时的FBRM 结果明显证明了这一点, 与图 4 所示结果相符, 絮凝初始时, 高剪切速率下有更快的絮团尺寸增长速率，然而絮团最终粒径却更小。

2. 3      搅拌桨离底高度对絮凝过程的影响。

2. 3. 1  搅拌桨离底高度对微细颗粒絮凝过程聚并-破碎效率的影响剪切体系下, 搅拌桨离底高度对絮凝过程中的流场              变化具有重要影响。 当絮凝剂加药量 D =400g / t 干煤泥, 剪切速率 53. 83s-1 时, 搅拌桨离底高度对絮凝过程 As 和 F′As 的影响如图 7 所示。
           

           总体而言, 搅拌桨离地高度对煤泥的絮凝行为有较大影响, 但不如剪切速率对絮凝行为的影响显著。 随着搅拌桨离地高度的增加, 亚稳定阶段的絮团平均尺寸呈先增加后减小的趋势, 在离底高度 h / H= 1 / 3 时达最大值。 此外, 由图 7(b)可知, 随着搅拌桨离底高度的增加, 聚并阶段的最大絮团平均粒径增长率也呈先增加后减小的趋势, 说明适当增加搅拌桨离地高度有益于加快煤泥的絮凝速度。2. 3. 2 不同搅拌桨离底高度的流场模拟搅拌桨离底高度对流场湍动能和湍流耗散率的影响如图 8、 图 9 所示。 

           

          依据式(1)(2)(3), 在整体平均剪切速率恒定( Gv 不变), 絮凝剂用量不变( f(α)不变), 只改变搅拌桨离底高度情况下, 探头平面位置处湍流耗散率随搅拌桨位置改变变化不明显(图 9), 因此搅拌槽内初始聚并效率保持不变, 絮凝过程中聚并效率的不同主要受絮凝过程粒径变化的影响。 因此, 搅拌桨离底高度对煤泥絮凝行为的影响不如剪切速率对絮凝行为的影响显著。在悬浮体系中, 煤泥颗粒相对水而言均属于高密度颗粒, 因此, 大块絮团更易分布在槽底区域。

          当搅拌桨靠近槽底时, 槽底区域的湍动能显著增大(图 8), 对该区域的大块絮团的破碎尤为明显, 导致絮体最终粒径减小。 因此, 在一定范围内提高离底高度, 可以减小剪切条件对体系中大块絮团的破碎, 使体系相对聚并效率增大, 强化絮凝效果。 离底高度过大, 流场涡旋难以充分驱动槽体下方的絮团悬浮, 因而测得的平均粒径有一定程度的降低。

 

3      结 论

         1) 按絮团平均增长率 F′As 的不同, 颗粒絮凝过程可分为三个阶段: 聚并阶段、 破碎阶段, 以及亚稳定阶段。 絮凝开始后, 颗粒迅速聚并, F′As > 0,絮团平均粒径显著增加, 定义为聚并阶段; 随着絮凝过程的进行, F′As < 0, 絮团平均粒度降低明显,定义为破碎阶段; 此后, F′As 在数值 0 上下波动,絮团平均粒径变化不大, 定义为亚稳定阶段。

          2) 剪切速率对颗粒的絮凝行为有重要影响, 在一定范围内增大剪切速率, 有利于聚并效率和亚稳定阶段时絮团平均粒径的增加; 但过高的剪切速率将产生较高的湍流耗散率, 由于破碎效率对湍流耗散率变化更敏感(s2>1), 使絮团破碎效率快速增大,导致絮凝更早进入破碎阶段, 同时到达亚稳定阶段时的絮团平均粒度有所降低。

         3) 搅拌桨离地高度对煤泥的絮凝行为的影响不如剪切速率对絮凝行为的影响显著; 在一定范围内增大搅拌桨离底高度有益于提高絮凝过程的聚并效率, 使最终的絮团直径增大。

 

 

原标题：煤泥絮凝过程聚并-破碎效率研究

原作者：段家奇, 叶贵川, 樊玉萍, 马晓敏, 董宪姝