趙建軍，鄧方針，宋 濤，李傳偉

（北京礦冶研究總院礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600）

絮凝劑溶液制備與投加系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙建軍，鄧方針，宋 濤，李傳偉

（北京礦冶研究總院礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600）

針對(duì)絮凝劑溶液制備與投加系統(tǒng)在供水壓力由0.6MPa變?yōu)?.8MPa時(shí)，制得的絮凝劑溶液出現(xiàn)結(jié)團(tuán)、絮凝效果差等現(xiàn)象，研發(fā)人員利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)預(yù)溶器中的水、氣混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。對(duì)模擬結(jié)果分析后得出，當(dāng)預(yù)溶器入水壓力一定時(shí)，水縫開度過小會(huì)產(chǎn)生倒灌現(xiàn)象，開度過大會(huì)產(chǎn)生預(yù)溶不充分；當(dāng)水縫一定時(shí)，壓力過大或過小同樣會(huì)影響絮凝劑粉料預(yù)溶效果。根據(jù)研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)有預(yù)溶器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將新版預(yù)溶器用于江西德興銅礦水處理站二期絮凝劑溶液制備與投加設(shè)備。

選礦；絮凝劑；數(shù)值模擬技術(shù)；加藥系統(tǒng)；預(yù)溶器；污水處理

1 引言

高分子絮凝劑溶液的制備和投加是影響選礦濃密過程生產(chǎn)效率的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，絮凝劑溶液自動(dòng)制備和投加系統(tǒng)則大大提高了絮凝劑溶液的制備效率和投加精度。隨著人們對(duì)絮凝過程的研究，國(guó)內(nèi)的很多選冶廠逐漸擺脫靠人工制備和投加絮凝劑溶液的方法，采用自動(dòng)制備和投加系統(tǒng)。隨著越來越多的選冶廠使用絮凝劑制備和投加系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的系統(tǒng)存在制備量小、溶液絮凝效果差、核心部件故障率高等問題；國(guó)外的設(shè)備比較成熟，但其價(jià)格較高、維修成本高、核心部件會(huì)有堵塞故障。

北京礦冶研究總院在2009年研制出第一臺(tái)絮凝劑溶液制備與投加系統(tǒng)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。由于其具備制備能力強(qiáng)、制備效果好、核心設(shè)備故障率低、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)先后應(yīng)用于江銅德興水處理站、云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司、西藏甲瑪多金屬礦、剛果（布）索瑞米銅鉛鋅多金屬礦等國(guó)內(nèi)外選冶廠。2015年9月，江銅德興水處理站二期絮凝劑溶液制備與投加設(shè)備出現(xiàn)制備溶液出現(xiàn)結(jié)團(tuán)、絮凝效果差現(xiàn)象，而同期在云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司安裝的設(shè)備則未出現(xiàn)該問題。

2 理論分析

研發(fā)人員在實(shí)地對(duì)江銅德興水處理站設(shè)備研究后發(fā)現(xiàn)，設(shè)備安裝初期，供水壓力為0.6MPa；后來現(xiàn)場(chǎng)改造，供水壓力升至0.8MPa，甚至一度上升到1.0MPa，而同期其它選冶廠設(shè)備運(yùn)行環(huán)境未發(fā)生變化。水壓上升后，現(xiàn)場(chǎng)工人發(fā)現(xiàn)制備的溶液出現(xiàn)絮凝效果差、絮凝劑粉料結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象。針對(duì)此問題，研發(fā)人員對(duì)絮凝劑粉料溶解過程進(jìn)行研究。高分子絮凝劑顆粒由于分子鏈較長(zhǎng)，分子鏈充分展開需要一個(gè)較漫長(zhǎng)的過程，一般先后經(jīng)歷溶脹和溶解兩個(gè)過程。在絮凝劑顆粒溶解初期，高分子暫時(shí)不會(huì)向溶劑中擴(kuò)散。隨著時(shí)間的推移，高分子絮凝劑由于熱運(yùn)動(dòng)而慢慢膨脹、產(chǎn)生空穴，并被溶劑分子占據(jù)，此過程即為溶脹。隨著絮凝劑分子體積的膨脹，產(chǎn)生的空穴越來越多，與高分子鏈結(jié)合的溶劑分子越來越多，絮凝劑分子就逐漸的擴(kuò)散到溶劑中，直到絮凝劑分子完全溶解于溶劑中［1］。

圖1 高分子物質(zhì)溶解過程示意圖

基于對(duì)高分子絮凝劑溶解過程的研究，現(xiàn)有的絮凝劑溶液制備與投加設(shè)備工作原理可分為：直接攪拌、計(jì)量粉料溶解和預(yù)溶、溶解方法［1］。

直接攪拌：顧名思義，攪拌是將絮凝劑粉料直接加到溶劑中，通過攪拌棍的攪拌（一般是人工攪拌）使絮凝劑粉料溶解于溶劑中。

計(jì)量粉料溶解：通過控制給料時(shí)間控制給料量，通過電機(jī)帶動(dòng)攪拌器來促進(jìn)絮凝劑粉料的溶解，此類設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在一定精度內(nèi)控制所制備的絮凝劑溶液濃度。

預(yù)溶、溶解方法：絮凝劑粉料不直接投入到溶劑中，而是通過風(fēng)力輸送裝置先送至預(yù)溶器中，在輸送的過程中風(fēng)會(huì)將絮凝劑粉料充分吹散；同時(shí)在預(yù)溶器的另一端輸入預(yù)溶水，預(yù)溶水在預(yù)溶器內(nèi)會(huì)形成水霧，被吹入的干粉顆粒就會(huì)被水迅速包裹，然后在制備槽中進(jìn)行熟化溶解。北京礦冶研究總院即是基于此原理研發(fā)設(shè)計(jì)了絮凝劑溶液制備與投加設(shè)備。

基于高分子絮凝劑粉料溶解過程的研究，結(jié)合預(yù)溶器的工作原理得出，當(dāng)預(yù)溶水壓力改變時(shí)，預(yù)溶水在預(yù)溶器內(nèi)無法形成水霧或形成水霧較少，從而影響了預(yù)溶效果，導(dǎo)致制備的溶液中出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

3 絮凝劑預(yù)溶過程的研究

基于預(yù)溶、溶解原理，北京礦冶研究總院研發(fā)設(shè)計(jì)了預(yù)溶器來實(shí)現(xiàn)預(yù)溶過程，預(yù)溶器如圖2所示。預(yù)溶水經(jīng)預(yù)溶水入口進(jìn)入預(yù)溶腔內(nèi)，經(jīng)預(yù)溶器的特殊結(jié)構(gòu)在腔體內(nèi)形成水霧；絮凝劑粉料經(jīng)風(fēng)力輸送由粉料入口進(jìn)入預(yù)溶腔，在預(yù)溶腔內(nèi)被吹散的干粉顆粒會(huì)被水迅速包裹，從而達(dá)到預(yù)溶的效果。

圖2 預(yù)溶器示意圖

為了研究水、粉料在預(yù)溶腔內(nèi)的混合過程，研發(fā)人員采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)預(yù)溶器進(jìn)行水、氣兩相流模擬分析。

3.1 簡(jiǎn)化模型

由于預(yù)溶器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件較多，直接進(jìn)行模擬分析增加了劃分網(wǎng)格難度，且本文主要研究水、氣兩相在預(yù)溶腔內(nèi)的混合過程。因此，對(duì)預(yù)溶器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后預(yù)溶器模型如圖3所示。

圖3 預(yù)溶器簡(jiǎn)化模型

3.2 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格是計(jì)算流體力學(xué)模擬分析的一個(gè)重要步驟，是推進(jìn)CFD工程化應(yīng)用的重要因素；而劃分網(wǎng)格質(zhì)量的好壞則直接影響了動(dòng)力數(shù)據(jù)和最終數(shù)值解的計(jì)算精度［2］。簡(jiǎn)化后的預(yù)溶器模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后網(wǎng)格結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

3.3 確定邊界條件

對(duì)江銅二期絮凝劑溶液制備與投加設(shè)備出現(xiàn)的問題分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水壓變化時(shí)，制備的溶液出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象、絮凝效果變差，因此，預(yù)溶水壓力的變化是導(dǎo)致預(yù)溶效果變差的主要因素。當(dāng)供水壓力發(fā)生變化時(shí)，供水入口水量發(fā)生變化，研發(fā)人員在預(yù)溶水入口管道處添加一臺(tái)流量計(jì)記錄現(xiàn)場(chǎng)不同供水壓力下預(yù)溶水流量。邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件1

3.4 模擬結(jié)果及分析

對(duì)于相同水縫開度，不同供水流量條件模擬結(jié)果如圖5。對(duì)于相同供水流量，不同水縫開度條件下模擬結(jié)果如圖6。

圖5 預(yù)溶過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 預(yù)溶過程數(shù)值模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果分析得出：

（1）當(dāng)水縫開度不變時(shí)，隨著供水流量的增加，預(yù)溶水在預(yù)溶腔內(nèi)形成的水霧逐漸增加，在流速為15m3/h時(shí)達(dá)到最好，超過15m3/h后，隨著供水流量的增加，形成的水霧逐漸減少，形成的渦流增加；

（2）當(dāng)供水流量不變時(shí)，隨著水縫的增加，預(yù)溶水在預(yù)溶腔內(nèi)形成的水霧逐漸增加，當(dāng)水縫開度為3mm時(shí)形成的水霧最佳，當(dāng)水縫超過3mm后，形成的水霧逐漸減少；

（3）當(dāng)供水流量為15m3/h，水縫為0.5mm時(shí)，存在倒灌的危險(xiǎn)，工程人員反應(yīng)，在設(shè)備首次調(diào)試時(shí)，確實(shí)存在倒灌的情況，減小預(yù)溶水手閥后，倒灌情況消失。

4 預(yù)溶器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用效果

預(yù)溶水壓力的變化直接影響了預(yù)溶器中水霧的效果，從而影響預(yù)溶效果。不同的選礦廠供水壓力會(huì)存在差別，即便是同一選礦廠不同時(shí)間，水壓也會(huì)不同。

4.1 預(yù)溶器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過以上研究得出，當(dāng)供水流量變化時(shí)，可通過適當(dāng)調(diào)整預(yù)溶水縫的大小來調(diào)整預(yù)溶效果。因此，研究人員優(yōu)化設(shè)計(jì)了現(xiàn)有的預(yù)溶器，如圖7所示。新版預(yù)溶器可通過調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)水縫的大小。

圖7 新版預(yù)溶器示意圖

4.2 工業(yè)應(yīng)用效果

2015年9月份，新型預(yù)溶器被應(yīng)用于江銅德興水處理站工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，并根據(jù)供水流量調(diào)整預(yù)溶水縫。使用了新型預(yù)溶器的絮凝劑溶液制備與投加系統(tǒng)制備出的絮凝劑溶液濃度精準(zhǔn)，溶解效果好，不再有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，絮凝效果好，大大的節(jié)省了絮凝劑粉料。同時(shí)新版預(yù)溶器還應(yīng)用在了剛果（布）多金屬礦現(xiàn)場(chǎng)。

5 結(jié)論

（1）預(yù)溶器供水流量和水縫開度直接影響了絮凝劑粉料的預(yù)溶效果，當(dāng)水縫開度一定時(shí)，隨著供水流量的增加，預(yù)溶效果先變好再變差；當(dāng)供水流量一定時(shí)，隨著水縫開度的變化，預(yù)溶效果先變好再變差；

（2）當(dāng)預(yù)溶器供水流量一定時(shí)，隨著水縫開度的減小，存在預(yù)溶水倒灌的危險(xiǎn)；

（3）數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用可以很好的幫助我們完成相關(guān)設(shè)備的研發(fā)、設(shè)計(jì)、優(yōu)化改進(jìn)?；陬A(yù)溶器優(yōu)化設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)人員在優(yōu)化設(shè)計(jì)給料器的過程中也采用了數(shù)值模擬技術(shù)。

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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

趙建軍（1980-），男，山東東營(yíng)人，高級(jí)工程師，主要人事選冶在線分析儀器、自動(dòng)化裝置的研究。E-mail：zhao_jj@bgrimm.com