段家奇，葉貴川，樊玉萍，馬曉敏，董憲姝

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

煤泥水是煤炭洗選過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水。流量大、懸浮細(xì)泥顆粒濃度高以及難以自然沉降的特點(diǎn)，使其固液分離效果較差。未沉淀的細(xì)泥顆粒隨濃縮機(jī)溢流進(jìn)入主選設(shè)備作為循環(huán)水使用，在系統(tǒng)中反復(fù)循環(huán)，經(jīng)泵及管路的運(yùn)輸使顆粒不斷破碎和泥化，產(chǎn)生更細(xì)粒煤泥，惡化沉淀效果，造成選煤廠“細(xì)泥”積聚，產(chǎn)生的高濃度循環(huán)水常造成藥劑添加無效甚至煤泥水處理系統(tǒng)癱瘓。

絮凝是實(shí)現(xiàn)煤泥水高效固液分離的關(guān)鍵技術(shù)手段，為提高絮凝效果，大量學(xué)者從多角度、多方面對(duì)絮凝機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了深入研究，涉及界面物理化學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科問題[1，2]。在界面物理化學(xué)方面，著重研究了藥劑類型和用量[3，4]、pH值[5，6]、溫度[7]以及電位[8]等對(duì)絮凝效果的影響，然而這些研究側(cè)重絮團(tuán)的靜置沉降體系，忽略了實(shí)際過程中的流體動(dòng)力學(xué)行為。

近年來，微細(xì)顆粒絮凝行為的動(dòng)力學(xué)過程成為研究熱點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[9，10]。以往學(xué)者們常使用顯微鏡或激光衍射儀對(duì)絮凝過程絮團(tuán)形貌等特征進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而研究顆粒絮凝行為。但這兩種檢測(cè)手段只能研究絮凝結(jié)束后絮體特性或靜置沉降效果，一直到聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(Focused Beam Reflectance Measurement，F(xiàn)BRM)的出現(xiàn)，絮凝流體動(dòng)力學(xué)研究得到了進(jìn)一步技術(shù)支持，伴隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD，Computational Fluid Dynamic)的快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于砂礦、污水處理等領(lǐng)域進(jìn)行絮凝過程動(dòng)力學(xué)行為的相關(guān)研究。周旭[11]，阮竹恩[12]采用FBRM和PVM(Particle video microscope，PVM)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究絮凝過程中絮團(tuán)特性的變化，分析了絮凝過程剪切破壞力與絮團(tuán)凝聚力的相互作用；D.Pandya J和A.Spielman L[13]通過對(duì)絮體粒徑分布的測(cè)量討論了絮體在湍流流動(dòng)中的破裂和侵蝕機(jī)制。而進(jìn)一步的理論研究以 Smoluchowski 動(dòng)力學(xué)[14]模型為基礎(chǔ)，研究活性污泥和尾砂的聚并過程與破碎過程，進(jìn)而建立聚并模型與破碎模型，再以群體平衡模型(PBM，Population Balance Model)為基本框架[15]，構(gòu)建出全尾砂絮凝的動(dòng)力學(xué)模型[16，17]。采用PBM模型對(duì)顆粒絮凝過程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，可視化分析絮凝過程，對(duì)顆粒絮凝過程的固液兩相動(dòng)力學(xué)研究具有重要意義。

目前，顆粒絮凝過程存在絮團(tuán)聚并、破碎及重構(gòu)現(xiàn)象已被眾多科研工作者所證實(shí)[2，11，17，18]，但關(guān)于聚并效率、破碎效率的相關(guān)研究還主要停留在數(shù)學(xué)模型的討論上[15，16]。本文利用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x，實(shí)時(shí)原位檢測(cè)顆粒絮凝過程平均粒度隨時(shí)間的變化關(guān)系，提出以絮團(tuán)增長(zhǎng)率曲線間接反映顆粒聚并、破碎效率的變化規(guī)律，進(jìn)而通過剪切速率和攪拌槳離底高度調(diào)控流場(chǎng)環(huán)境，結(jié)合剪切體系流場(chǎng)特征參數(shù)揭示流體剪切對(duì)微細(xì)煤泥絮凝過程中聚并-破碎效率的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

采用200目標(biāo)準(zhǔn)篩將開灤林西礦細(xì)粒煤進(jìn)行篩分，取篩下物(-74μm)作為實(shí)驗(yàn)樣品，煤樣工業(yè)分析見表1。為統(tǒng)一粒度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，直接采用FBRM(G400)聚焦光束反射測(cè)量?jī)x，在不添加絮凝劑條件下測(cè)得剪切體系中實(shí)驗(yàn)煤樣粒徑分布如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣工業(yè)分析 %

圖1 實(shí)驗(yàn)煤樣FBRM粒徑分布

1.2 微細(xì)顆粒絮凝過程絮團(tuán)粒徑在線檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)采用聚焦光束反射測(cè)量?jī)x(FBRM G400，Mettler Toledo，USA)持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤絮團(tuán)的平均粒徑變化。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

用篩分好的試驗(yàn)樣品和去離子水配制成固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，總體積150mL的煤泥水，使用陽離子聚丙烯酰胺配制成濃度為1‰的絮凝劑。試驗(yàn)時(shí)，在拌槳離底高度h/H=1/6、絮凝劑加藥量D=400g/t干煤泥下，設(shè)置5個(gè)剪切速率水平(G=17.94s-1、35.89s-1、53.83s-1、71.77s-1、107.66s-1)，測(cè)定不同剪切速率下絮團(tuán)平均粒徑隨時(shí)間的關(guān)系曲線；此外，在G=53.83s-1、D=400g/t干煤泥時(shí)，設(shè)置5個(gè)不同的攪拌槳離底高度(h/H=1/10、1/6、1/4、1/3、1/2)，測(cè)定不同攪拌槳離底高度下絮團(tuán)平均粒徑隨時(shí)間的變化情況。

1.3 微細(xì)顆粒絮凝過程流場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值解析

受限于煤泥水系統(tǒng)的復(fù)雜性，剪切條件下顆粒絮凝過程中流體的動(dòng)態(tài)演變檢測(cè)較為困難。本文采用多重參考系模擬攪拌槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以預(yù)測(cè)剪切體系中流場(chǎng)的分布特征。在FLUENT軟件中采用多重參考系對(duì)攪拌體系的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值可視化已被眾多學(xué)者證明其精準(zhǔn)性，其流體動(dòng)力學(xué)控制方程可參見相關(guān)文獻(xiàn)[19，20]。攪拌體系的幾何模型條件如下：

1)模型參數(shù)：攪拌槽底部直徑7cm，內(nèi)部液面高4.3cm；攪拌軸直徑0.8cm，槳葉長(zhǎng)2.4cm，厚0.1cm，寬0.8cm，傾斜45°。

2)網(wǎng)格數(shù)量：共計(jì)633518網(wǎng)格，質(zhì)量良好。

3)模型選擇：多重參考系。

4)殘差設(shè)置：K-ε，Standard湍流模型。

5)迭代設(shè)置：每20步計(jì)算0.001s。

2 絮凝過程試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微細(xì)顆粒絮凝過程聚并-破碎效率分析

圖3 微細(xì)煤泥絮凝行為的FBRM檢測(cè)

上述討論表明在實(shí)驗(yàn)條件下的煤泥顆粒絮凝行為符合由橋接引起的典型絮凝過程[21]。Jeldres[22]等人將這一趨勢(shì)歸因于剪切誘導(dǎo)引起的絮團(tuán)聚集、破碎、伸長(zhǎng)和壓實(shí)造成的絮團(tuán)重組現(xiàn)象，并提出了聚并-破碎效率的數(shù)值表現(xiàn)方式，以直觀分析顆粒的絮凝行為，后被其他學(xué)者不斷加以明確和改進(jìn)，見表2。

表2 聚并-破碎效率公式

表2中，碰撞頻率βi，j受到分子布朗運(yùn)動(dòng)、剪切流、差異沉降作用，但是在剪切流的影響下，布朗運(yùn)動(dòng)和差異沉降作用可以忽略[26]；Gv為平均剪切速率(正比于湍流耗散率的三次方)，di和dj為顆粒有效碰撞粒徑；捕獲效率f(α)只受絮凝劑用量導(dǎo)致懸浮液的粘度和密度變化的影響[25]；Si為破碎效率，s1和s2(s2>1)是非量綱常數(shù)。

在剪切速率一定時(shí)，絮凝過程的碰撞效率與有效碰撞粒徑成正比，捕獲效率隨絮凝時(shí)間的增加而減小。絮凝剛開始時(shí)，在剪切條件下顆粒碰撞速率大，此時(shí)捕獲效率高，因而顆粒迅速發(fā)生絮凝行為，絮團(tuán)平均粒徑顯著增大。此后，體系中的相對(duì)粒子數(shù)量濃度降低，捕獲效率也相應(yīng)降低，但絮團(tuán)粒度的增加將導(dǎo)致破碎效率的顯著增加，大絮團(tuán)發(fā)生明顯的破碎，導(dǎo)致絮體平均粒徑降低。根據(jù)式(4)，絮團(tuán)平均粒徑的降低致使破碎效率降低，破碎速率減緩，因而絮團(tuán)逐漸在破碎-聚并中得到相對(duì)平穩(wěn)，最終絮團(tuán)的平均粒徑趨于一個(gè)常數(shù)，符合圖3絮團(tuán)粒徑變化結(jié)果。

2.2 剪切速率對(duì)絮凝過程的影響

2.2.1 剪切速率對(duì)微細(xì)顆粒絮凝過程聚并-破碎效率的影響

絮凝劑加藥量為400g/t干煤泥、攪拌槳離地高度h/H=1/6時(shí)，剪切速率對(duì)絮凝過程As和F′As的影響如圖4所示。

圖4 剪切速率對(duì)絮凝過程As和的影響

由圖4(a)可知，剪切速率過低時(shí)(17.94s-1)，沒有明顯絮團(tuán)破碎的情況，絮團(tuán)平均粒徑緩慢增加，絮凝效率低。隨剪切速率增加，微細(xì)煤泥顆粒絮凝達(dá)亞穩(wěn)定階段后的絮團(tuán)平均尺寸先增大后減小，在剪切速率為35.89s-1時(shí)達(dá)到最大值。由圖4(b)可知，剪切速率的增加，處于聚并階段的時(shí)間減小，達(dá)到絮團(tuán)最大尺寸時(shí)間縮短，同時(shí)粒徑增長(zhǎng)率先增大后減??；同時(shí)，處于破碎階段時(shí)間不斷增加，更晚進(jìn)入亞穩(wěn)定階段。

2.2.2 不同剪切速率的流場(chǎng)模擬

流場(chǎng)渦旋的存在是影響顆粒絮凝的關(guān)鍵因素之一[27]。攪拌槽內(nèi)整體流場(chǎng)湍動(dòng)能情況如圖5所示，F(xiàn)BRM探頭平行面的湍流耗散率變化如圖6所示。

圖5 剪切速率對(duì)流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)能的影響

圖6 剪切速率對(duì)湍流耗散率的影響

由圖6可知，4葉攪拌槳攪拌作用下，平面流場(chǎng)產(chǎn)生同向渦旋，且隨剪切速率增加，渦旋逐漸變大，導(dǎo)致平面流場(chǎng)速度梯度增加，剪切力增大。同時(shí)，根據(jù)式(4)可知湍流耗散率增加使Gv值增大，即破碎效率逐漸增加；由式(2)，碰撞頻率隨湍流耗散率的增加同時(shí)增加，認(rèn)為捕獲效率相同，聚并效率隨之增大，然而破碎效率對(duì)Gv值的變化更為敏感(s2>1)，剪切速率為17.84s-1和107.66s-1時(shí)的FBRM結(jié)果明顯證明了這一點(diǎn)，與圖4所示結(jié)果相符，絮凝初始時(shí)，高剪切速率下有更快的絮團(tuán)尺寸增長(zhǎng)速率，然而絮團(tuán)最終粒徑卻更小。

2.3 攪拌槳離底高度對(duì)絮凝過程的影響

2.3.1 攪拌槳離底高度對(duì)微細(xì)顆粒絮凝過程聚并-破碎效率的影響

圖7 攪拌槳離底高度對(duì)絮凝過程As和的影響

2.3.2 不同攪拌槳離底高度的流場(chǎng)模擬

攪拌槳離底高度對(duì)流場(chǎng)湍動(dòng)能和湍流耗散率的影響如圖8、圖9所示。依據(jù)式(1)(2)(3)，在整體平均剪切速率恒定(Gv不變)，絮凝劑用量不變(f(α)不變)，只改變攪拌槳離底高度情況下，探頭平面位置處湍流耗散率隨攪拌槳位置改變變化不明顯(圖9)，因此攪拌槽內(nèi)初始聚并效率保持不變，絮凝過程中聚并效率的不同主要受絮凝過程粒徑變化的影響。因此，攪拌槳離底高度對(duì)煤泥絮凝行為的影響不如剪切速率對(duì)絮凝行為的影響顯著。

圖8 攪拌槳離底高度對(duì)流場(chǎng)湍動(dòng)能的影響

圖9 攪拌槳離底高度對(duì)湍流耗散率的影響

在懸浮體系中，煤泥顆粒相對(duì)水而言均屬于高密度顆粒，因此，大塊絮團(tuán)更易分布在槽底區(qū)域。當(dāng)攪拌槳靠近槽底時(shí)，槽底區(qū)域的湍動(dòng)能顯著增大(圖8)，對(duì)該區(qū)域的大塊絮團(tuán)的破碎尤為明顯，導(dǎo)致絮體最終粒徑減小。因此，在一定范圍內(nèi)提高離底高度，可以減小剪切條件對(duì)體系中大塊絮團(tuán)的破碎，使體系相對(duì)聚并效率增大，強(qiáng)化絮凝效果。離底高度過大，流場(chǎng)渦旋難以充分驅(qū)動(dòng)槽體下方的絮團(tuán)懸浮，因而測(cè)得的平均粒徑有一定程度的降低。

3 結(jié) 論

2)剪切速率對(duì)顆粒的絮凝行為有重要影響，在一定范圍內(nèi)增大剪切速率，有利于聚并效率和亞穩(wěn)定階段時(shí)絮團(tuán)平均粒徑的增加；但過高的剪切速率將產(chǎn)生較高的湍流耗散率，由于破碎效率對(duì)湍流耗散率變化更敏感(s2>1)，使絮團(tuán)破碎效率快速增大，導(dǎo)致絮凝更早進(jìn)入破碎階段，同時(shí)到達(dá)亞穩(wěn)定階段時(shí)的絮團(tuán)平均粒度有所降低。

3)攪拌槳離地高度對(duì)煤泥的絮凝行為的影響不如剪切速率對(duì)絮凝行為的影響顯著；在一定范圍內(nèi)增大攪拌槳離底高度有益于提高絮凝過程的聚并效率，使最終的絮團(tuán)直徑增大。