煤泥水沉降技术机理研究

杨洪环

摘 要：文章介绍了煤泥水和絮凝药剂混合的理论基础，在分子级主要有静电作用能、分子作用能和疏水作用能妨碍颗粒的絮凝，要增强煤泥水沉降效果，必须增加微小颗粒之间的碰撞几率，并对这种几率进行有效控制。

关键词：选煤；煤泥水处理；作用力；颗粒物

中图分类号：TD94 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0002-02

煤泥水处理问题是选煤界一直关注研究的重要课题，煤泥水处理是选煤厂生产的重要环节，笔者对煤泥水处理过程中的沉降机理作了深入分析，对后续研究有一定的指导作用。

选煤生产中，煤泥水的沉降效果受煤泥水与药剂混合程度的影响，这种混合程度的关键是提高混匀基础，这是煤泥水沉降效果的重要前提性工作。在煤泥水的沉降过程中，煤泥颗粒之间会产生碰撞，颗粒物之间是否能够有效碰撞，也对煤泥水的沉降效果有一定的作用，影响煤泥水絮凝效果的因素比较多，其中最关键的主要有两个：①由于絮凝剂和凝聚剂的作用，凝聚剂水解后产生压缩双电层机理、吸附电中和作用机理及高分子络合物形成的吸附架桥的联接能力；②颗粒的碰撞几率以及如何有效控制。

1 煤泥水沉降内部作用力

1.1 扩展的DLVO理论

胶体稳定性的DLVO理论可对胶体或微粒悬浮体的电解质凝聚进行令人满意的解释。根据DLVO理论，由于在颗粒的零电点或零电点附近时颗粒间的双电层排斥力最小，甚至几乎不存在，因此电解质凝聚的最强烈的聚团程度总是出现在零电点或零电点附近。近20年来，科研工作者发现在亲水或者疏水胶体粒子间存在着某种特殊的相互作用力，对胶体分散体系的稳定性起决定性作用，从而提出了扩展的DLVO理论，即EDLVO理论。在煤泥水悬浮体系中，各种化学药剂以及水的作用，经典的DLVO理论仅考虑了胶体颗粒间的静电作用能和范德华力作用能，难以解释煤泥水悬浮液体系中细粒煤的凝聚与分散行为。颗粒在多重力的综合作用下，相互碰撞形成团，这个理论充分分析了颗粒物体之间的胶范德华力作用能、静电作用能、疏水作用能这些作用势能用以下公式表示：

式中：U为总作用能；UE为静电相互作用势能；UA为范德华相互作用能；US为疏水相互作用能。

颗粒物之间的状态主要表现为：若总作用能U>0，颗粒物之间处于分散状态；如果总作用能U<0，颗粒物之间处于聚团状态。

1.2 静电作用能

矿物在水溶液中受到水偶极及溶质的作用，表面会带有一种电荷。矿物表面电荷的存在影响溶液中离子的分布：带相反电荷的离子会被吸引到颗粒表面附近，带相同电荷的离子则被排斥到远离颗粒表面，于是矿物固体颗粒与水界面间产生电位差。由于体系是电中性的，所以溶液中必定存在着与颗粒表面电荷相等，电性相反的电荷，并且在颗粒周围形成双电层。

描述双电层结构最早是由Gouy-Chapman提出的平板双电层模型。该模型强调了离子环境的稳定性，以后Gouy-Chapman对平板模型提出了修正，建立了扩散的双电层模型，但又过分强调了离子的稳定性。上述两种模型都不能全面说明双电层的正确结构。

1.3 分子作用能

原子或分子间的分子吸引力与颗粒间距的7次方成反比，衰减很快，作用距离非常短。但分子作用力有加和性，含有大量原子（或分子）的颗粒与颗粒之间的总作用力是颗粒中各个原子（或分子）与另一颗粒中各个原子（或分子）间所有作用力的总和，故颗粒间的分子作用力不仅可观，而且作用距离较大。

1.4 疏水作用能

当颗粒物与水混合时，由于水分子有相互形成氢键的性质，颗粒物破坏了原有的水结构，分裂了水分子之间的氢键结构，远离疏水颗粒的水分子会马上形成稳定氢键缔合的笼架结构，然而，与疏水颗粒接触的水分子无论怎么排列，都使水分子四个电荷中的一个或多个指向疏水颗粒表面或非极性分子，最终不会形成氢键。

此时疏水颗粒表面与水分子的作用很小，小雨形成氢键的作用力，从而使得疏水颗粒周围水分子的位能很高。

热力学定律告诉我们，自由能高的状态是不稳定的，一定会转化到自由能低的状态，疏水颗粒周围的水分子总是企图将疏水颗粒分子排斥开，形成稳定的笼架结构。这种作用效果最终体现为疏水颗粒分析相互吸引，聚合成团，或者逃出水体系，在液体——气体界面聚集，最大程度减少疏水颗粒与水界面的接触面积，降低整个体系的自由能。

2 流体外部作用力

药剂在煤泥水中的分散除了自身的扩散外，更重要的就是外力对其进行的强制扩散，在搅拌槽中，通过叶轮的旋转把机械能传送给液体物料，造成液体的强制对流，混合过程正是在强制对流下的强制扩散过程。由于不同工艺要求的混匀过程对流体运动状态的要求也是不一样的，絮凝剂在煤泥水中的分散混匀应该属于分子级混匀，但是现有的机械混匀方式都无法达到分子级的混合均匀，只能在外部施加外力增加颗粒碰撞的机会。那么最重要的仍然是外部流体的运动方式，现以机械搅拌的方法为例，详细介绍流体运动状况的表征量，并用其描述混合效果。并根据流体力学的基本原理分析搅拌轮产生的液体运动状况。

2.1 叶轮的排液量与流体循环量

在搅拌槽中，叶轮旋转会带动液体在槽内流动，叶轮的排液量是指在叶轮的带动下，直接排出的液体的体积流量；循环量是指在循环运动过程中，所有参与循环的液体体积流量。在这个过程中，叶轮会产生夹带作用，由于夹带能力的不同，循环量和排液量会有很大不同，一般情况下，前者远远大于后者。

2.2 搅拌轮的压头

在搅拌槽内的闭合流动回路中，叶轮的压头必等于流动路程中的全部阻力损失之和。在克服流体阻力的过程中，排出流的动能转变为无数大小漩涡的动能。漩涡尺寸逐渐衰减，最后全部机械能转变为热而弥散。由此可见，压头H的数值即是槽内液体流运动强度的度量，而涡流产生与流体中的剪切作用，所以压头H也是槽内流体受到的剪切作用程度的度量。

2.3 排液量和压头之比

槽内搅拌轮在工作中会消耗功率，主要在两个方面：①形成液体的循环流动；②产生液体的剪切流动。不同的工艺工程机理，两种流体运动方式的效应不同。在搅拌功率固定情况下，两种流动方式消耗的功率之比对搅拌效果有重要意义。功耗一定，叶轮的直径变大可以增加液体循环量和循环速度，较少流体受到的切作用，反之，叶轮直径变小，产生的效果与此相反。

一些常用的搅拌轮Q/H比依次减小（即对流体的剪切作用依次增大）的顺序是：平桨、涡轮、螺旋桨、锯齿状叶轮和有缺口无叶片的圆盘。

应用搅拌的某些工艺工程，对Q/H比的要求依次减小（即对剪切作用要求依次增大）的顺序是：混匀、传热、固体悬浮、固体溶解、气体分散、液-液（互不溶液体）分散、固体在高粘度性液体中的分散。

因此，在选择叶轮时，必须根据工艺流程和要求来决定，根据工艺流程需要重视的参数来确定。还有一些工艺过程对流体循环量和剪切速率都有一定的要求，在这样的系统中，通常有一个最佳的循环量对剪切速率的比值。当然，不管怎么样，都必须有一个最低的速率来保证液体能够流入和流出叶轮区，这样才能够实现流体的循环流动，完成整个工艺流程。

2.4 流体剪切速率及其在槽内的分布

叶轮工作中会产生流体剪切作用，由于剪切作用，不均匀尺度减小，因而产生了搅拌效果。不同的工艺流程，位置不同，以及搅拌槽的大小，会产生的搅拌效果，这对分析和研究也有重要的意义。

所谓流体剪切应力就是流体的粘度与流体剪切速率之积：

流体剪应力=μ×（流体剪切速率）

由于剪切速率的不同，搅拌效果也不同，在实践和理论上非常重要，其在不同的分散过程中关系不同。主要分为两种：一种是脆弱颗粒的不可逆的分散过程，剪切作用下，打碎的颗粒在槽内剪切应力较小的区域中不能凝聚；第二种是在可逆转系统中，槽内叶轮区的液底由于剪应力较小而部分重新复合和凝聚。分散现象的实际情况还受到其他因素的影响，各种参数会不同，主要受制于剪应力的重要性。随着搅拌槽的大小改变，剪切作用力的作用和趋势会有很大不同，如叶轮的增大和减小，搅拌效果也会产生变化，在实践中，更会涉及到多种因素的影响。

2.5 叶轮雷诺数

从上文我们可以理解到，流体的运动状态影响着搅拌作用机理、速度和剪切作用，还有搅拌槽内的附件都会产生一定的影响，比如说挡板。因此，叶轮雷诺数是一个很重要的参数，它是判断槽内循环流动动力学状态的依据，许多其它搅拌参数，例如功率准数和混合时间系数等，均可同叶轮雷诺数关联起来。当然它不能准确表示整个槽内的液体流动状态，如叶轮的影响等，其中众多因素还有待于研究发现。

本文对分子间的作用能作了简要的介绍，对外力作用使得颗粒之间能够增加碰撞机会的判定参数进行了讨论。在外部施加外力增加分子混匀的机会，那么最重要的是外部流体的运动方式，分析了现有搅拌槽内的流体运动状况的表征量是如何来描述混合效果。根据流体力学的基本原理分析搅拌轮产生的液体运动状况。

参考文献：

[1] 丁绪淮，周理.液体搅拌[M].北京：化学工业出版社，1983.

[2] 常青.水处理絮凝学[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3] L.斯瓦罗夫斯基（英）.朱企新，金鼎五（译）.固液分离[M].北京：化学工业出版社，1990.