基于滤饼微观结构特性的煤泥动态过滤脱水机理的研究

It was the major cause of leading poor filtration dewatering effect that the filtrate removal channel was blocked by stick and hydrophilic mineral slime, which was resulted greater compressibility and high moisture of capillary channel. Therefore, for the microstructure of filter cake in coal slurry dewatering, this project proposed by theoretical calculation, experimental research and numerical simulation method, and in addition with skeleton builder coagulant and chemical filter aid, the force between particles, solids with fluids, particles with filter medium and particles with reagents was analyzed, and the mechanism above them was explored by molecular dynamics and the theory of lattice Boltzmann. Then based on the characteristics of particle surface structural and composition, and the wetability and hydration film of the particles’ surface, the law motion of solid deposition and moisture migration was explained in slurry filter dewatering. Meanwhile, the model of filter cake formation and compression was constructed, which can provide theoretical support for engineering application in slurry efficient dewatering.

煤泥过滤脱水过程中滤饼的可压缩性和毛细孔道的分布及细粘亲水性矿物颗粒对滤液脱除孔道的堵塞是导致过滤脱水效果差的主要原因，因此本项目针对煤泥过滤过程中滤饼的微观结构特性，拟采用理论计算、试验研究和数值模拟的手段，通过添加骨架构建体助凝剂和化学助滤剂，利用格子Boltzmann理论、颗粒离散元等数值模拟方法和分子模拟方法，探索颗粒与颗粒、颗粒与液体和颗粒与介质及颗粒与药剂之间的受力分析和作用机理，结合颗粒表面结构特性、表面成分及其润湿性和水化膜作用，揭示煤泥过滤脱水中固体颗粒沉积-液相水分迁移规律，构建煤泥过滤脱水中的滤饼成型-压缩变形模型，为细粒煤泥的高效脱水和工程应用提供理论支持。

煤泥过滤脱水过程中滤饼的可压缩性和毛细孔道的分布及细粘亲水性矿物颗粒对滤液脱除孔道的堵塞是导致过滤脱水效果差的主要原因，本项目系统地研究和阐明了煤泥中粘土矿物、煤浆特性、颗粒特性和脱水条件对煤泥过滤脱水效果及滤饼孔隙结构的影响规律和作用机理。借助分子动力学和密度泛函模拟技术研究了水分子在矿物表面的吸附行为、助滤剂对矿物表面水化作用的影响机理以及煤泥颗粒间的相互作用，掌握了煤泥滤饼动态生长规律。采用CT扫描技术建立了数字滤饼模型并对其三维孔隙进行可视化，基于格子Boltzmann方法开展了单相微流动数值计算，考察了颗粒物性参数对微观孔隙结构特性与宏观渗流规律的影响。设计了基于骨架构建体的物理化学复合助滤剂，揭示了复合助滤剂对滤饼水分分布的影响，探索了骨架构建体对煤泥滤饼结构的调控机理。结果表明：煤泥中蒙脱石的存在严重恶化脱水效果，蒙脱石的水化作用最强，高岭石次之，石英的水化作用最弱，水化膨胀状态下，Li、Na、K 基蒙脱石有结合水、自由水两种水分存在状态，Ca、Mg、Ba 基蒙脱石只有结合水一种水分存在状态；煤结构中大部分的苯环与含氧官能团以平行于矿物表面的形态与矿物发生吸附，而一部分含烷基等官能团呈现出脱离颗粒表面的形态；基于格子Boltzmann方法发现球形颗粒形成的滤饼渗透率明显大于不规则颗粒所形成的滤饼，当形成多孔介质的球形颗粒粒径固定时，渗透率随着孔隙率增加而增大；当形成多孔介质的孔隙率固定时，多孔介质渗透率随着颗粒粒径的增大呈现出指数上升的趋势；CaCl2、MgCl2和三价无机盐可以极大的促进阴离子聚丙烯酰胺在无定形碳表面的吸附，阴离子聚丙烯酰胺可以通过“金属阳离子桥接”作用在不定型碳表面发生吸附；骨架构建体复合药剂可以提高滤饼的孔隙率和孔隙的连通性，降低了孔吼半径比，改善了过滤效果。课题从机理至实际煤泥脱水进行了全面研究，对煤泥脱水具有极大的指导意义。