面向煤泥水絮凝需求的浓缩机入料井流场能耗分布优化

Normal operation of coal preparation plant is deeply effect by the processing of coal tailing water, whose efficiency is determined by the flocculation. As the main place of flocculation, the feedwell’s fluid characteristics has important influence on the efficiency of coal slurry flocculation. In this project, basing on the theory of flocculation kinetics, the critical fracture velocity gradient of flocs will be used as the key parameter to set up an optimal model of energy dissipation distribution in theory. With simple closed feedwell as the initial model, EDLVO theory for particle interaction model, Computational Fluid Dynamics (CFD) combined with Discrete Element Method (DEM) will be used to analyse the flow characteristics and the flocculation progress in the feedwell, and also its influencing factors. Refer to the optimal energy dissipation distribution model, a relationship model of fluid energy dissipation and residence time to floc particle size will be built to describe the effect of energy dissipation distribution of feedwell to coal slime particles’ flocculation. Optimization method of designing and scaling-up feedwell using energy dissipation-residence time distribution as control parameter also needed to be discussed. The results will be usefull to developing settlement equipment or efficient flocculation technology for coal tailing water.

絮凝效率决定了煤泥水的处理效率，因而对选煤厂的正常运行有直接影响。作为煤泥絮凝成长的主要场所，高效浓缩机入料井的结构及其流场对絮凝沉降有重要影响，但规律尚不明确。因此，本项目从絮凝动力学理论出发，以絮体的临界破碎速度梯度为关键参数，建立絮凝流场的理论最佳能耗分布模型；以简单闭合式入料井为初始流场模型、EDLVO理论为颗粒作用能模型，采用计算流体力学（CFD）与离散元（DEM）模拟相结合的方法，分析入料井中的流场特征及煤泥颗粒在其中的絮凝成长规律及其影响因素，结合最佳能耗分布模型，建立流体能量耗散和作用时间与絮体粒径的关系模型，阐明浓缩机入料井中流体能量耗散分布同煤泥颗粒絮凝成长的协同关系；探讨以能量耗散分布-作用时间为控制指标的浓缩机入料井结构优化与放大设计方法。项目成果将为煤泥水絮凝沉降设备设计和高效絮凝技术的开发提供理论指导。

煤泥水的絮凝沉降是选煤工艺中的重要环节，提高絮凝效率，有助于高效的煤泥水分离。现行煤泥水絮凝工艺和设备未充分考虑絮凝动力学对絮凝过程水力环境的需求，有很大的提升空间。. 项目基于絮凝动力学理论，通过数值方法得到了煤泥水絮凝过程ε-G-t动力模型，用于指导絮凝装置（浓缩机入料井）的结构设计和优化。基于此模型，设计了螺旋导流和降流式梯级流化床两种结构形式的新型絮凝装置。通过CFD模拟研究了螺旋导流装置中流场能耗分布；通过CFD-DEM模拟研究了流化床中颗粒的碰撞概率；通过XDLVO-CFD-DEM模拟研究了煤-煤、煤-伊利石颗粒的碰撞与粘附作用。并分别在两种结构形式的絮凝装置中进行了煤泥水絮凝沉降实验，考察了表观流速、充填颗粒等对絮凝效果的影响。. 项目研究结果表明，采用ε-G-t动力模型指导设计的絮凝装置，满足絮凝动力需求，能够较好地絮凝煤泥水。螺旋导流装置的能量耗散集中在靠近螺旋外壁处，螺旋式设计使颗粒在离心力作用下浓缩于外壁附近，有助于颗粒的碰撞絮凝；体积加权湍动能在0.0068 m2s-2~0.0027 m2s-2之间，体积加权有效能耗在0.166 m2s-3~0.042 m2s-3之间，有利于保证较好的絮凝效果。梯级流化床通过分级充填颗粒的密度和粒度，可自然形成多级速度梯度和微涡尺度的流化床，符合絮凝动力需求，改善效果明显，絮体平均粒径可达523.29微米。CFD-DEM模拟说明了充填颗粒尾涡对于提高煤泥颗粒碰撞概率的促进作用。XDLVO-CFD-DEM模拟揭示了颗粒絮凝的碰撞和粘附过程，说明XDLVO作用力在絮凝过程中的重要作用，与实验结果吻合。. 项目提出的ε-G-t絮凝动力模型对于絮凝装置优化设计有重要指导作用；螺旋导流和梯级流化床结构能够用于生产实际，特别是梯级流化床设计，有望在不改变现有浓缩机入料井结构的情况下，通过局部充填，提供高絮凝效率，具有良好的应用前景；项目还证明了XDLVO-CFD-DEM絮凝过程模拟方法的可行性，为絮凝过程的直接模拟提供了新的途径。