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立式螺旋煤泥过滤离心机脱水时间模型研究

摘要:根据立式螺旋煤泥过滤离心机的工作特点,提出了静态过滤时间和动态过滤时间的概念,推导了静态过滤时间、动态过滤时间与主要结构参数之间的函数关系,分析了主要参数的影响趋势并进行了验证.结果表明:沉降成饼时间是螺旋头数和相对速差的函数,对滤层厚度、阻力及滤层截留效应影响显著;动态过滤时间是螺旋升角、回转速差、过滤转鼓半锥角及过滤转鼓半径的函数,对滤层运动行为及脱水效果影响显著.采用小升角螺旋、降低转速差、增大转鼓高度有利于延长动态过滤时间、改善脱水效果.建立的模型对细煤泥过滤离心机的设计、优化具有指导意义.
    关键词:细煤泥脱水;过滤;过滤离心机;脱水时间
    中图分类号:TD926.2  文献标识码:A
    煤炭深度洗选脱硫降灰是控制燃煤污染、提高煤炭利用效率的主要途径.高效细粒煤泥脱水技术是湿法选煤工艺深度脱硫降灰的前提.连续作业、结构紧凑、高效可靠的细煤泥脱水技术与装备研发一直受到国内外研究者的高度关注.离心力场易于实现,所产生的过滤推动力远高于真空、加压等过滤方式.离心过滤对所分离的固相和液体之间没有密度差的要求,对带泡末的浮选精煤悬浮液脱水具有优越性.连续、动态是相对于静态、间歇作业的压滤机、三足离心机的过滤方式提出的,目标是高固体回收和低滤饼水分,难点是沉降行为、滤饼结构、沉降及过滤时间控制,关键在于过滤转鼓、螺旋的结构参数与配合.国外相关领域的研究工作主要围绕改善入料性质、改进筛篮、筛网结构等改善脱水效果,如通过预先浓缩、絮凝、分级等提高入料浓度、改善入料粒度来加速滤饼层的形成、改善滤层结构、改进脱水效果等[12].根据卧螺离心机、沉降离心机及沉降过滤离心机的研究及应用实践,影响物料脱水的因素除了入料性质、筛篮、筛网结构外,螺旋结构与速差也有重要影响,主要体现在对滤层结构和停留脱水时间的影响上[35].文献[6]对影响振动卸料离心机和锥型转鼓离心力卸料离心机的物料停留时间的因素进行了研究.国内关于煤泥离心机的文献主要围绕粗煤泥回收的应用实践.本文基于动态过滤的实现、控制及优化,从时间控制的角度,对螺旋离心机中影响滤层沉降行为、滤层结构和脱水效果的主要结构因素及关系进行了研究探讨.
    1立式螺旋离心机动态过滤原理
    连续、动态是相对于静态、间歇作业的压滤机及三足离心机过滤提出的,利用螺旋结构是实现和控制滤层动态化的有效手段.图1是立式螺旋离心机动态过滤原理图,图2是离心过滤的基本原理图.入料悬浮液从上部连续给入,在螺旋与过滤转鼓构成的空间内分离;沉降到过滤转鼓(称之固有过滤介质)表面的粗颗粒被截留并形成颗粒床层(称之次生过滤介质),对后续沉降的颗粒进行截留,颗粒层厚度和过滤阻力不断增加.固有介质和次生介质构成复合介质;液体因离心作用透过复合过滤介质的孔隙进入滤液室;与过滤转鼓之间保持一定转速差的螺旋体将沉积在固有介质表面的颗粒层向排料端方向输送并持续脱水,实现了次生滤层的动态化.
    根据立式螺旋煤泥过滤离心机的工作进程特点,把分离空间沿转鼓母线方向划分为饱和脱水区和非饱和脱水区.饱和脱水区的主要特点是颗粒沉降形成次生过滤介质及自由液体的分离(如图2),液体自由液面半径狉0小于颗粒床层表面半径,流体压差大、过滤速度较快,脱水阻力主要源于次生过滤介质阻力犚犮.
    用αc表示次生过滤介质的过滤比阻(忽略其沿半径方向的变化),rb为过滤转鼓内表面半径,那么半径r处厚度为dr的单位高度环状滤层单元的过滤阻力可表示为:
                  
    对式(1)积分可得单位高度环状滤层的过滤阻力为
                  
    根据达西定律,颗粒床层厚度增加必然导致犚犮1狉增大,相应的是过滤速度的降低.由式(2)可知,控制滤层厚度或降低过滤比阻可以有效降低次生过滤介质阻力.沉降行为与时间控制的意义在于前者,动态化的意义在于后者.意义在于改善颗粒层的孔径分布、降低残余饱和度.
           
    2立式螺旋过滤离心机的脱水时间
    在持续作业过程中控制颗粒层的增长时间是控制滤层厚度、降低次生过滤介质阻力的有效途径,动态化过滤时间控制是改善次生介质层结构、降低过滤比阻和残余饱和度的有效途径.
    2.1沉降成饼静态过滤时间
   根据式(2),饱和渗流脱水区颗粒层厚度对脱液阻力具有很大影响,而沉积厚度是沉积时间的函数.将过滤转鼓表面犇犻处沉积颗粒层的形成、增长、脱液时间定义为该处的沉降成饼静态过滤时间,用犜狊表示.用犺狊表示输渣螺旋的头数,用Δ狀表示过滤转鼓与螺旋之间的转速差,那么螺旋在犇犻处的刮料频率可表示为
               
    Tsi,fi 由螺旋头数犺狊和转速差Δ狀确定.初始阶段,悬浮液中的固体颗粒发生离心沉降,粒度大于固有过滤介质孔径的颗粒通过架桥的方式沉积、形成次生过滤介质,对后续沉积的颗粒进行截留,图2中的狉狊逐渐减小、滤层厚度和过滤阻力增加.滤层表面被液体覆盖,属于饱和渗流过滤,过滤压差大、脱除大部分液体.犜狊犻,犳犻决定颗粒在该区域的持续沉积时间及静态过滤脱水时间,即决定次生介质层厚度,影响颗粒层渗流阻力、脱水速度和细粒截留效果[1].结构设计时,若着眼于降低过滤阻力、提高脱水速度,可考虑适当提高饱和脱水区的刮料频率、降低滤层厚度;若着眼于借助滤层截留效应、提高细粒回收效果,可考虑适当降低饱和脱水区的刮料频率.
    22动态过滤脱水时间
    滤层动态化由回转螺旋实现,滤层由过滤转鼓的小端向大端的运动轨迹为螺旋线,该过程即动态过滤历程.将该过程经历的时间称为动态过滤脱水时间,用犜犳表示.用α表示过滤转鼓的半锥角,用狏狕,表示滤饼沿过滤转鼓母线方向的移动速度,用犛表示输料螺旋的螺距,用β表示输料螺旋的升角,用φ表示滤饼相对于过滤转鼓的角速度,用Δω表示螺旋与转鼓的相对角速度,那么滤渣与输料螺旋间的相对角速度可表示为Δω-φ.

2015-05-09
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