煤泥离心过滤过程的综合助滤机理研究.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 13 2N o ．6 N o v ．2 0 0 3 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 3 0 6 0 7 0 5 0 4 煤泥离心过滤过程的综合助滤机理研究 张文军，欧泽深，李延锋，高敏 中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要利用实验室小型变频调速离心过滤机进行了煤泥悬浮液脱水试验，研究了连续离t 心动态 过滤过程中的滤饼过滤效应厦其影响截留粒度的因素，同时分析了滤饼离心助滤、动态滤饼及变 驱动力强化助滤的机理和效果．结果表明综合滤饼过滤、动态过滤、变驱动力离。过滤等因素对 改善细粒煤泥过滤脱水效果具有非常积极的意义． 关键词煤泥脱水；过滤；离。过滤机 中图分类号T D9 2 6 ．2文献标识码A 高效细粒煤泥脱水技术是湿法深度选煤的前 提．传统的盘式真空过滤机虽然可以连续作业，但 由于受真空度的限制其产品的水分往往满足不了 用户的要求} 在此基础上发展起来的加压过滤机虽 然产品水分及处理量大幅度改善，滤饼水分可降到 2 0 ％或更低，但是其系统复杂、占据空间大、设备投 资高；在尾煤压滤机基础上发展起来的浮选精煤压 滤机的滤饼水分可以达到加压过滤机同样的水平， 但是由于属于间歇作业，产品的掺配比较困难，影 响产品的均匀性，且单位处理量小．因此新型连续 作业、经济高效、高可靠性的细煤泥脱水技术与装 备的研究，是当前洁净煤技术领域的一个重要研究 和发展方向． 离心力场是简单有效地增大过滤推动力的重 要途径，所产生的过滤推动力远远高于真空、加压 等所能提供的过滤推动力，同时还具有对滤饼层的 自压缩和降低残余饱和度的效应，且系统简单、占 地面积小、效率高．与沉降离心脱水机相比，离心过 滤对所分离的固相和液体之间没有密度差的要求． 离心过滤脱水技术已广泛地应用于末煤的脱水，用 于粗煤泥回收的离心过滤技术近年来也取得了较 大的发展．如澳大利亚L u d o w i c i 公司开发的离心 机处理量大、产品水分达1 5 ％～1 6 ％，固体回收率 可以到7 0 ％～8 0 ％，但在国内目前主要用于原煤 泥的脱水和粗煤泥的回收，且需要较高的入料浓度 固体浓度6 0 ％～7 0 ％ ．而浮选精煤离心过滤脱 水技术尚未见工业化应用的报导． 本研究拟采用实验室小型变频调速螺旋排料 离心过滤机对两种不同粒度组成的煤泥进行常规 浓度 2 0 0g ／L 的脱水实验，探讨煤泥悬浮液离心 过滤过程中的离心强化脱水机理和离心因数对产 品水分及截留粒度的影响． 1 离心强化助滤机理 1 ．1对脱液阶段过滤速度的影响 离心转鼓半径为R ，自由液面半径为r 。时的 离心过滤分离速度为r ” 2 诸1 0 叫∞“一州。 。一聂F i 瓦一‘D I ““一 骘S 鬻1 m ㈤ 2 一仍 p ”⋯ ⋯ R 7 0 h T ’ 式中s 为颗粒的比表面积} c 为离心因数； 为液 体体积分数；‘。I 为液体的密度；h 为半径平均值；u 为转鼓转速} g 为重力加速度；卢为液体动力粘度． 离心力场可以加速颗粒的沉降速度即成饼速 度，也提高了饱和渗流的流体压差“‘2 1 ，提高过滤速 度，改善脱水结果 表1 ，2 ，图1 ；对同样的入料，当 离心因数增加时，滤渣水分逐渐降低．该结果同时 表明，随着离心因数的增加，产品水分降低的幅度 逐渐减小，说明脱液难度随滤渣水分的降低而增 加． 收稿日期2 0 0 3 0 4 2 2 作者筒介张文军 1 9 7 0 一 ，男．陕西省宝鸡市人，中国矿业大学讲师．工学博士，从事重介质选煤、细粒矿物分选及固液分离等方面的研 究 万方数据 7 0 6中国矿业大学学报第3 2 卷 注D s n 为进人滤液与滤饼均为5 0 ％的粒度l D 。为人料悬浮液颗粒的加权甲均粒度． 表2 煤泥悬浮液中的颗粒粒度组成 15 0 T a b l e2S i z ef r a c t i o n o ft h ef e e d i n gs l u r r y 1 3 0 4 0 乏3 0 霪2 0 i1 0 0 图1离心因数畸产品水分的关系 F i g1 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e n t r i f u g a lf a c t o r a n de a k cm o i s t u r e 1 ．2 对滤饼毛细液含量的影响 离心力场中含水多孔体系可眦用毛细管模型 分析．毛细管中的毛细液体上升高度 可以表示为 一一糕r c I ， ㈤ ，n L g 式中∽。为毛细管半径；一为液体的表面张力；a 为 同液接触角， 实验中，将螺旋刮刀和滤网的间隙调到5m m ， 那么在停止加料后，有层非饱和态的滤饼层保留 在过滤转鼓的锥面上．沿着母线方向采样并对样品 进行残余水分分析．根据同转运动的规律，锥形过 滤转鼓沿着母线方向的离心因数是线性增加的，因 此非饱和滤渣的水分含量变化可以说明离心因数 对降低滤渣残余水分的影响规律 图2 ．结果表 明，对非饱和阶段的滤渣脱水过程，提高离心因数 可以降低滤饼层的毛细上升高度，减少毛细液的含 量，降低滤渣残余水分． 通过上述分析，离心强化助滤主要体现在过滤 推动力的增加、提高初期过滤速度及毛细液体脱除 能力加强，降低滤渣残余水分，改善脱水效果． 叁 妻 { 图2 滤饼残余水分沿锥型筛网母线 方向的变化关系 F i g ．2T h ed i f f e r e n c eo fc a k em o i s l u r ea n dc e n t r i f u g a l f a c t o ra l o n gt h eg e n e r a t o ro ft h eb a s k e t 2 连续离心过滤过程的动态滤饼助滤效应 2 ．1 滤饼过滤效应 离心过滤固液分离过程中，滤网的孔隙决定滤 液中带失的固体颗粒的粒度上限，滤饼结构决定滤 渣中滤网限下物的含量和固体综合回收率．不能单 纯为了降低滤液中颗粒粒度的上限而刻意的减小 过滤介质的} L 径，因为过滤介质孔径的减小易于造 成介质的堵塞和过滤介质阻力的大幅度增加；大孔 径筛网又不符合提高固体回收率、降低滤液浓度的 需要． 根据表1 中的试验结果口3 可以发现，该过滤过 程的分割粒度小于过滤网的孔径，也即利用粗孔筛 网可以有效实现细粒截留．对入料粒度组成较细的 A 物料 D 。一0 ．2 0F i l m ，分割粒度0 ．0 4m m 左右， 而对人料粒度组成较粗的B 物料 D a 一0 ，2 6t h i n ， 平均分割粒度0 ．0 6m m ．这表明在连续离心滤饼 过滤过程，滤饼层具有显著的粒度截留功能． 实验还发现，相同人料浓度和离心因数时，D 。。 与入料的粒度组成密切相关，即随着入料平均粒度 组成的增大，D 。。亦相应增大，这主要是因为不同粒 度组成导致滤层孔隙结构所致．因此过滤掺粗虽然 可以使得脱水效果改善，但同时会提高D 。。，对提 高固体回收率、降低滤液浓度不利． 对同一物料过滤脱水时，离心因数对D ；。的影 响不大．也即虽然随着离心因数的增加，微细粒随 液体流失的趋势增加，但同时由于滤饼的径向挤压 趋势亦同时增大，导致滤饼致密、孔隙降低，滤饼的 万方数据 第6 期 张文军等煤泥离心过滤过程的综合助滤机理研究 粒度截圈作用增强． 根据上述结果，综合利用过滤介质截留与滤饼 截留相结合的优势是降低截留粒度、提高滤饼固体 回收率的比较切实可行的途径． 2 ．2 动态滤饼层助滤 动态滤饼离心过滤的概念就是既借助离心过 滤过程突出质量力、实现滤层压缩的特点，同时利 用特定的机械结构，连续性的控制滤饼的结构与脱 水时间，即在过滤过程中既有滤饼的形成与挤压脱 水过程，同时又避免滤饼的过度雎缩和过度增长， 降低滤饼过滤过程的滤饼阻力． 在离心滤饼过滤过程中，渗流阻力与所沉积的 滤饼量成正比．埘半径为r 处，厚度为d r ，高度为 幽的科状滤饼单元，设滤饼的比阻为‰那么该环 状滤饼微元的阻力 尺。 可以表示为 d R 。一2 a ，r r d r d h ． 3 对上式进行积分后可以得到 r rr R 。一| | 2 Ⅱr a , d r d h I Ⅱ坼 r 。一一 d h ， 4 J J』 式中h 为滤网表面的半径． 即随着滤饼的增长，滤饼内表面的半径缩小， 滤饼阻力快速的增加，与增加滤饼厚度来增加挤压 效应作用相矛盾，如果再考虑过滤介质的阻力，那 么过滤过程的综合阻力是二者的叠加．由于过滤的 速率与过滤推动力成正比，与滤饼的阻力成反比． 离心作用在增大过滤驱动力的同时，由于滤饼骨架 所受到的离心力以及液体流经多孔滤渣时的流体 曳力还会对滤饼产生压缩，降低滤饼的孔隙率．在 滤饼受压、密实度提高的同时，过滤比阻q 也相应 的增大．因此在设法增加过滤驱动力同时，还需设 法降低滤饼结构压缩造成的滤饼阻力． 根据渗流规律及滤饼层力学分析的结果，作者 认为在离心过滤过程中o o 1 饱和态渗流脱液阶 段，低压缩、快渗流对加速整个脱液效率具有积极 意义；2 非饱和渗流脱液阶段保持适度压缩，借助 高离心因数脱除毛细液，降低饱和度对降低最终的 产品水分具有积极意义；3 过度压缩应当避免． 离心过滤过程降低滤饼阻力有两种途径1 降低滤饼厚度；2 降低滤饼比阻．降低滤饼厚度可 以通过限制滤饼的过度生长来实现．降低滤饼的比 阻可以通过改变滤饼的微观结构来实现．动态滤饼 离心过滤概念就是改变离心过滤过程的滤饼结构、 降低过滤过程的滤饼阻力． 在二维压缩降低多孔体系孔隙体积的过程中， 多孔体系的孔隙网络可能出现局部盲端o ，即形成 部分端部封闭的孤立含液空隙．在离心力场中，上 述的孤立含液空隙中的液体虽然受到离心力的作 用具有流动的动力，但却没有流动的通路，相当于 局部阻力元限大．如果增加压缩维数、改变孔隙的 网络结构，使得在t ，时刻无法脱液的孤立含液空 隙，由于孔隙网状结构的变化在t 。时刻出现出[ J ， 破坏了阻力无限人状态．如果该过程持续进行，那 么随着过滤过程的进行，孤立含液空隙将最终消 失．动态滤饼过滤是破坏滤饼局部阻力无限大、提 高颗粒床层整体通透性的有效方式． 3 连续变驱动力强化助滤 悬浮液滤饼过滤脱水过程一般要经历饱和脱 液阶段与非饱和脱液阶段．随着脱液过程的进行， 液体分布的状态逐渐发生变化．饱和脱液状态脱除 的主要为自由液体，相对于整个脱液过程来说，该 阶段属于低过滤阻力阶段} 非饱和阶段的初期主要 脱除的为毛细液体，由于毛细现象的存在及孔隙的 压缩，该阶段的脱液阻力持续增大．特定力场中的 毛细液位存在极限值o ] ，降低该极限值的有效途径 是增加离心力场的离心强度；非饱和脱液阶段的后 期主要脱除的为可移动的薄膜吸附液体，可移动薄 膜液层的深度也与所处力场的加速度有关． 因此根据离心过滤过程的脱液对象与难度的 增加，采用渐增的变驱动力脱液，既可提高脱液深 度，也町降低脱液功耗．连续变驱动力过滤可以适 应不同脱液阶段脱液难度的不同，强化脱液过程． 图2 为实验室小型连续离心过滤装置沿母线 方向的离心因数变化规律与相应的滤饼水分的变 化关系，充分体现出借助锥型转鼓实现渐增驱动力 助滤的实际意义． 4 结论 1 连续离心过滤过程，离心因数增加对加速 饱和阶段的脱液速度具有重要的作用，离心力场既 可以有效提高饱和脱液阶段的速率，也可以大幅度 提高非饱和脱液阶段的进程，改善最终脱液效果， 降低残余水分； 2 不同脱液阶段其脱液难度不同，采用变驱 动力过滤，对强化毛细液及薄膜液体的脱除以及降 低最终产品的水分含量都具有积极的作用； 3 动态滤饼过滤改善滤饼的通透性，降低流 体流动阻力、促进毛细液的脱除．而且由于螺旋刮 刀高速旋转所具有的“轴流风机效应”，利用旋风风 干效应强化颗粒表面吸附液体的脱除． 万方数据 7 0 8 中国矿业大学学报第3 2 卷 参考文献 索柯罗夫BN ．离心分离理论及设备[ M ] ．北京机 械工业出版社，1 9 8 6 ． 张文军．高效细分散煤泥悬浮液连续离心过滤脱水 研究[ D ] ．徐州中国矿业大学化工学院。2 0 0 2 ． T i l l e rFM ，W e n f a n gF LO v e r v i e wo fs o l i dl i q u i d s c p a r a t i o ni nc o a ll i q u e f a c t i o np r o c e s s e s 口] ．P o w d e r T e c h ，1 9 8 4 ，4 0 1 6 5 8 0 F l y n nSA ，R u t t e rPR ．F a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e w a t e r i n g o fs m a l l p a r t i c l e s i n p e r f o r a t eb o w l c e n t r i f u g a l sE J ] F i l t r a t i o na n dS e p a r a t i o n ，1 9 8 9 ，2 6 5 3 4 83 5 6 ． T i l l e rFM ，W e hCS ．T h er o l e o fp o r o s i t yi nf i l t r a t i o nX I F i l t r a t i o n ，a n de e n t r i f u g a t i o n [ J ] ． F i l t r a t i o na n dS e p a r a t i o n ．1 9 8 7 ，8 4 【2 1 2 1 1 2 6 [ 6 ] T i l l e rFM ，H s y u n gNB ．H o wd o e sp e r c e n ts o l i d s a f f e c tc e n t r i f u g ec a k e s [ J ] ．C h e mE n gP r o g ，1 9 9 3 ， 8 9 8 2 0 2 9 ． [ 7 3 S t a d a g e rC ，S t a h lW ，H e g n a v e rB ．F i l t e rc a k ed e w a t e r i n gb yl n e a n so fs u p e r i m p o s e dc e n t r i f u g a la n dg a s p r e s s u r ef o r c e s 口] ．A u f b e r e i t u n g sT e c h n i k ，19 9 3 ．3 4 9 4 5 14 5 7 ． [ 8 ] W a k e m a nRJ ．M o d e l i n gs l u r r yd e w a t e r l n ga n dc a k e g r o w t hi nf i l t e r i n gc e n t r i f u g e s [ J ] ．F i l t r a t i o na n d S e p a r a t i o n ，1 9 9 4 ，3 1 1 7 58 1 ． [ 9 3 C a r l e t o nA J ，S a l w a yAGD e w a t e r i n go fc a k e s 口] ． F i l t r a t i o na n dS e p a r a t i o n ，1 9 9 4 ，3 0 1 0 { 6 4 1 6 4 7 ． [ 1 0 3 孙祥言．高等渗流力学[ M ] ．合肥中国科学技术大 学出版社，1 9 9 9 ． S t u d yi n t oM e c h a n i s mo fS t r e n g t h e n i n gC e n t r i f u g a l F i l t e r i n go fC o a lS l i m e Z H A N GW e ni u n ，O UZ es h e n ，L IY a nf e n g ，G A OM i n S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T e s t so fc o a ls l i m ed e w a t e r i n gw e r ec a r r i e do u tw i t hal a b o r a t o r yf i l t e r i n gc e n t r i f u g a ld e v i c e ．T h e f u n c t i o n sO fc a k ef i l t e r i n gi nt h ec e n t r i f u g ea n dt h ef a c t o r sd e t e r m i n i n gt h er e c o v e r i n go fu l t r a f i n ep o w d e r s w e r e s t u d i e d ．T h em e c h a n i s ma n de f f e c to fc e n t r i f u g a lf i l t e r i n g ，d y n a m i cc a k e ，a n dc e n t r i f u g a lf a c t o r g r a d i e n tw e r ea l s oa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s ef a c t o r sa r es i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n gt h ec e n t r i f u g a l d e w a t e r i n go fc o a ls l i m e ． K e yw o r d s s l i m ed e w a t e r i n g ；f i l t e r i n g ；c e n t r i f u g a lf i l t e r 责任编辑李成俊 叫 嘲 嘲 Ⅲ 嘲 万方数据