选煤系统的耗散结构特征.pdf

收稿日期2 0 0 4 1 1 0 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 1 7 4 0 5 3 ;国家杰出青年科学基金项目 5 0 4 2 5 4 1 4 作者简介张明青 1 9 7 5 - ,女,山西省阳泉市人,博士研究生,从事工业水处理方面的研究. E - ma i l z mq c u mt 1 6 3 . c o mT e l 0 5 1 6 - 3 9 9 5 9 7 6 第3 4卷 第6期中国矿业大学学报 Vo l . 3 4 No . 6 2 0 0 5年1 1月J o u r n a l o f C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n g 2 .中国矿业大学 化工学院,江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要选煤厂煤泥水系统从广义上包括了选煤系统的全部工艺过程,因此对选煤系统的研究可 以集中在对煤泥水系统研究上.分析了选煤厂煤泥水系统的微观结构,提出了影响煤泥水沉降效 果的3种因素煤质因素、水质因素和环境因素.动力学方程分析结果表明煤泥水系统具有显明 的耗散结构特征,所以构建了煤泥水系统的熵流模型,并对模型进行了举例说明.该模型的建立 可以为煤泥水系统和选煤系统的宏观控制提供依据. 关键词选煤系统;煤泥水系统;动力学方程;耗散结构;熵流模型 中图分类号T D9 4文献标识码A D i s s i p a t i o nS t r u c t u r eC h a r a c t e r i s t i c s o f C o a l P r o c e s s i n gS y s t e m Z HANGMi n g - q i n g 1,L I U J i o n g - t i a n2,HANB a o - p i n g1, Z HANGMi n 2,WANGYo n g - t i a n2 1 .S c h o o l o f E n v i r o n me n t S c i e n c ea n dS p a t i a l I n f o r ma t i c s , C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n g 2 .S c h o o l o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y , C h i n aUn i v e r s i t yo f Mi n i n gs l u r r ys y s t e m;d y n a mi ce q u a t i o n ;d i s s i p a t i o n s t r u c t u r e ; e n t r o p ymo d e l 选煤厂煤泥水系统在广义上包括从入厂原煤 至得出不同含泥产品的全部工艺过程[ 1 ].煤泥水基 本上涉足了选煤过程的各个环节,煤泥水系统的特 征基本反应了选煤系统的特征,因此本文将对选煤 大系统的研究转换为对煤泥水系统的研究.选煤厂 属于大耗水单位,煤泥水必须循环使用,煤泥水处 理效果同选煤厂技术经济指标和环境保护有着密 切的联系,因此有必要通过建立模型来实现对煤泥 水处理过程的宏观控制,同时也可以实现对整个选 煤系统的宏观控制,从而避免因系统中各因素不协 调造成的损失,如煤泥水浓度过高,不得不外排,浪 费了水资源和煤炭资源,同时还影响了精煤质量. 1 选煤系统 1 . 1 选煤系统结构分析 由于原煤中含有大量的矿物质,因此原煤洗选 过程不仅仅是简单的固-液分离、固-液回收过程, 其中还涉及一些化学反应、界面化学和胶体化学过 程.其微观作用过程如图1所示. 图1选煤系统微观作用及结构分析 F i g . 1 T h es t r u c t u r ea n dmi c r o c o s mi ca c t i o no f c o a l p r o c e s s i n g 从外界输入煤泥水系统的物质包括原煤[ 2 - 3 ]、 补加水和各种药剂.原煤中除有机质煤外,还有硫 化矿物、 C a 2 , Mg2 , K, Na各种盐类矿物和粘土 矿物等.选煤厂补加水主要来自矿井水或地表水, 其中的离子为常规离子组成.投入药剂包括浮选药 剂和煤泥水处理药剂.这些外部投入量的控制主要 根据选煤产品的各种指标反馈来调整.能量输入主 要是机械能和太阳能,输入系统的能量通过影响矿 物溶解和微细颗粒碰撞来影响煤泥水的沉降效果. 在煤泥水系统内部,存在盐类矿物溶解结晶、无机 硫的氧化还原、粘土矿物的吸附解吸等过程.这些 过程同水体矿化度和p H值相互平衡,最终决定了 煤泥水中微细颗粒的沉降效果.功能上实现了各种 粒级产品和清水的分离. 1 . 2 影响煤泥水沉降的因素 影响煤泥水沉降的因素很多,基本上可以概况 为水质因素、煤质因素和环境因素. 煤泥水中难于沉降的微细颗粒中有时高达 8 0 以上是粘土颗粒,这些颗粒在水中带负电荷, 因此补加水的矿化度在一定程度上决定了煤泥水 的沉降特性.但矿化度也不是越高越好,过高的矿 化度可以影响煤泥的浮选效果[ 3 ].煤泥沉降和浮选 效果之间的相互平衡也是控制煤泥水矿化度的目 标之一. 原煤中的软岩夹矸,以及开采过程夹带在煤中 的顶、底板矸石在水中容易泥化,形成微米级粘土 矿物细颗粒.这些微细颗粒本身不易沉降,成为煤 泥水中悬浮固体的主要组成部分,同时还大量吸附 水中的阳离子,恶化了水质条件,增强了后续微细 颗粒的聚沉稳定性.煤中无机硫的氧化还原影响了 水体的p H值[ 4 ],水体的p H值又决定了粘土颗粒 在水中的粘合方式,最终影响了粘土颗粒在水中的 沉降效果.煤本身的进化程度对水质产生的影响也 是不一样的,进化程度越低,煤表面的活性基团越 多,对煤泥水水质影响也越明显,反之则越弱.自然 环境如环境温度等对煤泥水中微细颗粒的沉降过 程还没有定量研究.但环境温度对矿物溶解有一定 的影响,环境温度可以影响水体温度,水体温度高, 煤泥水中微细颗粒热运动加强,颗粒之间碰撞几率 提高,煤泥水凝聚效果加强.同时我们可以把人为 投入系统的水处理药剂和浮选药剂等包括在环境 因素中,这样有利于我们的分类讨论.浮选药剂改 变颗粒表面性质,水处理药剂主要为絮凝剂改变 微细颗粒的聚集形态. 煤泥水系统沉降效果是胶体颗粒和煤泥水溶 液化学相互作用的结果.系统沉降效果可以用浓缩 机溢流中固体颗粒含量来表征.煤质因素主要是可 泥化矸石的含量.煤中无机硫含量和盐类矿物含量 主要影响煤泥水水质.有机质煤的进化程度也影响 煤泥水中颗粒沉降,但这种影响可以折算成一个当 量.水体是承载所有作用的场所,水质因素可用水 体电导率, p H值和硬度来表示.环境因素,主要是 温度对煤泥水中的各种过程产生激励或抑制效应. 3个因素对煤泥水系统沉降的影响可归纳成图2 所示. 3种因素之间相互协调、相互影响,形成了具 有特定功能、宏观有序的煤泥水处理系统.沉降过 程和浮选过程为两个相反的过程[ 3 - 6 ],沉降效果不 好,会使精煤灰分升高,但沉降效果太好,也即水体 637 中国矿业大学学报第3 4卷 矿化度过高,会对浮选过程产生抑制作用.在同时 保证浮选效果和沉降效果的前提下这3种要素之 间存在一个最佳匹配状态,煤泥水的宏观调控就是 为了实现这种最佳状态.最佳匹配的结果可以表示 为 yo p tf Io p t, Eo p t, Wo p t , 1 式中 y o p t为溢流中最佳的浓度固体浓度; Io p t为最 佳的输入煤质水平; E o p t为最佳的环境条件; Wo p t为 最佳的水质水平. 图2煤泥水系统3个影响因素相互关系 F i g . 2 T h er e l a t i o n s h i pa mo n gt h r e e f a c t o r s i ns l u r r ys y s t e m 2 煤泥水系统的耗散结构 2 . 1 耗散结构的形成条件 P r i g o g i n e把那种在开放和远离平衡的条件 下[ 7 ],在与外界环境交换物质和能量的过程中通过 能量耗散过程和内部的非线性动力学机制来形成 和维持的宏观时空有序结构称为耗散结构.形成耗 散结构所必须具备的条件为 1 体系为远离平衡态的开放体系.开放体系 是指体系与外界之间存在物质和能量的交换.外界 不断的物质和能量的输入所形成的负熵流是系统 维持时间、结构或功能上有序的必要条件.非平衡 态存在线性区和非线性区,形成耗散结构的系统必 须处于非平衡态非线性区. 2 体系开放的外界输入达到一定阀值.体系 出现耗散结构的条件当然不是有外界输入输出即 可,当这种输入达到一定阀值,体系才可能向耗散 结构转化,但是这个阀值是可以通过试探性尝试找 到的,因此具有操作性. 3 内部存在非线性相互关系.当系统处于远 离平衡态时,非线性项的作用十分明显,一个非平 衡约束就对应多重定态解,有的定态解稳定,有的 定态解不稳定.在不稳定分支附近的扰动时间增 长,会演变到一个稳定的分支上. 4 涨落导致有序.在非线性系统中,当非平衡 约束使得系统远离平衡态进入非线性区时,热力学 分支由稳定转变为不稳定,系统会演化到一个稳定 的耗散结构分支上.当存在两个稳定耗散结构分支 时,系统究竟选择哪一个分支又如何进入这一分支 是由涨落来完成的,即涨落导致有序. 2 . 2 选煤系统的耗散结构特征 从动力学观点来看,系统3要素与溢流浓度之 间存在如图3所示关系. 图3 3要素与煤泥水溢流浓度之间关系 F i g . 3 R e l a t i o n s h i pb e t we e nt h r e ef a c t o r s a n dc o n c e n t r a t i o no f o v e r f a l l 图3中y为状态变量,用浓缩机溢流浓度来表 示, W, E , I为状态参量,分别代表水质因素、环境 因素和煤质因素.根据文献[ 8 - 9 ] , 3因素系统的动 力学方程为 d y d t k2Wk4Ek6I - k1k3k5 y , 2 λ k1k3k5 k2Wk4Ek6I , 3 λ0 k1 k2W0, 4 式中 k i为转化速率常数 i 1 , 2 , , 6 ; λ为控制 参数; λ 0为系统平衡态的控制参量. λ偏离λ0越大, 系统距离平衡态越远,因此可用λ的数值来表示系 统偏离平衡态的程度.对式 2 进行积分运算得 y 1 λ0 k2ak4bk6c k1k2k3 2[ e - k 1k3k5 t k 1 k3k5 t-1 ] 1 λ0 1 λ 1 e - k 1k3k5 t -1 k1k3k5[] t, 5 式中 a , b , c为W, E , I的变化率.当k 1k3k50时要大, 且变化方 向取决于系统处于k 2ak4bk6c . 非平衡态的线性区时,煤泥水中微细颗粒基本 不沉,溢流浓度大大超过理想值.这时λ接近λ 0, 当 有扰动产生,系统会自发产生某过程而使系统恢复 到与外界条件相适应的定态,但不会形成宏观有序 的现象,也即溢流浓度不会明显降低.但当系统远 离平衡态,即处于非线性非平衡区时,控制参数 λ 超过某临界值λ c时, 系统的非平衡态可能失稳,这 时任何微小的扰动都会使系统越来越远离原来的 状态而发展到某种新的状态,宏观上表现为微细颗 粒“集体“快速沉降,溢流浓度大幅度降低. W, E , I 定量后, λ c可以通过实验手段和数学手段来确定. 由以上分析可知,有W, E , I这3因素控制的 煤泥水系统具有明显的耗散结构特征. 737 第6期张明青等选煤系统的耗散结构特征 3 煤泥水系统的熵流模型 根据耗散结构理论,一个开放系统的熵变 d s 存在如下关系 d s d esdis . 其中 d s越负, 系统越 有序; d es为输入和输出系统熵的代数和, dis为系 统自身的熵产生,衡为正值.只有输入系统的负熵 超过系统产生的正熵,有序度才能维持并有希望相 更加有序的方向发展. 煤质因素中粘土矿物和有机质煤的输入为正 熵流,而各种盐类矿物的输入为负熵流,能量输入 也为负熵流,各因素和溢流浓度之间的相互关系明 显是非线性.输入系统的总的负熵流越大,系统呈 现宏观有序状态就越容易. 根据上述分析,参照文献[ 8 ]的研究结果,煤泥 水系统的熵流模型可表示如下[ 8 - 9 ] SΣ 3 i 1ω isi - 1 n| E t -E 0 | E 0 ω1 - 1 n| W t -W 0 | W t ω2 - 1 n| I 0 -I t | I 0 ω3, 6 式中 ω i为3种熵流的权重; si为3因素产生的熵 流; -1 n为符号函数; E 0 , W 0 , I 0 为环境、 水质和原煤煤质投入的初始状态; E t , W t , I t 为某一时刻输入系统各因素取值. 表1为某设计能力为2 0 0万t选煤厂的系统 值,煤泥量为入洗原煤的1 5 ,设计时没有考虑细 泥循环集聚,生产中由于煤泥水浓度限制,实际洗 煤量小于设计值,调试后洗水浓度降低,洗煤量相 应升高.同一系统在同一时间的环境温度是相对稳 定的,但在不同的季节变化较大,对煤泥水处理效 果影响也较大,为了验证该熵变模型,选择调试前 为夏季平均水温,调试后为冬季平均水温,如果两 个测试点温度相差不大,在式 5 中环境因子相接 近0 ,对系统影响不大;煤质因素中各种指标的相 对含量在原煤煤质相近时变化不大,但由于水质的 好坏影响到入洗原煤量的变化,这就导致各种因素 绝对含量的变化,从而引起系统的变化,因此调试 前后是有差别的;式 5 中初始状态值取我们以往 实验研究和现场经验中得出的数值,如电导率为 1 . 8mm/ c m以上、 补加水硬度在5 0德国度以上的 的煤泥水沉降容易, p H在7 . 0以下细颗粒之间不 容易形成“静电桥“凝聚,煤质因素的初始状态为该 选煤厂设计时的标准值. E t , W t , I t 分别为系统调试前后两个单 位时间点的系统值,通过大量生产数据的校正,最 终确定该系统的各个权重值如下表所示. 计算结果如表1所示,系统调试前的熵流为 0 . 0 9 88 9 ,调试后的熵流为-0 . 0 3 10 9 ,调试前流 入系统的总熵流为正,表示煤泥水系统不会形成宏 观有序的状态,也即浓缩机溢流不会出清水,调试 后的系统流入熵为负值,表示系统可能会呈现宏观 有序的状态,这同实际情况是一致的,说明所取的 ω值较为合理. 对于同一个系统,我们可根据历史 资料反复调整ω至最优.通过对历史资料验证,结 合实际的生产状况,可以得出该系统的临界S值, 也即当超过临界值时系统可能失稳.当然,考虑到 煤泥水沉降和浮选是反向的, S值也不是越负越 好,生产过程中也可以求证变量S的这个临界值. 实际生产中可以利用此公式来预测系统的运行状 况,从而调整各因素的配比,实现对选煤系统的宏 观控制. 表1某选煤厂煤泥水系统熵流计算示例 T a b l e1 E n t r o p yc a l c u l a t i o nr e s u l t s o fs l u r r ys y s t e m i nc o a l p r e p a r a t i o n 因子、权重 环境因素0 . 0 5 温度/ ℃ 0 . 0 5 水质因素0 . 3 电导率/ mmc m-1 p H值 初加水硬度/ D H 0 . 10 . 0 50 . 1 5 煤质因素0 . 6 5 小时入量, t 无机硫 含量 黏土矿 物含量 盐类矿 物含量* 煤泥量 0 . 0 50 . 1 50 . 0 50 . 4 S值 调试前 2 51 . 27 . 980 . 6 51 32 . 66 50 . 0 9 88 9 调试后 52 . 36 . 42 70 . 8 21 4 . 7 63 . 2 88 2-0 . 0 3 10 9 理想值 1 51 . 8以上7 . 05 0以上0 . 7 11 3 . 4 82 . 8 47 1 * 主要为钙盐类物质. 4 结论 1 煤泥水基本涉足了选煤系统的所有过程, 因此对选煤系统的研究可以集中在对煤泥水性质 的研究上.选煤系统不仅包括简单的固-液分离和 固-液回收过程,在煤泥水中还存在大量的溶液化 学和表面化学过程,这些作用过程在一定程度上决 定了煤泥水的沉降和浮选效果. 2 煤泥水中微观作用分析表明,煤泥水系统 影响因素可分为煤质因素、水质因素和环境因素. 3 837 中国矿业大学学报第3 4卷 因素之间相互影响,相互协调,最终表现为对煤泥 水沉降和浮选效果的影响. 3 3因素动力学方程分析表明煤泥水系统满 足形成耗散结构所必须的4个条件.控制参数存在 临界值,当超过,系统失稳突变,形成了结构和功能 上宏观有序的系统.因此煤泥水系统、选煤系统是 耗散结构系统. 4 在此基础上构建了煤泥水系统的熵流模 型.以某选煤厂运行数据为例,把系统设计值和经 验值作为各变量的初始值,系统调试前后某两个时 间点运行数据为各变量取值,用熵流模型算得系统 调 试 前 熵 流 为 0 .0 9 88 9 ,调 试 后 的 熵 流 为 -0 . 0 3 10 9 ,正熵流表示系统宏观“无序“ ,煤泥水 中微细颗粒基本不沉,负熵流表示系统会出现宏观 有序的状态,即煤泥水中颗粒集体下沉,实现了清 水洗煤的功能.这同实际运行状况是一致的,因此 该模型也可作为选煤系统宏观控制的依据,但参数 的精确化还需进一步校正. 参考文献 [ 1 ] 郝凤印,李文林.选煤手册[ M] .哈尔滨哈尔滨工业 出版社, 1 9 9 3 . 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