基于絮体特性的煤泥水混凝过程及调控机制研究

发布时间：2020-07-15 07:50

【摘要】：本文建立了煤泥絮体特征参数动态提取系统,针对煤泥絮体图像处理时存在模糊絮体识别困难的问题,提出了基于絮体“清晰度”自动剔除模糊絮体提取絮体特征参数的方法,开发了煤泥絮体特征参数快速、准确自动提取软件;研究了煤泥水凝聚、絮凝及混凝过程中形成的絮体颗粒微观形态、絮体大小及分布、絮体结构等特征参数的动态变化规律及机理;探索了凝聚剂、絮凝剂、混凝剂种类和用量以及机械搅拌强度对絮体特征参数的影响;推导了基于絮体分形维数动力学调控煤泥水沉降效果的函数表达式并结合试验验证了可行性,提出在煤泥水难沉降的选煤厂二段浓缩前设置基于絮体分形维数的调控系统,为实现难沉降煤泥水高效沉降浓缩提供了可行的解决思路。主要结论如下:(1)煤泥水凝聚过程中絮体颗粒的粒径分布服从幂函数分布,对应的拟合R~2值均大于0.95,幂函数分布参数β是凝聚动力学研究中的颗粒碰撞系数,可以用来表示凝聚过程动力学致因;煤泥水絮凝过程中絮体颗粒的粒度分布服从分形分布和对数正态分布,分形分布参数D_L表征的是絮体颗粒粒度分布复杂(不均匀)程度的参数,D_L数值越小,絮体颗粒粒度分布越窄;煤泥水混凝过程中絮体颗粒的粒度分布整体上服从分形分布和对数正态分布,虽然在搅拌时间0-20 s时拟合效果不好,拟合R~2值存在较小的情况,但是随着搅拌时间的延长,絮体颗粒的粒径分布的拟合效果变好,对应的拟合R~2值均达到0.97以上。(2)煤泥水凝聚过程中形成的絮体颗粒粒径均值随搅拌时间延长的变化规律一致,均是先迅速增大,在搅拌时间为15-30s时达到最大值,而后缓慢减小,直至趋于稳定值;煤泥水的凝聚过程可分为四个阶段:接触阶段、凝聚絮体颗粒快速长大阶段、凝聚絮体破碎阶段及动态平衡阶段;在速度梯度为104s~(-1)时,絮体颗粒粒径均值随着凝聚剂用量的增加而增大,尤其是从凝聚剂浓度0.1 mmol/L增加到0.5 mmol/L时,絮体颗粒粒径增加非常明显;在凝聚剂浓度均为0.5 mmol/L时,絮体颗粒粒径均值随着速度梯度的增大先增大,在速度梯度104s~(-1)时达到最大值,而后逐渐减小,说明速度梯度为104s~(-1)即为该凝聚剂浓度下适宜的速度梯度;添加CaCl_2条件得到絮体颗粒粒径均值比添加NaCl的条件下的大。(3)煤泥水凝聚过程中形成的絮体分形维数随着搅拌时间的延长均是先迅速增大,达到最大值后,絮体分形维数值逐渐减小;在速度梯度为104s~(-1)时,絮体分形维数随凝聚剂浓度的增大先迅速增大,分别在C_(Nacl)=0.7 mmol/L和C_(CaCl_2)=0.5 mmol/L条件下使得煤泥絮体分形维数值取得最大值,而后缓慢减小;在凝聚剂浓度为0.5 mmol/L时,絮体分形维数值均是随着速度梯度的增大先增大,在速度梯度为104s~(-1)时达到最大值,而后逐渐减小,说明速度梯度104s~(-1)即为该凝聚剂浓度下,最佳的速度梯度,使得煤泥絮体分形维数达到最大值;添加CaCl_2得到的絮体分形维数比添加NaCl对应的絮体分形维数大,但是其对应的凝聚过程需要更长搅拌时间,以促使凝聚絮体颗粒结构达到最密实的状态。(4)煤泥水絮凝过程中形成的絮体颗粒粒径均值随着搅拌时间的延长在高絮凝剂用量或低速度梯度条件下,均是先迅速增大而后缓慢减小直至趋于稳定状态,在其他条件絮体颗粒粒径均值随搅拌时间的延长,均是先迅速增大而后逐渐减小,直至趋于稳定状态;煤泥水的絮凝过程可以分为两种类型:a)接触阶段、絮凝絮体颗粒快速长大阶段及絮凝絮体动态平衡阶段;b)接触阶段、絮凝絮体颗粒快速长大阶段、絮凝絮体破碎阶段及絮凝絮体动态平衡阶段。(5)煤泥水絮凝过程中形成的絮体分形维数值随着搅拌时间的延长,先减小而后趋于波动平衡状态,且随着絮凝剂用量的增大而增大,说明絮凝剂用量越大,形成的絮体结构越密实;在低絮凝剂用量1mg/L和2mg/L时,煤泥絮体分形维数值随着速度梯度的增大而减小,在高絮凝剂用量3mg/L和4mg/L时,煤泥絮体分形维数值分别在速度梯度为104s~(-1)和139 s~(-1)取得最小值,对应的絮体结构疏松,在速度梯度为178 s~(-1)条件下形成的絮体分形维数最大,对应的絮体结构密实。(6)煤泥水混凝过程中形成的絮体颗粒粒径均值随着搅拌时间的延长,先迅速增大,而后趋于稳定,煤泥水混凝过程可分为三个阶段:接触阶段、絮体颗粒快速长大阶段和絮体颗粒动态平衡阶段;当C_(NaCl)在0～0.7 mmol/L时,煤泥絮体颗粒粒径均值随着凝聚剂浓度的增大迅速减小;当C_(NaCl)0.7mmol/L时,煤泥絮体颗粒粒径均值随着凝聚剂浓度的继续增大减小缓慢直至趋于稳定,可知C_(NaCl) =0.7 mmol/L即为最佳的凝聚剂浓度。与此类似,C-(CaCl_2) =0.5mmol/L为最佳的凝聚剂浓度。(7)煤泥水混凝过程中形成的絮体分形维数随着搅拌时间的延长,先迅速增大,达到最大值后缓慢减小直至趋于稳定;当C_(NaCl)在0～0.7 mmol/L时,煤泥絮体分形维数值随着C_(NaCl)的增大迅速增大,当C_(NaCl)0.7mmol/L后,随着C_(NaCl)继续增大,煤泥絮体分形维数先减小而后基本趋于稳定,可知C_(NaCl)=0.7 mmol/L即为最佳凝聚剂用量使得絮体分形维数达到最大值。与此类似,C_(CaCl_2)=0.5 mmol/L为最佳的凝聚剂用量使得煤泥絮体分形维数达到最大值。(8)煤泥絮体的密度、孔隙率、沉降速度、絮体强度等均可用分形维数的函数表征,通过量纲和谐原理分析推导了基于分形维数评价指标与动力学控制指标的函数表达式:D_f=K·f_4(GT,Fr),并通过试验验证了基于分形维数动力学调控煤泥水沉降效果的可行性。(9)煤泥水絮凝过程最适宜的能耗分配方案为:G_1T_1=5340;G_2T_2=920;煤泥水絮凝过程中快速搅拌和慢速搅拌适宜的剪切强度控制范围为:F_(r1)=1.96～17.26,F_(r2)=0.77-1.99;煤泥水絮凝过程中两阶段分形维数的最佳控制范围为:快速搅拌阶段D_(f1)=1.952-2.107,慢速搅拌阶段D_(f2)=1.896-1.918;煤泥水混凝过程最适宜的能耗分配方案为:G_1T_1=1390;G_2T_2=3560,G_3T_3=1780;混凝过程中凝聚搅拌、絮凝快速搅拌和慢速搅拌适宜的剪切强度控制范围为:F-(r1)=3.93-7.02,F_(r2)=5.75-11.51,F-(r3)=0.77-2.88;混凝过程中三个阶段絮体分形维数的最佳控制范围为:凝聚搅拌阶段D_(f1) = 1.5 69-1.717,絮凝快速搅拌阶段D_(f2) = 1.7 61-1.8 86,絮凝慢速搅拌阶段D_(f3)=1.947-2.105。(10)在煤泥难沉降选煤厂,可以建立基于絮体分形维数动力学调控系统,通过控制能耗输入GT和剪切强度Fr等指标实现对絮体的分形维数调控,使得到的絮体颗粒具有一定的密度和强度,从而保证絮体的沉降性能,为后续沉降浓缩和脱水创造良好条件。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD94
【图文】：

单段,回收流程

溢流作循环水返回分选系统循环使用，底流全部用压滤机或过滤机回收煤泥的处理工艺（图1.1），而许多大中型选煤厂，往往由于入洗原煤性质不稳定或分选设备运行稳定性差等原因，导致煤泥水沉降效果较差，普遍采用二段浓缩、二段回收的处理工艺（图1.2）。图 1.1 单段浓缩、单段回收流程Fig.1.1 Single-stage enrichmentsingle-stagerecovery process图 1.2 两段浓缩、两段回收流程Fig.1.2 Two enrichmenttwo recoveryprocesses

回收流程,单段,沉降效果,煤泥水

导致煤泥水沉降效果较差，普遍采用二段浓缩、二段回收的处理工艺（图1.2）。图 1.1 单段浓缩、单段回收流程Fig.1.1 Single-stage enrichmentsingle-stagerecovery process图 1.2 两段浓缩、两段回收流程Fig.1.2 Two enrichmenttwo recoveryprocesses

煤泥沉降,因素,效果,煤泥水

机的正常运行。为实现清水洗煤，尾煤浓缩机溢流浓度小于 0.5 g/L；为保证压滤脱水设备性能和处理量，浓缩机底流浓度要求 300-400 g/L，因此煤泥水沉降效果通常用浓缩机溢流浓度和底流浓度进行评价，而在实验室烧杯试验中，煤泥水沉降效果通常采用上清液浊度、浑液面沉降速度以及沉降后压实层厚度来定量表征。无论是生产实际还是实验室条件下选取的评价指标都是煤泥水沉降效果间接反映，而煤泥水沉降过程中形成絮体的特性是沉降效果的直接反映，是联系沉降浓缩过程和后续脱水的关键。絮体的大小和密度决定了其在沉降过程的沉降速度；絮体的强度决定了其在紊动水流中抵抗破坏的能力以及后续压滤脱水性能。因此，从微观方面研究煤泥水沉降过程中絮体特性的动态变化规律，探索影响煤泥水沉降的各因素对絮体性能的影响，并在此基础上基于絮体分形维数调控煤泥水沉降过程中理想絮体的形成，对于实现煤泥水混凝目的及洗水闭路循环具有重要意义。1.2 影响煤泥水混凝效果的因素影响煤泥水的沉降效果的因素众多，如图 1.3 所示。

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