重力沉降原理三、四

三、重力沉降原理（一）自然沉降过程的基本概念1、水力分级分级：classification泛指：将物料分成若干粒级的作业。专指：在介质（水或空气）中，物料依其沉降末速的差别分成若干粒级的作业。水力分级：hydraulicclassification沉降末速：在介质中运动的颗粒，当重力（或离心力）与介质阻力相等时，它与介质之间的相对速度。2、浓缩thickening借重力（离心力）作用提高煤泥水浓度的作业。3、澄清clarification

从煤泥水中排除固体，以获得固体含量很少的水的作业。（二）重力沉降工作原理1、颗粒沉降计算式（1）自由沉降（freefalling）:

单个颗粒在无限空间介质中的沉降。即单个颗粒在介质中沉降时，只受到介质阻力而不受机械阻力的作用。（2）干扰沉降：颗粒在有限空间介质中的沉降。颗粒受力：介质阻力、机械阻力机械阻力：颗粒与周围其它颗粒之间或颗粒与器壁之间的摩擦。—颗粒在煤泥水中的干扰沉降速度，cm/s

—煤泥水的固体容积浓度(以小数表示)

n一实验指数，一般取n＝5—6；2、自然沉降的计算t1=t2A以1m2代入

分级粒度的干扰沉降末速在数值上代表满足分级要求的最大单位负荷，设备超过这个负荷，分级粒度就要变粗

分析：（1）当分级粒度不变时：AwW所需的A（2）面积不变要求分级粒度越粗WW越大，分级粒度变粗（3）W不变A越大，分级粒度变细要求分分级粒度越粗，所需的面积越小。3、沉降面积计算（1）根据分级粒度的干扰沉降末速，确定最大单位负荷（2）根据处理量确定沉降面积K—不均衡系数（煤泥水系统通常取1.25）

沉淀设备单位面积负荷

(m3/(m2·h)斗子捞坑、角锥沉淀池倾斜板沉淀池煤泥捞坑沉淀塔浓缩机15~2050~7013~155~82.0~3.5四、强化煤泥沉降的技术（一）倾斜板设备原理（二）水力旋流器（三）煤泥水絮凝1、倾斜板沉淀原理根据自然沉降的计算原则：H在获得同样分级粒度的条件下可以减少沉淀面积或加大处理能力（一）倾斜板设备①沉淀面积直立A试管断面积圆

斜置B椭圆B＞A②沉淀高度直立：H斜置:颗粒最大的沉降距离HiHi＜H工作参数结构参数流体参数③流体力学分析：

降低雷诺数，液体处于层流状态，有利于细颗粒沉降。工艺特点：Ⅰ有限的空间里增加了沉淀面积Ⅱ缩短了颗粒沉降距离Ⅲ创造了层流沉淀条件2、倾斜板装置的分类（1）上向流倾斜板

煤泥水从下部给入，沉淀的煤泥从下部排出，溢流从上部排走液流运动方向与沉物运动方向相反，故液流对已沉积在板表面上的物料有干扰作用

粗颗粒先沉到板的下部，不易下滑的细颗粒沉在板的上部，这些细颗粒沉淀物易被上升流带走（2）下向流倾斜板煤泥水从上部给入，沉物由下部排出，溢流由下部排出。

入料及沉物运动方向相同，对沉淀有利细颗粒沉在板的下部，粗颗粒沉在上部，对沉物排放有利

沉物和溢流很好地分开比较困难

（3）横向流倾斜板入料是一侧给入，沉物由下部排出，另一侧出溢流。

液流方向与沉淀物排出方向有一定夹角，液流对沉淀物的干扰作用较小。

产物的排除出也易于实现

3、倾斜板计算倾斜板型式计算式备注上向流有自由水面下向流有自由水面横向流无自由水面4、结构参数和板材（1）结构参数A、板间距离AeRe＞10cmB、倾角Ae为保证煤泥能下滑＞60°（2）板材倾斜板平整光滑，质量轻，耐腐蚀（二）水力旋流器1、结构工作原理1—给料管；2—圆筒部分；3—圆锥部分；4—底流口；5—中心溢流管；6—溢流排出口

离心强度：物料所受的离心力与重力的比值。大大强化水力分级的或浓缩作用。D—旋流器直径煤泥与液体参数结构参数操作参数2、理论分级粒度分析①②WVa③DVa④锥角径向平均流速u溢流管下缘至锥壁距离溢流管下缘至锥壁的圆柱界面面积要求分级细的旋流器采用小锥角（θ=10-15°）分级粗或浓缩用的旋流器采用大锥角（θ=20-45°）底流口直径⑤溢流量径向平均流速u（同时底流浓度）⑥溢流口直径u⑦溢流管高度筒体高度筒体与锥体交界处，空间突然缩小，流体紊流程度增加，影响分级效果。3、旋流器的使用（1）当用于分级作业时①底流应呈伞状喷出，使空气从旋流器底流口吸入，保持空气柱稳定。②当底流呈绳索状排出，应加大底流口直径。1—伞状；2—绳状（底流口很小）；3—大锥角伞状（底流口很大）③旋流器底流口不宜与管道直接相连。（2）入料浓度小于30%。（3）大型水力旋流器可倾斜布置。4、处理量计算——经验公式W—水力旋流器处理能力（L/min）;D—水力旋流器的直径（cm）；dy—水力旋流器溢流管直径（cm）；g—重力加速度（m/s2）；H—入料口压强（kgf/cm2）；k—系数，与入料管直径和旋流器直径的比值有关；（三）煤泥水絮凝在煤泥水的多相分散体系中，微细颗粒的存在对其沉降和过滤特性起着决定性的作用，借助于化学手段使微细颗粒聚集成较大颗粒絮团，成为改善煤泥水沉降及固液分离效果的有效途径。1、基本概念（1）凝聚：细粒物料在无机电解质作用下，失去稳定性，形成凝块的现象。主要机理是外加电解质消除其表面电荷、压缩双电层的结果。（2）絮凝：细粒物料通过高分子絮凝剂的作用，构成松散、多孔、具有三维空间结构的絮状体。

2、絮凝机理絮凝原理是和絮凝剂的结构相关联。絮凝剂通常是有机高分子化合物，它有两部分构成：高分子骨架，活性基团。活性基团与颗粒表面通过各种键合作用，使得颗粒与絮凝剂结合。高分子骨架起到一种架桥作用，把粘结颗粒的絮凝剂分子联系在一起，形成絮团。分子大小与絮团结构及大小密切关系，因此，絮凝剂分子量对絮凝效果影响很大。3、影响絮凝效果的因素（1）煤泥水的pH值聚丙烯酰胺能在很宽的pH（3～11）值范围内使用，我国多数选煤厂生产用水属中性水，少数厂呈酸性或碱性。试验条件：煤泥水浓度40g/L；阴离子型聚丙烯酰胺，分子量1000万，用量为4g/m³（2）煤泥水的硬度增加煤泥水中的钙、镁离子数量，提高水质硬度，可大大强化凝聚－絮凝协同效应。

添加凝聚剂，其溶解并电离的金属正离子可降低微细颗粒表面的电动电位，促使它们在分子作用力下，形成小凝块。这些小凝块质量小，沉降速度慢，又需要絮凝剂线状分子的桥架作用，形成质量大的絮团，加速其沉降。水质硬度对澄清水浓度的影响絮凝剂用量相同的条件下，随着水质硬度提高，澄清水浓度急剧下降。根据生产实践证明，以钙、镁离子类无机凝聚剂为主，高分子絮凝剂为辅的联合添加方式有以下优点：1）节省药剂费用。聚丙烯酰胺一般在1.5万元/吨左右。而钙、镁无机凝聚剂每吨单价仅几百元。据测算两者联合添加的费用约为0.10元/吨原料煤，而单独添加聚丙烯酰胺的费用约为0.15元/吨。2）实现洗水闭路循环的选煤厂，如果在循环水中的残留聚丙烯酰胺过多积聚的话还可能产生以下情况：a.煤粒表面粘附的絮凝剂分子达到过饱和状态，絮凝沉降效果急剧变坏。b.煤泥在浮选机中无选择性絮凝，致使精煤灰分增高。c.絮团发粘，若沉淀在斜管浓缩机的斜管上，因粘附不下滑，恶化工作效果。若粘附在浓缩机底流管道中，会产生堵塞现象。d.絮团亲水性增加，影响后续脱水回收作业的工作效果。（3）固体成分：与泥化程度和表面电性有关絮凝剂分子在煤及各种矿物表面的吸附能力不同吸附在煤表面的聚丙烯酰胺较多。灰分低的尾煤消耗的聚丙烯酰胺较多。（4）煤泥粒度粒度小，絮凝剂用量大。在同样的煤泥水浓度和絮凝剂添加量的条件下，粒度组成粗的絮凝沉降效果要比粒度组成细的好得多。（5）煤泥水的浓度浓度升高，絮凝剂的用量增加，沉降效果变差。当煤泥水浓度过高时，甚至添加很多的絮凝剂也无济于事，其原因有二：一是絮凝剂分子链无法在高浓度煤泥水中充分伸展。二是即使有絮团产生，在极其严重的干扰沉降的条件下，固体颗粒和絮团的沉降速度相当缓慢。实现良好的絮凝澄清的先决条件是所沉降的煤泥能够及时回收，细泥不在煤泥水系统中循环积聚。（6）絮凝剂1）分子量※线性高分子的碳氢链越长对有相当距离的微粒也能形成架桥作用。※选煤厂采用的聚丙烯酰胺的分子量最好在600～1000万之间。尤其是煤泥水浓度低时，更是如此。※

如果分子量过大，则其水溶性降低，并且形成的絮团可能过于蓬松，含水量大，影响后续的脱水回收作业。2）水解度不同水解度的阴离子型聚丙烯酰胺，由于其分子链上羧基（COO－）数量不同，导致电荷排斥力不等，使得线性分子伸展程度不同。水解度为零的非离子型聚丙烯酰胺的官能团（酰胺基）为－CONH2，但同时它又带有少量的－CONH3＋，使它成为弱阳离子型，分子链节中的正电荷有较弱的排斥力，使其有所伸展。水解度为10％左右的聚丙烯酰胺，其分子链中－COO－与－CONH3＋正负电荷相当，相互吸引，使分子链卷曲收缩，导致絮凝能力大大降低。水解度达到33％左右时，溶液中－COO－负电排斥远超过－CONH3＋的吸引，使分子链达到相当伸展，此时具有良好的絮凝能力。水解度继续增大，羧基达到67％时，由于负电排斥使分子链基本完全伸展，按理讲其效果应该更好，但是由于线性分子带负电过多，跟煤泥水中带负电的颗粒相互排斥，效果反而变坏。（3）絮凝剂用量絮凝剂用量适当时，高分子吸附在颗粒表面，通过架桥作用，促进絮团形成。而过量时，颗粒表面吸附太多的絮凝剂分子后，没有空余表面，达到过饱和状态，不再吸附其他絮凝剂分子，不但不起架桥作用，反而相互排斥促进了分散。

（7）絮凝剂水溶液与煤泥水的混合

理想的情况是煤泥水进入澄清浓缩设备之前不但与絮凝剂进行充分混合，而且能形成大量絮团，这样才能充分发挥设备的潜力。①适当延长水溶液添加点到浓缩机的距离；②根据具体情况尽可能多设添加点；③减小入料溜槽（或入料管）的坡度，并相应增大其过水断面，延长混合时间。

在许可的条件下，在入料溜槽底部逆水流方向垂直焊接若干块交错排列的带筛孔的隔板，使其产生涡流，达到充分混合的目的。4、聚丙烯酰胺水溶液的配制和贮存（1）配制一般配制为浓度为0.1～0.15%的水溶液（2）絮凝剂水溶液的贮存※聚丙烯酰胺在常温下比较稳定，高温、冰冻时易降解（分子链被切断），降低絮凝效果，故其及水溶液的贮存温度应控制在2～55℃之间。※最好不用铁制贮存器，或者在其内壁粘有非金属的内衬。铁制贮存器与絮凝剂水溶液长时间接触，会有微量铁离子溶入液体，它们与聚丙烯酰胺的－CONH2官能团相互吸引而交联，形成立体状，降低了絮凝能力。※溶液存放