（机械设计及理论专业论文）絮凝剂制备及其自动添加系统研究.pdf

太原理丁= = 学引：学位论文 y 6 2 0 2 47 絮凝剂制备及自动添加系统研究 摘要 絮凝剂在选煤厂煤泥水处理中已得到广泛地使用。 将干粉状絮凝剂配制成一定浓度的溶液，并合理地添加 到浓缩池中，一方面可以降低溢流水( 作为循环水) 的 浊度；另一方面可以加速煤泥的沉降速度，提高生产效 率。然而，在实际应用中，絮凝剂的制备和添加过程并 不理想。溶液配制不均匀、添加量过多或过少，最终都 会影响到精煤和其他煤产品的质量。本课题针对如何将 絮凝剂溶液合理地投入浓缩池进行了深入地研究。 絮凝剂的制备是实现其正确添加的前提。本文在认 真分析絮凝药剂性质的基础上，对其制备系统的结构和 硬件进行了设计和选型。运用输送、加热、吹散、预溶 等一系列手段，达到药粉的最佳溶解状态，并利用p l c 可编程控制器实现其工作过程的自动化。 实现科学合理投加是研究絮凝剂自动添加系统的目 标。本文基于自动控制理论知识，分析研究了自动添加 系统的检测环节、加药模型、控制模式和控制策略，对 添加系统进行了方案设计，讨论了自动加药的可能性。 该添加系统以浓缩池自由区的煤泥水为检测对象， 以沉降速度作为反馈量，构成闭环控制系统。提出将沉 降速度作为检测量，运用光敏传感器实现对沉降速度检 测的新思路。为验证光敏元件的可行性，介绍了一种用 于检测沉降速度的实验装置和电气回路，并进行了一定 的实验。 课题对某选煤厂煤泥水进行了沉降试验。介绍了最 侣i 药剂的选择方案，讨论了一定浓度下和不同浓度下煤 泥水的沉降特性以及澄清特性，并研究制定了加药制度。 太原理丁a 学硕i ? 学位论文 根据试验结果，提出将模糊( f u z z y ) 控制用于煤泥 水处理的想法，研究了基于p l c 的模糊控制器( f c ) 的 控制系统。运用仿真软件m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块对 絮凝齐“添加控制系统进行了仿真，最终表明模糊控制与 传统的p i d 控制相比明显地改善了控制系统的动态性 能。 本文基于絮凝剂的性质和在煤泥水处理中的合理应 用，进一步研究了絮凝剂的制备和自动添加系统，并证 明了该系统的先进性和科学性，对我国选煤厂煤泥水处 理工艺有着十分重要的参考价值。 关键词：絮凝剂，制备，自动添加，沉降速度，模糊 控制 l l 太原理1 ：大学倾i ：学位论文 s t u d yo nt h ef l o c c u l a n t p r e p a r e da n da d d e d a b s t r a c t t h ef l o c c u l a n th a sa l r e a d yb e e nw i d e l yu s e di nt h e s l i m ew a t e rt r e a t m e n to fc o a ip r e p a r a t i o np l a n t c o m p o u n dt h e d r yp o w d e r f u lf l o c c u l a n ti n t ot h es o l u t i o no fc e r t a i nd e n s i t y , a n d a d dt ot h el h i c k e n e rr a t i o n a l l y o no n eh a n dc a nr e d u c et u r b i d d e g r e eo ft h eo v e r f l o ww a t e r ( a st h ec i m u l a t i n gw a t e r ) ，o nt h e o t h e rh a n dc a na c c e l e r a t et h es e d i m e n t a is p e e do ft h es l i m e i r e p r o v el p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y h o w e v er ，i nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，p r e p a r a t i o na n da d d i n gc o u r s e0 ft h ef l o c c u l a n t i s u n s a t i s f a c t o r y s o l u t i o nc o m p o u n de v e n l y , a d d i n gt o om a n yo r t o of e w w 1 li n f l u e n c eq u a i l t yo fp r e c i s ec o a la n do t h e rc o a i p r o d u c t t h i ss u b j e c th a dad e e p e ns t u d yt 0h o wf l o c c u l a n t s o l u t i o na d d e dr a t i o n a it ot h et h i c k e n e r t h el p r e p a r a t i o no ft h ef l o c c u l a n ti sp r e r e q u i s i t et o r e a l i z ei t sc o r r e c ta d d t h i sa r t i c l ed e s i g n e dp r e p a r a t i o n s y s t e m a t i c s t r u c t u r ea n ds e l e c t e dh a r d w a r et y p eo nt h eb a s i so f a n a l y s i n gc o n s c i e n t i o u s l yt h a tf l o c c u l a t e sd r u gn a t u r e 1 tw i l i r e a c hl p o w d e rb e s t d i s s o l v es t a t eb yas e r i e so fm e a n sa s t r a n s p o r t h e a t 。b l o ws c a t t e r e d 。p r e - d i s s o l v e ，a n dm a k eu s eo f p l ci p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rt or e a l i z et h ea m t o m a t i o no f w o r k i n gc o u r s e a d d i n gs c i e n c ea n dr a t i o n a l l y i s g o a l t o s t u d y f l o c c u l a n ta d d i n ga u t o m a t i c a l l ys y s t e m t h i sa r t i c l ea n a l y s e d a n dr e s e a r c h e ds y s t e m a t i ci m e a s u r i n gl i n k ，t h ea d d i n gm o d e l t h e c o n t r o l l i n g m o d ea n dc o n t r o l s t r a t e g y o f a d d i n g l 太砸理工大学顺i ：学位论文 a u t o m a t i c a l l ys y s t e mb a s e d io na u t o m a t i cc o n t r o it h e o r v k n o w l e d g e ，c a r r i e do nc o n c e p t u a ld e s i g nt ot h ea d d i n gs y s t e m ， a n dd i s c u s s e dt h ep o s s i b i l i t yo fa u t o m a t i ca d d i n g t h ea d d i n g 【s y s t e mr e g a r d st h es l i m ew a t e ro ft h ef r e e d i s t r i c to ft h et h i c k e n e r a sd e t e c t i n g 协固e t ，s e d i m e n t a ls p e e da s t h ef e e d b a c k f o r mt h ec l o s e c i r c u i tc o n t r o is y s t e m 1 ti s p r o p o s e dt h a tu s ed h o t o s e n s i t i v es e n s o rt or e a l i z es e d i m e n t a i s p e e dm e a s u r e f o rp r o v ed h o t o s e n s i t i v e f e a s i b i l l t y o f c o m p o n e n t r e c o m m e n do n ef o ri s i ts u b s i d ee x p e r i m e n t a l p r o v i s i o na n dc i r c u i to fs p e e dm a k eu pt om e a s u r e 。a n dh a s c a r r i e do nc e r t a i ne x p e r i m e n t t h es u b j e c th a sg o n eo ns e d i m e n t a it e s to ft h es l i m e w a t e ro fac o a ip r e p a r a t i o np l a n t i n t r o d u c eb e s tc h o i c es c h e m e o f f l o c c u l a n t ，d i s c u s ss e d i m e n t a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c c a p a b i l i t yo fc e r t a i na n dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n 。h a ss t u d i e d a n de s t a b l i s h m e n ta d d i n gr e g u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h et e s t 。p u tf o r w a r dt oan e w j d e at h a tf u z z yc o n t r o iu s e di nt h es l i m ew a t e rt r e a t m e n t 。h a v e s t u d i e dt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m ( f c ) b a s e do np l c t h e s u b j e c te m u l a t e dt oa d d i n gs y s t e mo ft h ef l o c c u l a n tu s i n g e m u l a t i o ns o f t w a r es l m u u n km o d u l eo fm a t l a b a n di n d i c a t e f u z z yc o n t r o ii m p r o v eo b v i o u s l yt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e c o n t r o is y s t e mw i t ht r a d i t i o n a ip l dc o n t r o ic o m p a r e 0 nt h eb a s eo ff l o c c u l a n tn a t u r ea n dr a t i o n a l a p p l i c a t i o ni n ，c o a is l i m ew a t e rt r e a t m e n t ，t h i st e x th a v es t u d i e d f u r t h e rt h ep r e p a r a t i o na n da d d i n ga u t o m a t i c a l l ys y s t e mo ft h e f l o c c u l a n t a n dh a sp r o v e dt h ea d v a n c ea n ds c i e n c eo ft h i s s y s t e m t h e r ei sv e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et ot h es l i m e w a t e rt r e a t m e n tw o r ko fc o a lp r e p a r a t i o np l a n t no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：f l o c c u l a n t ，p r e p a r a t i o n ，a u t o m a t i ca d d i n g s e d i m e n t a ls p e e d ，f u z z yc o n t r o l 太原理工大学硕二b 学位论文 第一章概论 1 选煤厂煤泥水处理概述 ( 1 ) 煤泥水处理的必要性 煤矿生产的原煤均含有各种杂质，如煤矸石等。为了除去这些 杂质以提高煤的发热量，降低狄分，节约运费等，需要对原煤进行 沈选。选煤方法有干法和湿法两类，我国绝大多数选煤厂采用湿法 选煤。在湿法选煤工艺中，水是不可缺少的。当原煤经分级、脱泥、 精选、脱水等作业分选成产品时，由于煤的粉碎和泥化，产生一些 粒径小于0 5 m m 的煤粉，其中很大一部分被产品带走，但仍有不少 部分与水混合在一起，成为煤泥水。 在煤泥水系统中，开始时水中的煤泥量不大，随着生产时间的 延长，循环水中煤泥含量逐渐增大。当回收的煤泥量和产品带走的 煤泥量等于入选物料中的煤泥量时，这一系统达到平衡，沈选效果 变差。一般认为，选煤水的悬浮固体含量以不超过1 0 0 9 1 为宜，过 高的悬浮固体浓度将影响选煤厂精煤质量。当选煤水循环达到一定 程度后，必须外排一部分，同时补充部分清水。所以，煤泥水处理 是选煤厂中一个必需的重要环节。 在湿法选煤工艺流程中，选煤、产品脱水、煤泥水浓缩、煤泥 太原理工夫学硕j 二学位论文 浮选、尾煤沉淀或压滤等五道主要工序均需要用水作工作介质，一 般沈选1 t 原煤用水量4 5 m 3 。我国现有国有重点煤矿选煤厂1 7 0 余 座，每年需用水量达2 o 1 0 w 。对于一般处理原煤2 5 0 t h 的中型 选煤厂，每年需用水量达i o 1 0 7 一。由此可见，解决选煤废水问 题，实现沈水复用和闭路循环是选煤厂环境保护和节约水资源的一 项重要措施。 煤泥水处理是选煤厂重要和复杂的生产工艺，既关系到选煤厂 的技术经济指标，也影响着环境保护工作。随着对环境保护要求的 提高，对选煤废水处理提出了更高韵标准。所以，煤泥水处理在选 煤厂生产中占有重要的位鼍，煤泥水的管理水平直接影响着全厂的 生产技术指标和经济指标。 从根本上说，煤泥水处理有三个目的：一是从节约工业供水的 角度出发，最大限度的从煤泥水中分离出固体悬浮物，以获得符合 要求的分选介质循环水，一般将这一步骤称为洗水澄清和煤泥 水浓缩；二是从节约能源、回收宝贵的矿物资源角度出发，最大限 度的回收煤泥中的精煤，提高糖煤产率；三是从环境保护的角度出 发，使不得已外排的煤泥水能得到有效处理，达标排放。 根据“选煤厂设计规范”，溢流水的浓度小于8 0 l 可作为循环 水使用：选煤厂生产清水的水质标准为悬浮物含量不超过4 0 0 m g h 根据我国现行“污水综合排放标准”，选煤厂煤泥水达到二级排放标 准时，悬浮物最高允许浓度为3 0 0 m g l 。因此，当把煤泥水净化到 3 0 0 m g l 以下时，就能实现清水洗煤，沈水一旦外排也能满足环保要 求。我国提出了“煤泥厂内回收，洗水闭路循环”的方针，并规定 了考核选煤厂洗水闭路循环的三级标准。 2 太原理1 - 大学硕i ：学位论文 ( 2 ) 煤泥水处理技术自奇发展及应用 我国选煤工业起步于5 0 年代，历经7 0 年代和9 0 年代两次大发 展，目前全国年入选量超过3 万t 以上的选煤厂达1 8 0 0 座之多，伴 随着选煤工业的发展煤泥水处理技术经历了三个发展阶段。 第一阶段，煤泥水直接外排，既浪费了资源，又严重污染了环 境。 第二阶段，8 0 年代术，煤泥沉淀池处理工艺的应用使煤泥水处 理技术向前发展了一步，煤泥回收率大大提高，澄清水得以复用。 这一时期部分选煤厂煤泥水处理已经i s ! n - - 级n 路循环标准。 第三阶段，9 0 年代中期以后，随着浓缩、压滤技术的发展和推 广应用，尤其是絮凝剂的应用，极大地推动了我国煤泥水处理技术 的发展。 为了加速煤泥的沉降，近年来许多厂采用高分子絮凝剂，这对 煤泥水的净化、回收和洗水的再用将是不可缺少的。凡是可以使固 体微粒絮凝成团，有利于进一步固液分离过程的化学药剂都可以称 为絮凝剂。 细粒煤泥尤其是胶体和半胶体颗粒( 直径小于o 0 0 1 r a m 的煤泥) ， 其沉降速度很小。当煤泥水浓缩设备中使用絮凝剂后，可使循环水 浓度由1 0 0 9 1 左右降至l g 1 以下。实践证明，使用絮凝剂是实现 煤泥厂内回收，洗水闭路循环必不可少的措施。絮凝剂的作用主要 是使分散的微粒聚合为较大的絮凝体，以加速沉淀过程。絮凝剂的 利，类有： 无机电解质类絮凝剂，如石狄、硫酸、明矾等： 天然高分子化台物：动物胶、淀粉、马铃薯渣等： 太原理t 人学硕：【。学位论文 合成高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚乙烯基 二醇等。 不同的絮凝剂作用原理和絮凝效果不同。无机电解质的絮凝作 用，是以降低矿粒表面地电动电位来实现；非离子型的高分子絮凝 剂的絮凝作用，依靠高分子的“架桥”作用来达到；而离子型高分 子絮凝剂贝u 同时具有上述两种作用。研究证明，合成高分子絮凝剂 的絮凝效果最好。其特点是： 用量少。通常只需悬浮固体重量的0 0 1 左右或稍多些，而 絮凝效果却能提高几百倍以上，因而浓缩设备可大大缩小。 由于高分子絮凝剂的絮凝速度很快同时还可以得到蓬松 状、多孔性的絮凝物，从而提高过滤速度。 目前我国普遍采用高分子絮凝剂实现煤泥水的絮凝沉降，使用 较多的絮凝剂是聚丙烯酰胺及其衍生物。聚丙烯酰胺是白色透明胶 状物，其干燥产品是白色粉末。使用前，必须将它配成浓度为0 1 5 o 5 的溶液，加入矿浆中要充分搅拌，混合均匀。因此，研究高分 子絮凝剂的制备和添加。成为当前选煤厂煤泥水处理的关键问题。 特别是为了适应现代化生产的需要，实现药剂制备和添加的自动化 更具有重要意义。 ( 3 ) 煤泥水处理现状及存在问题 煤矿水污染问题是煤矿环境保护的一个突出问题。自t 9 8 7 年以 来，煤矿企业虽然加大环保投资，增大“三废”处理力度，但总体 上柬说，煤矿矿井水及废水处理利用技术仍维持在一个较低水平。 主要表现在：资金紧缺、依靠科技进步不够、行业内部发展不平衡。 太原理 下大学颟j ：学位论文 随着采煤机械化程度的不断提高，我国选煤厂入选原煤中 0 5 m m 级细粒煤的含量也逐年增多，给煤泥水处理及煤泥脱水回收 增加了难度。而煤泥水处理及煤泥脱水回收是选煤厂生产的重要环 ， 节，是降低洗水浓度，实现洗水闭路循环的关键；它不仅关系到选 煤厂的正常生产和发展，而且影响着选煤厂节水，充分回收煤炭资 源，保证生态环境等经济效益和社会效益。 目前，大多数国有重点煤矿选煤厂经过技术改造。煤泥水处理 系统达到了一级闭路循环标准，在此基础上有些选煤厂还对煤泥水 处理过程中的加药环节进行现场变频控制，以提高加药的准确度， 降低了药耗，保证了水质。然而，国内大多数选煤厂是靠人工在靶 式浓缩机中加入凝聚剂溶液来加速煤泥沉淀，降低浓缩机溢流水的 浊度。靠人工配制絮凝剂溶液和人工控制加药量存在不少问题，如 配制絮凝剂溶液时劳动强度大；人工撒粉状絮凝剂时。粉尘对工人 的健康有害：手工撒药容易形成团块不易溶解，使搅拌肘脚加长， 浪费典礼，增加电极及设备磨损等。此外，由于没有可靠的检测仪 表，只能靠观察溢流水的清浊程度控制加药量，但溢流水的浊度是 随着进入浓缩池的煤泥水的浓度、流量及煤泥中粒度等不断变化的， 靠观察根本不可能适应这种变化。 2 沉淀浓缩理论 煤泥水处理主要采用分级、脱泥、浓缩、澄清、浮选、过滤、 压滤等作业。各作业的不同组合- 构成了不同的煤泥水系统。本课 题主要是针对浓缩澄清系统的絮凝剂制备和添加进行研究。 太胀理t 大学硕：l ：学位论文 ( 1 ) 沉淀浓缩的基本原理 矿浆中的固体颗粒，在重力作用下向容器底部沉淀，清水则被 挤向上方，使较稀的矿浆分出澄清液和浓矿浆的过程，称为沉淀浓 缩，图1 - 1 为矿浆沉淀浓缩过程示意图。 将微细的矿粒与水混合配成一定浓度的矿浆后，装入玻璃量筒 中，经过均匀搅拌后，静置桌上，细心观察则可发现：沉淀丌始前， 悬浮液的浓度很均匀，如量筒l 所示。当沉淀开始时，悬浮的矿粒 即以不同的沉降速度下沉。较大的颗粒沉降较快，于是容器的底部 即有浓密的矿浆逐渐堆积，如量筒2 的d 区，称为压缩区。同时， h 层有澄清液体出现。如量筒2 的a 区，称为澄清区。在澄清区下 丽是沉降区b ，它的浓度与开始沉降前悬浮液浓度相同。b 区与d 区 之间，没有明显的分界面，它们之阳j 存在一个过渡区，即c 区。随 着沉淀过程的进行，d 区和a 区逐渐增加，而b 区则逐渐减小以至消 失，随后c 区也消失，最后只剩下a 区和d 区，如量筒5 所示。 抖朝且且显 12 345 a 一澄清区：b 一沉降区；c 一过渡区；d 一压缩区 图l 一1矿泉沉淀过程示意图 f g l 一】d i a g r a mo fs l u d g es e d i m e n t a lp r o c e s s 6 太原理工大学硕士学位论文 浓缩澄清是将煤泥水分离成澄清水和稠煤浆的过程，是煤泥水 处理的重要手段。图1 - 2 表示在连续生产的浓缩池中的浓缩过程。 需沉降的煤泥水送入圆筒形容器中央的自由沉降区b ，下面是过渡区 c ，再下是压缩区d ，底层为靶子运动的锥形表面区e 。在b 区上面 是澄清区a ，澄清水流入环形槽中，作为溢流( 循环水) 排出。对于 一定的入料，浓缩池溢流的澄清度和底流的浓度与它在浓缩机中停 留的时间有关。显然，入料停留的时间越长，溢流越清，底流越浓。 在一般工作条件下，浓缩机入料中煤泥粒度应小于o 5 m m 。溢流水煤 泥粒度应小于0 0 5 o 1 m m 。 流 a - - 澄清区：b 二沉降区ic - - 过渡区：d 一压缩区；e - - 靶子区 图卜2矿浆在浓缩机中的沉降过程 f g l 一2s c d i m e n t a lp r o c e s8o fs l u d g oi nt h et m c k e n c r 靶式浓缩机是选煤厂广泛使用的澄清浓缩设备。它由一个上为 圆筒形、下为圆锥形( 坡度一般为6 。矿) 的池子和一个垮沉淀物收 集到底流口的运输靶组成。 太原理丁= 大学硕l 学位论文 ( 2 ) 自然沉淀 所谓自然沉淀，是指利用水中悬浮物的可沉淀性能，在重力场 作用下产生下沉作用，以实现固液分离的一种处理工艺。水韵沉淀 处理工艺实质上是水中悬浮颗粒在重力和水的阻力共同作用下产生 沉淀过程。自然沉降的颗粒在沉淀过程中互不干扰，其尺寸一形状 和质量均不改变，下沉速度也不改变。水中的悬浮颗粒实际上是大 小、形状、密度均不同的颗粒群，其特性也因废水性质不同而异 在沉淀池设计中，颗粒的沉降速度是起决定作用的参数。 当颗粒在下沉过程中所受的力达到平衡时，颗粒作等速下沉， 依据牛顿力学定律可得下沉速度。实际上水中的悬浮物是大小、形 状、密度、性质等都不同的颗粒群，为了能够比较真实的反映出悬 浮颗粒的沉淀特性，在实际应用中通常是采用沉淀试验来观察悬浮 颗粒的总体沉淀情况，并依此来判断其沉淀性能。根据对沉淀效率 的要求，取得沉降时间和沉降速度这两个基本的设计参数。 ( 3 ) 絮凝沉淀 煤泥水( 尤其是选煤厂的浮选尾矿) 主要特点是：煤泥水浊度 高、扶分高、固体颗粒表面多数带负电荷，同性电荷间的斥力使这 些微粒在水中保持分散状态。它们在水中不仅受重力的作用，还受 和朗运动的影响。此外，由于煤泥水中固体颗粒界面之间的互相作 用( 如吸附、溶解、化合等) ，使得煤泥水的性质相当复杂，不但具 有悬浮液的性质，往往还具有胶体的性质。由于上述原因，使得多 数选煤厂的煤泥水很难自然澄清。生产中，要想圃液两相彻底分离- 必须采取一定的净化措施，促进煤泥沉淀。 太原理工太学硕：l 学位论文 絮凝沉淀可以大大加速煤泥水中的同液分离速度。絮凝是指液 体中分散的细颗粒聚成较大的絮团的过程，起絮凝作用的物质叫做 絮凝剂。絮凝作用是絮凝剂分子长链上活性集团与很多颗粒表面吸 附，从而使颗粒迅速地聚集成絮团。絮凝沉淀过程包括颗粒相互碰 撞、相互粘聚。在沉淀的过程中，颗粒的大小、形状和密度以及沉 淀速度都发生变化，所以，絮凝沉淀过程是非常复杂的，只能通过 絮凝沉淀试验来确定其沉降性能和主要参数。 3 絮凝剂性质和应用 ( 1 ) 絮凝剂的种类和作用 在所有合成有机高分子絮凝剂系列内，可根据分子量的高低 分成高、中、低三类，根据活性基团带电荷符号分成阳离子型、阴 离子型和非离子型三类。迄今应用最广的是聚丙烯酰胺系列絮凝剂。 聚丙烯酰胺是一种非离子聚合物( p a m ) 为长链状分子，其化 学式为： 6 “2 基兰i 。 分子量在3 0 0 1 5 0 0 之间。 聚丙烯酰胺通过水解反应取代酰胺基，可以得到部分水解体的 絮丙烯酰胺( p h p ) ，如： 9 ，。l 太原理工人学硕士学位论文 霹因r 闲 ii n 部分水解体的聚丙烯酰胺为阴离子型，在水中形成羧酸阴离子。选 煤厂通常使用水解度为2 0 4 0 9 6 的阴离子型聚丙烯酰胺产品。 由于煤泥水体系和絮凝剂作用过程都非常复杂，目前还无法根 据煤泥水体系各参数和絮凝剂性能指标来预计絮凝行为，所以絮凝 剂的选择只能逐个试验。试验条件尽可能接近将来应用的条件，从 中挑选出最佳絮凝剂品种和用量。 ( 2 ) 影响絮凝剂使用效果的因素 絮凝剂用量的影响 在一定条件下出一个最佳絮凝剂用量，也就是获得最大沉降速 度和最好的上澄清浊度的用量。超过最佳用量，会降低絮凝剂的利 用率。最佳用量不易预测，因它不仅与离子类型及离子度有关，还 与絮凝剂的分子量有关。分子量越高，最佳用量也越大，但获得的 沉降速度也较快。 絮凝剂分子量的影响 最佳絮凝剂用量和沉降速度都随分子量的增大而增加。对煤泥 水的澄清趋向于用很高分子量的阴离子絮凝剂，因为这样可以获得 很高的沉降速度。 煤泥水浓度和粒度的影响 随着煤泥水浓度的增加，絮凝剂用量迅速增加，增加速度大于 太原理工大学颂：学位论文 煤泥水浓度的增加速度。与此同时，絮团的沉降速度迅速减小，这 是因为煤泥水浓度越高，粘度越大，干扰作用越强，当煤泥水浓度 增加到其容重接近与絮团的容重时。絮团的干扰沉降状态被一种压 缩挤压过程所代替，絮团和下部的水在重力作用下互相换位，这种 ：状态下，沉降速度及其缓慢，澄清水量很少。 粒度越细，表面积越大，吸附絮凝剂的量也增大，因此对絮凝 剂剂量的要求也增大。 搅拌速度和时间的影响 所有絮团都能被速度的剪切力所破坏，并且不易重新絮凝，这 是因为，若悬浮液中存在过剩的絮凝剂，它会吸附到絮团破损后的 新表面上，这样由于过量絮凝剂分子被吸附而产生排斥力，使絮团 更难重新形成。 ( 珂煤泥水p h 值的影响 p i l 值影响固体颗粒表面的电位，太高或太低的p h 值絮凝都是困 难的，絮凝剂的用量都会增加。因为表面电荷高，则颗粒距离远， 絮凝剂对颗粒的桥联点减少，吸附在单个颗粒的絮凝剂分子增加。 ( 3 ) 絮凝剂的应用 合成有机高分子絮凝剂在选煤厂中主要应用于煤泥水的絮凝， 加速煤泥的沉降，提高浓缩设备和压滤机的能力，降低循环水的固 含量，以实现煤泥厂内回收和洗水闭路循环，也可以在浮选精煤的 过滤及尾煤的压滤作业中做助滤剂。不论是作助滤剂还是絮凝剂， 都需要合理解决以下几个问题： 太躲理t 丈学硕士学位论文 1 ) 絮凝剂的选择 要根据对絮凝剂理论的理解和对煤泥水的性质分析以及选煤工 艺要求等选择最合适的絮凝剂种类。选择的方法是通过量简沉降试 验来进行的。 2 ) 絮凝剂溶液的配制 絮凝剂溶液的证确配制给输送，是取得良好经济效益的重要环 节。总的要求是：该絮凝剂溶液使均匀的，添加方便的( 较稀) ，且 能迅速分散到矿浆中，以便能与悬浮颗粒进行充分作用，以达到良 好的絮凝效果。具体在配制过程中应保证：絮凝剂分散均匀，决不 能成团：其配制及输送絮凝剂溶液的过程中，必须避免高速搅动。 3 ) 加药制度的确定 加药制度主要是考虑加药点及各点的加药量，一般是通过试验 或现场数据分析。分析出加药量和沉降效果的关系，这也是实现自 动添加控制的依据。 4 课题的背景和意义 ( 1 ) 课题背景 阳泉煤业集团是我国大型无烟煤生产基地，其中阳煤集团二矿 选煤厂是一座年处理原煤能力4 3 5 万吨的动力煤选煤厂。然而自 1 9 9 2 年以来，煤泥水处理系统运行就极不正常，洗水浓度是影响选 煤厂沈煤精度的最大障碍。过去，该厂曾上过一套絮凝剂添加设备， 2 太媛理工大学硕士学位论文 但运行情况一直不好。经过对生产现场的考察分析，我们认为存在 以下几方面的问题： 絮凝剂的制备效果羞。二矿选煤厂现有的制备装景是人工配 制药剂，由于人工配制存在的种种缺陷，使得絮凝剂大面积结块， 制备系统几乎处于瘫痪状态严重影响了药剂的添加和澄清效果。 检测环节不过关。在生产过程中，该添加系统没有配置可靠 的浊度计或其它传感器以实现对浓缩池中溢流水浓度的在线检测， 4 i 能f 确反映煤泥水的沉降效果，控制添加成为无稽之谈。 在药剂添加方面，几乎是靠人工手动控制，受外界人为因素影 响比较大，絮凝剂的添加与煤泥水浓度不能保持良好的比例关系， 工人的劳动强度大，并且易造成浪费。 实时性差，控制器不能随时根据沉降情况来调节絮凝剂的添 加，存在着严重的滞后性，絮凝剂的使用没有真实的体现，对加速 沉降的意义不大。 絮凝剂的配比和配置方面还需进一步完善。絮凝剂应根据煤 泥水的水质和浓度选定最佳的配比度，同时要有较好的配置环节。 否则絮凝剂不能很好地溶解并充分作用于浓缩池中，不仅造成浪 费，反而还会降低煤泥的沉降速度。 由于存在以上问题，致使絮凝剂在使用过程中达不到理想的效 果，该设备几乎处于停滞状态。为了使原有设备能重新利用起来， 真正为提高选煤厂的生产效率发挥作用，阳煤集团与太原理工大学 合作研究，拟在原有设备基础上进行改进和开发，以实现絮凝剂的 自动制备和添加控制。改进后的添加系统预计将在以下几方面取得 一定效果： 制备添加自动化； 太原理t 火学坝 。学位论文 节约药剂用量； 提高精煤产率； 降低溢流水浓度。 ( 2 ) 选题的目的和意义 煤泥水处理系统是选煤厂实现洗水闭路循环的决定性环节，煤 泥水处理效果的好坏决定着一个选煤厂的经济利益和社会效益。利 用絮凝剂不仅可以加速浓缩池中洗煤尾水的澄清速度，而且可以使 悬浮的难以_ 沉降的细小颗粒得到沉降，从而大大提高浓缩池中煤泥 水的沉降效果，得到浓度较低的溢流水作为循环水。 然而，絮凝剂的添加并不是一个筛单的过程。首先，絮凝剂是 一种粘性较强的药剂，且不易溶解，倘若配置不好，就会成为具有 块状胶体的絮凝剂溶液，这种溶液对整个生产有害而无利。其次， 在配置好絮凝剂溶液的基础上，如何合理地进行添加也是一个关键 的问题。絮凝剂对煤泥水的沉降作用有其特殊的规律，如果药剂量 4 i 够，溢流水的浓度达不到要求：但若添加过量，叉会起到反作用， 也就是溢流水的浓度反而会增大。因此，分析絮凝剂对煤泥水的沉 降规律，并根据煤泥水的沉降效果实现药剂的自动添加对整个选煤 厂的长久发展具有十分重要的意义。不仅可以提高选煤厂的生产效 率，而且符合国家的环保要求，是选媒厂实施可持续发展的必由之 路。 太原理t 大学硕士学位论文 ( 3 ) 主要研究内容 分析选煤厂煤泥水处理的工艺流程，掌握浓缩池的工作过程 和煤泥水的沉降过程，了解现场生产状况。总结沉降中存在的问题， 影响沉降效果的主要因素。 掌握絮凝剂的种类和性质，合理设计絮凝剂的自动制备装 置。 絮凝剂自动添加控制系统的总体方案设计和可行性分析。絮 凝剂自动添加系统通过检测元件对浓缩池中煤泥水的沉降效果进 行实时监测，该测量值作为反馈信号，与给定值相比较。采集的信 号通过控制器自动控制变频器的转速，调节加药量到最佳值，实现 药剂添加自动化。 对所采用的煤泥水样进行性质研究和沉降试验，选择药剂并 确定合理的用药制度，建立药剂添加控制系统的数学模型。 传感器的研究，以及相关检测装置的设计。根据要获取的反 馈信号选择原理简单，可靠性好，容易维护的传感器作为检测元件， 配置相关装置及电路，最终实现对煤泥水浓度变化的检测。 控制理论分析。根据所建立的数学模型，结合实际情况，应 用p i d 运算法则和模糊控制理论，确立科学合理的控制理论。 太原理t 人学颂l ：学位论文 第二章絮凝剂制备研究 1 絮凝- n n 备的现状及存在问题 ( 1 ) 絮凝剂的配制要求 为了充分发挥絮凝剂的作用，使用的絮凝剂水溶液浓度一般低 于1 ，絮凝剂的最佳工作浓度可以通过试验确定。 絮凝剂产品不同，溶解方法也不同。但都要注意让絮凝剂充分 溶解，又避免过渡搅拌引起絮凝剂分子降解。可以取样检查，当溶 液中没有鱼眼状未溶解胶块，就认为全部溶解。胶状体比较易溶， 将胶状体适当弄碎，放入水中搅拌，即可溶解。粉状体聚丙烯酰胺 溶解时，一定要止每一个颗粒进入水中时都立刻被水包围。因为聚 丙烯酰胺遇水立刻溶胀，如几个颗粒聚在一起落入水中，表层溶胀 后颗粒不易再分开，造成絮凝剂溶解不完全。 聚丙烯酰胺水溶液容易变质。所以需要现用现配，使用新鲜溶 液。 为使絮凝完全，必须使絮凝剂在煤泥水中充分分散，但过分搅 拌又会使絮团受到破坏，絮团变小，降低絮凝沉降效果。因此，掌 握好絮凝剂和煤泥水混合的条件、加药点和加药量，十分重要。 如果絮凝剂和凝聚剂配合使用，或和其他药剂配合使用，配制 太臆理t 大学硕士学位论文 设备和运送管道不能共用，两种药剂和加药点也要相隔一定距离。 ( 2 ) 制备系统的发展及现状 制备系统经历了由人工到自动配制的发展过程。最初，人们将 淀粉之类的絮凝剂直接投入浓缩池，并没有药剂的配制过程。然而， 未经溶解的药粉需经过长时间的溶解后才能发挥作用，絮凝作用极 其缓慢。同时，粉状药剂遇水易结块，必须搅拌均匀，否则效果很 差。后来，人们逐渐意识到应先将絮凝剂稀释成一定浓度的溶液后， 再投入浓缩池，并在一定搅拌力的作用下，使其与煤泥水充分结合， 爿。能更好地发挥絮凝作用。 于是，絮凝剂的制备成为煤泥水处理中主要的一部分，人们逐 渐认识到絮凝剂溶液的制备是实现絮凝剂添加的前提条件。制备系 统中最主要的组成部分是溶解池和搅拌器。人工配制药剂时，将一 定比例的于粉均匀投入相应比例的水中，在一定的搅拌力下，使其 充分溶解，再通过溶解池底部的出口和阀将其送入浓缩池。而自动 制备药剂则是通过电机、计量装置、输送机、液位计等一系列元件 和传感器来自动控制药粉的投入和搅拌，在一定时问内将其配制成 符合要求的絮凝剂溶液。 与自动配药相比，人工配药的缺点是：配制絮凝剂溶液时劳动 强度大：人工撒粉状絮凝剂时，粉尘对工人的健康有害；手工撤药 容易形成团块不易溶解，使搅拌时间加长，浪费电力，增加电极及 设备磨损等。 太原理t 大学顶士学位论文 ( 3 ) 存在问题 国内外都在积极探索絮凝剂的自动制备装髯，并且卓有成效。 随着人们对絮凝剂性质研究的不断深入，对它的制备也逐步改进和 完善。国外在絮凝剂制备方面的研究相对比较成熟，国内在借鉴国 外经验的同时，通过t l 己的研究开发，在此领域也有了很好的发展， 但较国外产品还有一定的差距。目前，国内个别在絮凝剂制备方面 运行较好的大型选煤厂依然是引进国外的产品，诸如普罗名特、朗 爱道等等。 国内在制备方面存在的主要问题有： 直接利用输送机将药粉送入溶解池 由于絮凝剂有一定粘性，受潮后易结块，不易溶解，因此时间 一长，就会堵塞输送机，同时，影响药粉的计量。 搅拌速度不合适 不同的絮凝剂对应不同的搅拌速度。搅拌速度过快，会破坏 絮凝剂的长链结构，丧失絮凝作用：搅拌速度过慢，药粉不易充分 溶解，还会结块，造成浪费。因此需要根据絮凝剂性质确定合适的 搅拌速度。 液位计的可靠性差 由于絮凝剂的特殊性质，有的液位计在使用过程中被腐蚀或被 粘结，这样都会影响对液位的检测，从而影响了絮凝剂溶液的浓度 。和配制。 国外产品也存在一定的不足：使用一段时自j 后，一些管道也 会出现堵塞现象。影响了系统的正常工作。需要人工定时疏通，降 低了自动制各的程度。另外，国外产品价格昂贵。对于我囤大多数 太顾理t 大学颂： ：学位论文 中小型选煤厂来说，购买自动制备装置的费用难以接受，因此基本 都还是靠人工配制。人工配药的关键在于管理。管理得当，效果不 亚于自动装置；管理不好，除了造成药剂的浪费，还会严重影响煤 泥产品的质量，给生产带来一系列负面效应。 因此，汲取经验，发现不足，勇于探索，不断创新，研制开发 经济、实用、可靠的药剂制备装置是科研人员永远的责任。 2 方案设计 ( ”设计依据 该课题主要针对阳泉二矿选煤厂的煤泥水处理系统。过去，该 矿选煤厂实行人工配制药剂溶液，然而。由于各种原因，干粉聚丙 烯酰胺在溶解池中常常结块，致使絮凝剂的添加不能正常进行。严 重影响了循环水和煤泥产品的质量，因此，改善药剂的制备势在必 行。近两年来，阳煤集团有意向投资建立絮凝剂的自动制备装嚣， 实现药剂制备的自动化。 根据现场的煤泥水性质进行了药剂的选择性试验，确定出合理 的絮凝剂品种和需稀释的浓度。经过试验，初步选取阴离子聚丙烯 酰胺( p a m ) 作为煤泥水浓缩澄清的絮凝剂。浓缩机入料量约为 1 8 0 0 m ：1 h ，煤泥水用药的范围是l 2 9 m 3 ，因此，絮凝剂的使用量为 1 。8 3 。6 k g h 。而絮凝剂溶液的浓度一般为0 1 ，则配药箱的设计 能力不低于3 6 0 0 l h ，储药箱的容积约为配药箱容积的2 倍。 制备系统应具有可调性和广泛性，能够适用于不同类型絮凝剂 9 太原理工大学硕一i ：学位论文 的制备。对于不同的种类和浓度要求，只需调节输送量以及搅拌速 度，即可配制出所需的絮凝剂溶液。 ( 2 ) 总体结构设计 絮凝剂制备装嚣的总体结构设计如图2 - i 所示。该装_ ! 再! 主要出 鼓风机、加热接收器、给药料斗、螺旋喂料机、液位计、搅拌器、 预溶器、配药箱、储药箱以及传送阀等构成。 1 l i - 鼓风机，2 一加热接收嚣，3 _ 一料斗4 - 螺旋喂料机，5 一液位计6 一搅拌器，7 一颓溶 器，8 一配药箱9 一传送阁，1o 一储药箱，1 1 一计量秉，1 2 一连药管，13 一清水管 图2 1 絮凝剂制备系统结构图 f i 9 2 1 s t r u c f u r so rt h ef l o c c u l a t i o np r e p a r a t i o ns y s t e m 2 0 太原理丁大学硕：b 学位论文 主要设备设计及选型： 1 ) 鼓j x l 机( 旋涡气泵) 型号：x g b 9 0 尺寸( 册) ：3 1 0 x 3 2 0 3 6 0 主要参数： i 最人流量 最火风压真空度电机功率进出气重量 ( m s h )( k p a ) ( k p a )( k w )口尺寸 ( k g ) 1 1 01 61 20 7 5m 5 0 x 1 5 2 0 2 ) 加热接收器 作用：接收喂料机送出的药粉并将其加热至一定温度( 5 0 6 0 ”c ) 。材料：镀锌钢，有夹层，内置加热装置。 3 ) 料斗 设计能力：可一次性盛放2 0 0 k g 于药粉；内设网状隔板。 材料：3 0 4 不锈钢。 4 ) 螺旋喂料机型号：l x g - 8 0 螺旋喂料机主要适合于各种颗粒状及粉状物料水平及倾斜度下 超过2 0 0 的物料输送，适用于各种成套设备之间的自动进料。配备 调速电机可作为各种粉碎设备的自动加料控制喂料设备。 参数：输送量( t h ) ：0 3 ：配套动力( k w ) ：0 5 5 。 5 ) 液位计型号：u i z 内装型 主要参数： 鼙群l ! 范同 分质密度i ：作温度压力等级测鲑精度 远传距离 i ( 1 1 1 1 1 1 ) ( g e r a 3 ) ( o c ) ( m p a ) ( m m )( m ) 3 0 0 6 0 0 0o 5 24 0 q 5 03 21 01 0 0 0 6 ) 搅拌器型号：l c 型 太原理t 人学硕一k 学位论文 主要参数： i 删式 驱动方式配用功率 搅拌转速( r m i n ) l c 系列 齿轮减速 0 1 2 2 0 0 4 5 - 4 0 0 7 ) 预溶器 内置水喷头和药粉扩教头；密封安装：大小约为( n u n ) ：由1 5 0 5 0 0 。材料：有机玻璃。 8