擋板式管道混合器絮凝沉降性能的試驗研究

張 舒 沈麗娟 張 娟

（中國礦業大學煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

擋板式管道混合器絮凝沉降性能的試驗研究

張 舒 沈麗娟 張 娟

（中國礦業大學煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

提高礦漿跟藥劑的混勻程度是改善煤泥水絮凝沉降效果的基礎，在管道中設置擋板可以有效地促進礦漿和藥劑的混合。本文通過對管道中擋板的形狀、擋板總數以及擋板間距這3個影響因素所進行的正交試驗，分析得出了有利于煤泥水沉降的最佳條件。

擋板 管道混合器 絮凝沉降 正交試驗

選煤廠煤泥水處理時，通常加入凝聚劑或絮凝劑來強化煤泥水的沉降效果，藥劑條件是影響絮凝沉降效果的關鍵因素之一。在藥劑與礦漿的混合過程中，藥劑和礦粒的有效接觸是首要條件，增強藥劑與礦粒的接觸程度和提高礦漿與藥劑的混勻程度是改善煤泥水絮凝沉降效果的前提與基礎。

管道混合方式耗能低，其消耗的能量主要來自于管道中流動的流體本身，無需外界再附加能量，而且混合強度可以通過改變管道結構實現。典型的裝置就是在管道內安裝擋板，擋板式管道混合器主要依靠管道內的混合單元構件擋板對流經的流體產生較大的擾動作用，使流體不斷地急速擴大和縮小，并產生連續強烈的剪切力和切割力，從而達到均勻混合的目的。

本試驗的目的就是對管道中擋板的各參數進行探索試驗，得出各參數對煤泥水絮凝沉降的影響規律，為以后的管道結構優化提供方向。

1 試驗準備

1.1 試驗煤樣

煤樣篩分試驗結果如表1所示。該煤樣主導粒級為－0.045mm，占總樣的53.80%，灰分較高，為47.32%，其它兩個粒級含量相差不大，分別是20%和26.2%，灰分比－0.045mm較低。該煤樣高灰細泥含量較大，在選煤廠中較難處理，容易使洗水固體物含量升高。本試驗配制的煤泥水濃度為30g／L。

表1 煤樣篩分試驗結果表

1.2 試驗藥劑

藥劑為陰離子1200萬分子量的聚丙烯酰胺，濃度為50g／t。

1.3 試驗儀器

自制擋板式管道混合器如圖1所示，主要由攪拌器、入料槽（高為400mm，內徑為250mm，材質為有機玻璃）、閥門、連接管、加藥器以及擋板式管道（內徑為20mm，材質為有機玻璃）這6部分組成。

圖1 自制擋板式管道混合器結構圖

1.4 試驗結果評價指標

本試驗取煤泥水上清液的透射比為評價指標，配制煤泥水用自來水的透射比T，設定為100%。

試驗時，在入料槽中加入一定量的煤泥水，開啟攪拌器進行攪拌，達到均勻入料的目的，之后打開閥門，待流量穩定后用注射器以恒定藥劑量加入聚丙烯酰胺，煤泥水和藥劑經過管道混合器后，在出口處用直徑為100mm的接樣容器接取煤泥水1 L，靜置1min后抽取液面下25mm處的上清液，測其透射比。試驗結果說明透射比越大，煤泥水絮凝沉降效果越好。

2 擋板參數分析

2.1 擋板形狀

擋板形狀是擋板式管道混合器結構參數之一，改變擋板形狀對改變管內流體的運動狀態有很大的影響，從而進一步影響煤泥水絮凝沉降的效果，管道中擋板形狀主要與其橫截面積相關。

流體流經管道某一截面的流量Q與其截面積A和流速v有關，即Q＝Av。當流量Q保持不變時，截面積A與流速v成反比關系。在管道中加入面積為S的擋板后，該截面的面積發生變化，由原來的A變為A－S，若要保持流體流量Q不變，則流體流過該截面時流速v應急劇增大，且擋板面積S越大，流速v增大的越多。這里的速度v是矢量，其數值和方向均有變化，因此擋板截面積的大小對管道內流體的流動狀態影響較大。

試驗設置兩種截面積大小不同的擋板，擋板F1面積為管截面的一半，擋板F2面積為擋板F1面積的一半，如圖2所示。擋板材質為鍍鋅鐵皮，用AB膠粘貼在管道內。

圖2 截面積不同的擋板

2.2 擋板間距

擋板間距的大小影響管道中流體的紊流強度，在合適的位置安裝擋板可以產生足夠大的紊流強度，促使煤泥水與藥劑更好的混合。當擋板數目一定時，其間距還會影響管道的最終長度，繼而影響礦漿在管道混合器中的停留時間，即擋板間距越大，管道越長，礦漿在管道中停留的時間越長。

參考其他擋板管道混合器以及考慮到現實的可操作性，本試驗選取擋板間距為管徑的2倍和4倍，即4cm和8cm。

2.3 擋板總數

為選取合適的擋板數目進行正交試驗，在擋板形狀為F1、擋板間距為8cm時進行了擋板數目的試驗，先取4塊擋板進行試驗，然后每次增加4塊，擋板數目試驗結果見圖3。

圖3 擋板數目試驗結果

由圖3可以看出，當流體經過前16塊擋板時，上清液透射比的變化趨勢比較明顯，從15.10%上升至73.80%。隨著擋板數目的增加，透射比變化緩慢，上清液趨于穩定。參照此試驗結果，選取8塊和16塊擋板進行管道混合器的正交試驗。

3 試驗設計

正交試驗共考察3個因素，擋板形狀A、擋板間距B以及擋板總數C，考慮它們之間的交互作用，選取正交表L827，各因素的水平分別為擋板形狀A：F1、F2，擋板間距B：4cm、8cm，擋板總數C：8塊、16塊。

4 正交試驗結果分析

根據以上方案進行了試驗，并在試驗環境相同的情況下進行了重復試驗，結果如表2所示。

表2 透射比正交試驗結果分析表

由表2可知，其中Ki是第i個因素8次試驗結果之和，ki是第i個因素8次實驗結果的平均值，極差R＝k1－k2，Si為離差平方和。

4.1 直觀分析

（1）試驗結果的直接對比。通過表2試驗指標的結果直接對比，可以看出4號試驗兩次重復試驗結果最好，上清液透射比分別為74.10%和68.28%，因此A1B2C2試驗條件最好。

（2）因素水平效果的統計計算和綜合對比。根據表2各因素不同水平試驗結果的平均值可以看出，A因素取1水平、B因素取2水平、C因素取2水平時試驗指標最好，這一結果與直接對比結果完全一致。

（3）因素效應的直觀對比。極差的大小可以反映試驗中各因素作用的大小。根據表2中極差R的大小可以得出3個因素的主次順序為C＞A＞B。

表3 方差分析表

4.2 方差分析

按下列順序分別計算各因素離差平方和Si、試驗誤差平方和SE2、自由度fi、均方統計量

由表3可以看出，3個因素對試驗指標的影響順序為C＞A＞B，這與直觀分析結論一致。FA×B與FA×C均小于F0.1（1，8），所以交互作用A×B與A×C均不顯著，為了提高檢驗精度，可將其合并為試驗誤差SE1。根據統計量F做顯著性檢驗，可知各因素A、B、C對試驗指標影響較為顯著，且主次順序為C＞A＞B，同時交互作用A×B×C、B×C對指標也有一定的影響。

5 結論

通過對自制的擋板式管道混合器進行正交試驗，分析得出以下結論：影響煤泥水沉降效果因素的主次順序為擋板總數、擋板形狀以及擋板間距，并且在擋板總數為16塊、擋板形狀為F1、擋板間距為8cm時煤泥水上清液透射比最大，煤泥水沉降效果最佳。

［1］ 陳建中.選煤標準使用手冊［M］.北京：中國標準出版社，1999

［2］ 劉炯天.試驗研究方法［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2006

［3］ 吳群英，林亮.應用數理統計［M］.天津：天津大學出版社，2004

［4］ 劉雁鵬.選煤廠煤泥水絮凝沉降試驗研究［J］.中國煤炭，2011（9）

Performance research on flocculation and sedimentation of baffle pipeline mixer

Zhang Shu，Shen Lijuan，Zhang Juan
（Key Laboratory of Coal Processing and Efficient Utilization，Ministry of Education，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Increasing the mixing degree of reagent and coal slurry is the basis of improving the effect of coal slurry flocculating－sedimentation，and installing baffles in the pipeline can promote the mixing degree.Through the orthogonal experiment on three influential factors of baffle shape，baffle number and baffle spacing，the paper has obtained the optimal condition for coal slurry flocculating－sedimentation.

baffle，pipe mixer，flocculation and sedimentation，orthogonal experiment

TD946.2

A

張舒（1988－），女，江蘇沛縣人，中國礦業大學化工學院在讀碩士，從事礦物加工工程的研究。

（責任編輯 王雅琴）