絮凝劑溶液制備與投加系統的改進設計

趙建軍，鄧方針，宋 濤，李傳偉

（北京礦冶研究總院礦冶過程自動控制技術國家重點實驗室，礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室，北京 102600）

絮凝劑溶液制備與投加系統的改進設計

趙建軍，鄧方針，宋 濤，李傳偉

（北京礦冶研究總院礦冶過程自動控制技術國家重點實驗室，礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室，北京 102600）

針對絮凝劑溶液制備與投加系統在供水壓力由0.6MPa變為0.8MPa時，制得的絮凝劑溶液出現結團、絮凝效果差等現象，研發人員利用數值模擬技術對預溶器中的水、氣混合過程進行數值模擬研究。對模擬結果分析后得出，當預溶器入水壓力一定時，水縫開度過小會產生倒灌現象，開度過大會產生預溶不充分；當水縫一定時，壓力過大或過小同樣會影響絮凝劑粉料預溶效果。根據研究結果對現有預溶器進行優化設計，并將新版預溶器用于江西德興銅礦水處理站二期絮凝劑溶液制備與投加設備。

選礦；絮凝劑；數值模擬技術；加藥系統；預溶器；污水處理

1 引言

高分子絮凝劑溶液的制備和投加是影響選礦濃密過程生產效率的一個重要環節，絮凝劑溶液自動制備和投加系統則大大提高了絮凝劑溶液的制備效率和投加精度。隨著人們對絮凝過程的研究，國內的很多選冶廠逐漸擺脫靠人工制備和投加絮凝劑溶液的方法，采用自動制備和投加系統。隨著越來越多的選冶廠使用絮凝劑制備和投加系統發現，國內現有的系統存在制備量小、溶液絮凝效果差、核心部件故障率高等問題；國外的設備比較成熟，但其價格較高、維修成本高、核心部件會有堵塞故障。

北京礦冶研究總院在2009年研制出第一臺絮凝劑溶液制備與投加系統，并應用于工業現場。由于其具備制備能力強、制備效果好、核心設備故障率低、價格低廉等優勢先后應用于江銅德興水處理站、云南華聯鋅銦股份有限公司、西藏甲瑪多金屬礦、剛果（布）索瑞米銅鉛鋅多金屬礦等國內外選冶廠。2015年9月，江銅德興水處理站二期絮凝劑溶液制備與投加設備出現制備溶液出現結團、絮凝效果差現象，而同期在云南華聯鋅銦股份有限公司安裝的設備則未出現該問題。

2 理論分析

研發人員在實地對江銅德興水處理站設備研究后發現，設備安裝初期，供水壓力為0.6MPa；后來現場改造，供水壓力升至0.8MPa，甚至一度上升到1.0MPa，而同期其它選冶廠設備運行環境未發生變化。水壓上升后，現場工人發現制備的溶液出現絮凝效果差、絮凝劑粉料結團等現象。針對此問題，研發人員對絮凝劑粉料溶解過程進行研究。高分子絮凝劑顆粒由于分子鏈較長，分子鏈充分展開需要一個較漫長的過程，一般先后經歷溶脹和溶解兩個過程。在絮凝劑顆粒溶解初期，高分子暫時不會向溶劑中擴散。隨著時間的推移，高分子絮凝劑由于熱運動而慢慢膨脹、產生空穴，并被溶劑分子占據，此過程即為溶脹。隨著絮凝劑分子體積的膨脹，產生的空穴越來越多，與高分子鏈結合的溶劑分子越來越多，絮凝劑分子就逐漸的擴散到溶劑中，直到絮凝劑分子完全溶解于溶劑中［1］。

圖1 高分子物質溶解過程示意圖

基于對高分子絮凝劑溶解過程的研究，現有的絮凝劑溶液制備與投加設備工作原理可分為：直接攪拌、計量粉料溶解和預溶、溶解方法［1］。

直接攪拌：顧名思義，攪拌是將絮凝劑粉料直接加到溶劑中，通過攪拌棍的攪拌（一般是人工攪拌）使絮凝劑粉料溶解于溶劑中。

計量粉料溶解：通過控制給料時間控制給料量，通過電機帶動攪拌器來促進絮凝劑粉料的溶解，此類設備實現了在一定精度內控制所制備的絮凝劑溶液濃度。

預溶、溶解方法：絮凝劑粉料不直接投入到溶劑中，而是通過風力輸送裝置先送至預溶器中，在輸送的過程中風會將絮凝劑粉料充分吹散；同時在預溶器的另一端輸入預溶水，預溶水在預溶器內會形成水霧，被吹入的干粉顆粒就會被水迅速包裹，然后在制備槽中進行熟化溶解。北京礦冶研究總院即是基于此原理研發設計了絮凝劑溶液制備與投加設備。

基于高分子絮凝劑粉料溶解過程的研究，結合預溶器的工作原理得出，當預溶水壓力改變時，預溶水在預溶器內無法形成水霧或形成水霧較少，從而影響了預溶效果，導致制備的溶液中出現結團現象。

3 絮凝劑預溶過程的研究

基于預溶、溶解原理，北京礦冶研究總院研發設計了預溶器來實現預溶過程，預溶器如圖2所示。預溶水經預溶水入口進入預溶腔內，經預溶器的特殊結構在腔體內形成水霧；絮凝劑粉料經風力輸送由粉料入口進入預溶腔，在預溶腔內被吹散的干粉顆粒會被水迅速包裹，從而達到預溶的效果。

圖2 預溶器示意圖

為了研究水、粉料在預溶腔內的混合過程，研發人員采用數值模擬技術對預溶器進行水、氣兩相流模擬分析。

3.1 簡化模型

由于預溶器結構復雜、零部件較多，直接進行模擬分析增加了劃分網格難度，且本文主要研究水、氣兩相在預溶腔內的混合過程。因此，對預溶器模型進行簡化，簡化后預溶器模型如圖3所示。

圖3 預溶器簡化模型

3.2 劃分網格

劃分網格是計算流體力學模擬分析的一個重要步驟，是推進CFD工程化應用的重要因素；而劃分網格質量的好壞則直接影響了動力數據和最終數值解的計算精度［2］。簡化后的預溶器模型結構比較簡單，可以采用結構化網格進行網格劃分。劃分后網格結果如圖4所示。

圖4 網格劃分

3.3 確定邊界條件

對江銅二期絮凝劑溶液制備與投加設備出現的問題分析發現，當水壓變化時，制備的溶液出現結團現象、絮凝效果變差，因此，預溶水壓力的變化是導致預溶效果變差的主要因素。當供水壓力發生變化時，供水入口水量發生變化，研發人員在預溶水入口管道處添加一臺流量計記錄現場不同供水壓力下預溶水流量。邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件1

3.4 模擬結果及分析

對于相同水縫開度，不同供水流量條件模擬結果如圖5。對于相同供水流量，不同水縫開度條件下模擬結果如圖6。

圖5 預溶過程數值模擬結果

圖6 預溶過程數值模擬結果

從模擬結果分析得出：

（1）當水縫開度不變時，隨著供水流量的增加，預溶水在預溶腔內形成的水霧逐漸增加，在流速為15m3/h時達到最好，超過15m3/h后，隨著供水流量的增加，形成的水霧逐漸減少，形成的渦流增加；

（2）當供水流量不變時，隨著水縫的增加，預溶水在預溶腔內形成的水霧逐漸增加，當水縫開度為3mm時形成的水霧最佳，當水縫超過3mm后，形成的水霧逐漸減少；

（3）當供水流量為15m3/h，水縫為0.5mm時，存在倒灌的危險，工程人員反應，在設備首次調試時，確實存在倒灌的情況，減小預溶水手閥后，倒灌情況消失。

4 預溶器的優化設計及工業應用效果

預溶水壓力的變化直接影響了預溶器中水霧的效果，從而影響預溶效果。不同的選礦廠供水壓力會存在差別，即便是同一選礦廠不同時間，水壓也會不同。

4.1 預溶器的優化設計

通過以上研究得出，當供水流量變化時，可通過適當調整預溶水縫的大小來調整預溶效果。因此，研究人員優化設計了現有的預溶器，如圖7所示。新版預溶器可通過調節螺母來調節水縫的大小。

圖7 新版預溶器示意圖

4.2 工業應用效果

2015年9月份，新型預溶器被應用于江銅德興水處理站工業現場，并根據供水流量調整預溶水縫。使用了新型預溶器的絮凝劑溶液制備與投加系統制備出的絮凝劑溶液濃度精準，溶解效果好，不再有結團現象，絮凝效果好，大大的節省了絮凝劑粉料。同時新版預溶器還應用在了剛果（布）多金屬礦現場。

5 結論

（1）預溶器供水流量和水縫開度直接影響了絮凝劑粉料的預溶效果，當水縫開度一定時，隨著供水流量的增加，預溶效果先變好再變差；當供水流量一定時，隨著水縫開度的變化，預溶效果先變好再變差；

（2）當預溶器供水流量一定時，隨著水縫開度的減小，存在預溶水倒灌的危險；

（3）數值模擬技術的應用可以很好的幫助我們完成相關設備的研發、設計、優化改進。基于預溶器優化設計的成功經驗，研發人員在優化設計給料器的過程中也采用了數值模擬技術。

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Improvement Design of Flocculants Preparation and Dosage Unit

ZHAO Jian-jun， DENG Fang-zhen， SONG Tao， LI Chuan-wei
（Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy， State Key Laboratory of Process Automation in Mining & Metallurgy，Beijing Key Laboratory of Process Automation in Mining & Metallurgy， Beijing 102600， China）

There appears agglomeration and bad flocculation effect in flocculants solution made up by flocculants preparation and dosage unit， when the water pressure increased from 0.6Mpa to 0.8Mpa. Based on study of the flocculants property， a computational fluid dynamics model has been applied to the water-gas mixing in pre-dissolving device. According to the result of numerical simulation， water may flow backward if the water seam is smaller， as the water pressure does not change. And flocculants do not dissolve sufficient if the water seam is bigger， as the water pressure does not change. The higher or lower water pressure also has effect on pre-dissolving if the water seam does not change. Based on the result of numerical simulation， an optimization designing about pre-dissolving device has been done. The new pre-dissolving device for flocculant has been applied in Second Flocculants Preparation and Dosage Unit in Jiangxi Dexing Copper ore.

mineral processing；flocculant；numerical simulation；dosing system；pre-dissolving device；wastewater treatment

TD928.9

A

1009-3842（2016）05-0035-04

2016-05-16

趙建軍（1980-），男，山東東營人，高級工程師，主要人事選冶在線分析儀器、自動化裝置的研究。E-mail：zhao_jj@bgrimm.com