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滤液阀开度影响加压过滤效果的试验研究及机制分析

刘红娜1,2

(1.中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司,河北省唐山市,063012;2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心,河北省唐山市,063012)

摘 要 为了明确滤液阀开度对加压过滤效果的影响程度及规律,从而为加压过滤系统提高单位面积处理能力、降低产品水分以及降低能耗提供相应借鉴,笔者利用以工业加压过滤相似缩小得到的加压过滤试验系统进行了单因素试验研究。研究结果表明,当滤液阀开度低于40%时,可显著影响加压过滤系统的处理能力及产品水分;通过调整滤液阀开度可独立调节加压过滤系统的处理能力及产品水分,尤其适用于二者不要求同步变化的情况;由试验结果机制分析得出,加压过滤滤液排出部分内阻较大,阻力系数约为32.14,如可以有效降低阻力系数,则对提高加压过滤系统处理能力、降低产品水分以及系统能耗有显著帮助。

关键词 滤液阀开度 加压过滤机 处理效果 机制分析

加压过滤机是选煤厂浮选精煤常用的脱水设备之一[1-2],具有单位占地面积小、处理能力高的特点,还具有产品水分低、结构松散、易于与其他精煤产品掺混等优势[3-4],主要由加压仓、盘式过滤机、刮板输送机、密封排料阀和自动控制系统这5部分组成[5]。为了实现物料脱水,还需以加压过滤机为中心配置辅助设备,包括低压风机、高压风机、给料泵、液压站、刮板输送机以及工艺管路及阀门等,从而建立加压过滤工艺系统[6]。加压过滤机的脱水效果主要以处理能力及产品水分表示,不仅与加压过滤机本身的结构、操作有关,还与工艺系统中除加压过滤机外的其他部分密切相关[7]

目前,业内对入料粒度的组成和浓度、加压过滤机仓压、主轴转速、矿浆搅拌形式及强度,滤布材质及规格、入料泵的管道配置、浮选精矿池的形式、浮选精矿的消泡方式[8-12]等对加压过滤处理效果的影响已有了比较明确的认知,但对加压过滤系统中滤液管上的滤液阀开度(即阀门实际过流面积与全开时过流面积的比值)处理效果的影响过程研究较少。

笔者通过单因素试验研究,以期明确滤液阀的开度对加压过滤系统处理效果的影响,并为加压过滤系统提高单位面积处理能力、降低产品水分、降低能耗提供相应借鉴。

1 试验

1.1 试验样品

样品采自阳泉煤业(集团)有限责任公司大阳泉矿选煤厂,采样地点为浮精压滤机上料管。该选煤厂入洗煤种为无烟煤,采用跳汰+煤泥直接浮选+浮选尾煤的浓缩和压滤工艺。浮选精矿粒度组成见表1。

表1 浮选精矿粒度组成

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1.2 试验系统

加压过滤试验系统如图1所示。

图1 加压过滤试验系统

1-反吹压力调节阀;2-仓压调节阀;3-入料启闭阀;4-仓放气阀;5-上滤液阀;6-下滤液阀;7-加压仓放空阀;8-搅拌槽放空阀

由图1可以看出,滤盘直径为600 mm;阀门1~4、7~8为DN20 PN1.0手动球阀,阀门5~6为DN32 PN1.0手动闸阀;滤液管、分配头、搅拌槽、搅拌器等配件设计时基本遵循流动相似原则;加压入料泵为小流量、高扬程蠕动泵。

本次试验研究的对象为上滤液阀和下滤液阀,即图中的阀门5和阀门6。前者与加压过滤机干燥区连通,通过流体为气水混合物;后者与成饼区连通,通过流体为滤液。

系统大致工作流程为:关闭阀门1~8,启动低压风机,缓慢开启阀门1和阀门2,调节加压仓内仓压至设定值,并保证反吹风压力高于加压仓仓压约0.04 MPa;而后启动入料泵并缓慢开启入料阀门3及矿浆搅拌,由加压仓观察窗观察搅拌槽内产生溢流后,启动滤盘主轴并打开阀门5和阀门6,调整阀门1和阀门2至设定压力;此后系统工作20 min后先关闭阀门2和阀门3,然后关闭阀门5和阀门6,再关闭主轴、矿浆搅拌、反吹阀、低压风机,打开阀门4、放空阀门7和阀门8,系统完全停止。

系统搅拌槽内液位由搅拌槽溢流控制,由观察窗观察,可保证多次试验的液位一致;加压仓压力、反吹风压力均由压力表测定。

1.3 试验方法及指标

(1)试验固定条件。浮选精煤浓度为200 g/L、主轴转速为1.5 r/min、成饼区和干燥区的比例约为80∶108、滤布为200目丙纶单丝滤布。

(2)试验因素。上、下滤液阀的开度,加压仓压力。

(3)试验方法。在设定的上、下滤液阀开度和加压仓压力下工作约20 min后,称取产品收集槽内物料重量并测算其水分;而后将滤液、脱水产品以及加压仓内溢流矿浆返回加压入料箱,搅拌均匀后循环使用;每个条件重复进行2次,取平均值作为试验结果。

(4)试验指标为系统单位面积处理能力及产品水分。

2 结果与分析

2.1 试验结果

2.1.1 下滤液阀开度

保持上滤液阀开度为100%,不同加压仓压力下下滤液阀开度对加压过滤处理效果的影响如图2所示。由图2可得出以下结论。

图2 下滤液阀开度对加压过滤处理效果的影响

(1)下滤液阀开度对系统处理能力及产品水分影响显著。下滤液阀开度自100%下降至40%过程中,处理能力及产品水分变化不大;自40%下降至10%过程中,处理能力及产品水分则迅速下降,当加压仓压力分别为0.15 MPa、0.20 MPa和0.25 MPa时,处理能力的下降幅度分别为240.57 kg/(m2·h)、293.34 kg/(m2·h)和344.62 kg/(m2·h),产品水分的下降幅度分别为5.07%、4.54%和4.92%;不同加压仓压力对下滤液阀开度地影响规律较为类似,且加压仓压力越高,规律越明显。

(2)加压仓压力对系统处理能力的影响显著,但对产品水分影响相对较弱。当滤液阀开度一定且加压仓压力由0.15 MPa上升至0.25 MPa时,系统处理能力显著提高约200~300 kg/(m2·h),且下滤液阀开度越高,加压仓压力对系统处理能力的影响越明显;相对处理能力的提高,加压仓压力的提高仅可较小幅度地降低产品水分,仅为2.22%。

(3)通过提高加压仓压力,调整下滤液阀开度,可在处理能力相似时,显著降低产品水分。在加压仓压力为0.25 MPa、开度为10%的条件下,处理能力为698.06 kg/(m2·h)、产品水分为14.15%;在加压仓压力为0.15 MPa、开度为33%的条件下,处理能力为699.81 kg/(m2·h)、产品水分为20.18%。调整效果明显优于单独调整加压仓压力。

2.1.2 上滤液阀开度

保持下滤液阀开度为100%,不同加压仓压力下上滤液阀开度对加压过滤处理效果的影响如图3所示。由图3可以得出以下结论。

图3 上滤液阀开度对加压过滤处理效果的影响

(1)上滤液阀对处理能力影响不显著,但对产品水分影响显著。上滤液阀开度自100%下降至40%过程中,处理能力及产品水分均变化不大;自40%下降至10%过程中,处理能力依然变化不明显,但产品水分迅速升高,当加压仓压力分别为0.15 MPa、0.20 MPa、0.25 MPa时,水分提高分别为4.87%、5.30%、5.45%;不同压力下上滤液阀开度对产品水分的影响规律相似。

(2)当滤液阀开度一定时,提高加压仓压力,可提高系统处理能力并降低产品水分,但较上滤液阀开度对产品水分的影响较弱。

(3)通过提高加压仓压力,调整上滤液阀开度,可在产品水分相似时,显著提高系统处理能力。通过图3曲线插值可知当产品水分为22.00%时,在加压仓压力为0.25 MPa、开度为26.1%下,处理能力为1105.76 kg/(m2·h);在加压仓压力为0.15 MPa、开度为44.7%下,处理能力为815.6 kg/(m2·h)。调整效果明显优于单独调整加压仓压力。

2.2 试验结果机制及系统能耗分析

加压过滤基本原理为过滤原理,遵循基本过滤方程,同时过滤过程中的流体流动遵循基本流动方程。现利用这些方程对上述试验结果进行分析。

利用过滤方程及基本流动方程计算时,对于本系统而言,首先分析的对象是由矿浆、滤饼、滤布、滤盘组成的过滤部分,以及由过滤部分、滤液排出管道、阀门构成的滤液流动部分;其次针对对象进行简化,并划分流体流动计算的过流断面。

对象简化及过流断面进行选取时,考虑到上滤液管过流流体为气水混合物,而气体是可压缩流体,计算较为困难,因此此处仅对下滤液列式分析。相应地系统简化及过流断面选取,加压过滤系统滤液过流简化及断面划分如图4所示。

过滤部分应用的过滤方程[13]见式(1):

式中:u——流体通过滤层的平均线速度,m/s;

P 0—0-0断面上计算点的相对压强,也即加压仓压力,Pa;

P 1—1-1断面上计算点的相对压强,也即过滤部分阻力,Pa;

μ——流体的动力黏度,对于特定系统而言为一常数,Pa·s;

R m,R c——分别为过滤介质阻力及滤饼阻力,1/m。计算时,前者可假定为常数,后者则随着过滤过程的进行而逐渐增大。

图4 加压过滤系统滤液过流简化及断面划分

式(1)中P 1可由流体流动方程[14]计算,见式(2)和式(3):

式中:Z 1Z 2——分别为1-1、2-2断面上计算点相对于基准面的高程,m;

P 2——2-2断面上计算点的相对压强,Pa;

ρ——滤液密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

v 1v 2——分别为下滤液1-1、2-2断面上的平均流速,m/s;

H 1-2——流体由1-1断面流至2-2断面的水头损失,m;

K 1——滤液阀门的局部阻力系数,无因次,随阀门的开度变化而改变;

K 2——除滤液阀门外的阻力系数,无因次,因管路系统已确定,因此K 2可视为一常数。

式(2)中Z 1Z 2可视为相等,2-2断面所受压力为大气压,因此相对压强P 2=0;1-1断面截面积大、流量低、平均速度很小,取v 1=0,则式(2)、(3)可表示为式(4):

过滤速度或滤液流速,即式(1)中的u和式(4)中的v可直接反映系统的处理能力,与系统处理能力成正比;由式(4)可知,若减小滤液阀门开度,并保持处理能力一定,即v 2不变,K 1增大,则相应地P 1增大,此时加压仓压力P 0也须相应增大;反之,如加压仓压力P 0不变,减小滤液阀开度,则过滤速度uv也相应下降,处理能力变低。

据相关文献[15]的内容研究,试验范围内阀门开度由100%降至40%时,输液阻力系数由0.05提升至约11.24,但仍较小,对应的开度范围内下滤液阀对系统处理能力影响很小;当阀门开度由40%降至10%时,阻力系数迅速增加至约130,对应的开度范围内滤液阀对系统处理能力影响显著。

以清水进行试验,并以图4中0-0、2-2断面建立方程(因无滤饼,因此可直接以0-0、2-2断面建立方程),见式(5):

式中:K 3——滤布、滤盘、滤液过流通道的合计阻力系数。

因试验时已知加压仓仓压P 0、单位时间内滤液体积和滤液管管径,可求得v 2,进而得到K 3为32.14。由于上滤液(气水混合物)流体过流通道结构与下滤液过流通道结构相似,因此判断其过流阻力也应相似。此阻力系数相当于滤液阀开度约为28%时阀门的阻力系数,说明系统过流结构目前内阻较大。如可适当降低,则可在保证产品处理能力及产品水分的同时降低系统所需压力,从而在一定程度上降低系统能耗。

3 结论

(1)滤液阀开度低于40%时,可显著影响加压过滤系统处理能力及产品水分,试验条件下开度下降至10%时,处理能力下降约35%,产品水分提高约26%。

(2)不同于调节加压仓压力或主轴转速,通过调整滤液阀开度可独立调节加压过滤系统的处理能力或产品水分,尤其适应于处理能力与产品水分不要求同步变化的情况。

(3)目前加压过滤滤液排出部分内阻较大,如可降低则在操作条件一定时能够提高加压过滤系统处理能力、降低产品水分,从而在一定程度上降低加压过滤系统的能耗。

参考文献:

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[15] 选煤厂设计手册编写组.选煤厂设计手册——工艺部分[M].北京:煤炭工业出版社,1978.

Experimental study and mechanism analysis of the effect of filtrate valve opening on pressure filtration

Liu Hongna1,2
(1.Tangshan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group,Tangshan,Hebei 063012,China;2.Coal Separation Engineering and Technology Research Center of Hebei Province,Tangshan,Hebei 063012,China)

Abstract In order to clarify the influence law and degree of filtrate valve opening on the pressure filtration effect,and provide the corresponding reference for the pressure filtration system to improve the treatment capacity per unit area,reduce the product moisture and the energy consumption,a single factor experimental study was carried out by using the pressure filtration test system which was similar to the industrial pressure filtration.The results show that when the opening of filtrate valve is less than 40%,the treatment capacity and product moisture of the pressure filtration system can be significantly affected;by adjusting the opening of the filtrate valve,the treatment capacity and product moisture of the pressure filtration system can be adjusted independently,especially when both of them do not need to change synchronously;the mechanism analysis of experimental results shows that the internal resistance of the filtrate discharge part of the pressurized filter is relatively large,with a resistance coefficient of about 32.14,if it can be effectively reduced,it will be helpful to improve the processing capacity of the pressure filtration system,reduce product moisture and system energy consumption.

Key words filtrate valve opening,pressure filter,treatment effect,mechanism analysis

中图分类号 TD946

文献标识码 A

引用格式:刘红娜.滤液阀开度影响加压过滤效果的试验研究及机制分析[J].中国煤炭,2020,46(9):81-86.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.013

Liu Hongna.Experimental study and mechanism analysis of the effect of filtrate valve opening on pressure filtration[J].China Coal,2020,46(9):81-86.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.013

基金项目:唐山市重点科技计划项目(19150249E)

作者简介:刘红娜(1988-),女,河北保定人,硕士,工程师,现任职于中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司,主要从事煤泥水处理工艺及装备方面的研究。E--mail:905159645@qq.com.

(责任编辑 王雅琴)