张明昊

(晋能控股煤业集团 宏远工程建设有限责任公司,山西 大同 037003)

国家统计局发布《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》数据显示,煤炭消费量占能源消费总量的56.8%[1]。可见煤炭仍是保障能源供应的基础能源,在国民经济中具有举足轻重的战略地位。矿井水是伴随煤炭开采产生的地下涌水,他本身是一种地下水资源。我国煤矿又大多分布在北方缺水地区,所以煤矿矿井水处理受到人们广泛关注。2020年中国矿业大学孙亚军等[2]指出煤矿矿区的水环境问题主要是矿井水抽排、煤炭洗选、生活污水等衍生的各种生态环境问题,其中以矿井水抽排引发的环境问题最为突出。2021年煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室的王东升[3]介绍矿井水中的悬浮物主是煤炭开采过程中产生的岩粉、煤粒以及其他细颗粒物质,我国大部分煤矿井水中均含有悬浮物。根据悬浮物的特性,对工业用水净化处理常用的主要方法有混凝、沉淀。混凝是水处理工艺中十分重要的环节,常用的混凝剂为铝盐和铁盐混凝剂[4]。目前国内研究人员对在水处理的絮凝剂储液箱内是否必须设置搅拌装置尚无明确结论。

上海交通大学施俊[5]于2018年介绍上海闵行南部某自来水厂的加药系统中絮凝剂储液池未设置搅拌装置。太原理工大学白飞燕[6]所设计的煤泥压滤过程药剂自动添加系统中絮凝剂储液池也未设置搅拌装置。周召云等[7]为长城水厂设计的自动控制加药系统中储液箱同样未设置搅拌装置。2019年韩学渊[8]所研究的浮选加药系统絮凝剂储液箱未设置搅拌装置。2010年上海市政工程设计研究总院张亚勤[9]指出:Al3+质量分数为4.13 %液态硫酸铝溶液容易结晶,因此,储液池有必要增加搅拌设备。他设计松江污水处理厂化学除磷加药装置时,采用液下泵的方式对储液池内药液进行水力搅拌。2018年高勇等[10]设计的煤泥水处理工艺中自动加药系统储液箱设置了搅拌器。增设搅拌机的优点明确:防止絮凝剂析出;降低絮凝剂沉积;提高絮凝剂颗粒分散度。

本文参照陈允中等[11]和陈志平等[12]介绍的搅拌设备设计方法对某矿井水处理厂的储液箱进行了改造,增加了一套搅拌装置。

1 矿井水处理厂加药工艺概述

某矿污水处理厂设计处理能力4 000 m3/d,采用较常见的PAC作污水处理絮凝剂。水厂改造前絮凝剂的投加工艺为:先在搅拌罐中加入固体絮凝剂和一定比例的水,通过搅拌使固体絮凝剂与水充分混合,之后药液排入储液箱中静置存放,最后使用加药泵加压将储液箱中配好的药液投加到沉淀池，如图1所示。

图1 絮凝系统流程图Fig.1 Flow chart of flocculation system

在实际运行中存在以下问题:

1)药液在储液箱内容易发生沉淀,导致药液浓度降低,污水脱泥效果不佳。

2)药液沉淀会结块堵塞加药管道和储液箱液位计,长时间药液沉淀还会在储液箱底部板结,需清理储液箱底部沉淀。

因此有必要在储液箱内增设搅拌机。

2 设计内容

2.1 型式选择

根据《机械搅拌设备》(HG/T 20569—2013)标准,搅拌机选择偏心顶入式。储液箱结构为长方体(长×宽×高=1 000 mm×1 000 mm×1 100 mm),在储液箱顶部中心位置焊接一块5 mm厚钢板(长150 mm，宽150 mm),钢板中间有直径D=70 mm圆孔,钢板上安装搅拌机减速机和电机,搅拌杆从圆孔中穿过,搅拌叶距容器底部有一定距离，如图2所示。

1—观察口；2—储液箱箱体；3—絮凝剂药液；4—药液投放管路；5—搅拌机电机；6—搅拌机减速机；7—搅拌机搅拌杆；8—搅拌叶图2 储液箱改造前后对比示意图Fig.2 Comparison before and after the transformation of storage tank

2.2 叶片选择

储液箱现有检查口位置偏离箱体中心,药液黏度较小,絮凝剂颗粒越分散越好。考虑到以上条件,选用螺旋桨叶轮。螺旋桨叶轮直径小,机械紧凑,循环流量大,可安装在现有检查口偏储液箱中心位置处。既不需要破坏箱体,也对检查口效用影响不大,同时偏心安装有利于液体流动,搅拌效果好。而且螺旋桨叶轮转速较高,介质分散效果较好。

2.3 搅拌叶轮设计

2)叶轮段数。液深h与罐径D之比即h:D=1±0.2,且流体黏度较低,选择1段叶轮。

3)叶轮安装位置。对于低黏度的液-液搅拌,当液深与罐径之比在1±0.2范围内,需1段叶轮时,叶轮应安装在距搅拌罐底0.1～0.2液深的位置。取叶轮距搅拌罐底400 mm。

2.4 搅拌功率计算

搅拌功率由下式计算:

(1)

式中:Np为功率准数,是无因次数;n为回转数,r/min;d为螺旋桨直径,m;ρ为液体密度,kg/m3，取值1 000～1 300;gc为重力换算系数,(kg·m)/(kg·s2),取值9.8。

Np受叶轮形状、几何条件、挡板情况等影响,是雷诺数Re的函数

(2)

式中:μ为流体黏度,Pa·s；回转数n取132 r/min；d为螺旋桨直径，500 mm；ρ为液体密度，取值1 000 kg/m3～1 300 kg/m3；Re=1.7×105～2.2×105.

当Re> 104时,罐内为湍流,Np几乎是一个定值。查Np与Re关系图得Np=0.9[12],代入计算搅拌功率P=0.30 kW～0.39 kW。

(3)

式中:PN为搅拌电机功率,kW;Kt为温度修正系数;Kn为安全系数;η为减速机机械效率。

考虑工作环境温度为15 ℃～30 ℃,温度修正系数Kt=1.1,安全系数取Kn=1.2。减速机采用针轮摆线减速机,机械效率η取90%[12],搅拌电机功率PN=0.57 kW。因没有对应功率电机,就近取PN=0.75 kW的搅拌电机。

2.5 搅拌轴的设计

1)按扭转变形计算搅拌轴的轴径。搅拌轴的直径由下式计算:

(4)

式中:d1为搅拌轴直径,mm;G为轴材料的剪切弹性模量,MPa;N0为空心轴内径与外径的比值;γ—许用扭转角,对于悬臂梁γ=0.35 °/m,对于单跨梁γ=0.7 °/m;Tmax为轴传递的最大转矩,N·m。

(5)

搅拌轴选用45#钢调质处理,取其弹性模量E=2.1×106MPa,剪切模量G=8.1×105MPa;本设计中选用悬臂梁的形式,则γ=0.35 °/m;采用实心轴则N0=0[12],计算得到d1=32 mm,因此按照就近原则,取搅拌轴的直径d1=35 mm。

2)按临界转速校核搅拌轴的直径。对于小型的搅拌设备,由于轴径细,长度短,轴的质量小,因而往往把轴理想化为无质量的带有圆盘的转子系统来计算轴的临界转速[12]。

临界转速为:

(6)

式中:ncr为轴的第一节临界转速,r/min;a为悬臂轴两支点间(跨间)距离,mm;E为轴材料的弹性模量,MPa;l为搅拌器悬臂长度,mm;ms为在S点处所有相当质量的总和。

(7)

式中:m为搅拌器的质量,kg;ηk1为搅拌器附加质量系数,叶片数为3、叶片角θ=37°1′(斜叶)时ηk1=0.19[12];bi为搅拌器的叶片宽度,mm;ρ为搅拌物料的密度,kg/m3；d为螺旋桨直径，500 mm。

搅拌器的质量m=20 kg,搅拌器的叶片宽度bi=100 mm,搅拌物料的密度ρ=1 050 kg/m3～1 200 kg/m3,叶片角θ=37°1′。计算得到ms=3.50 kg。已知搅拌器悬臂长度l=700 mm;悬臂轴两支点间(跨间)距离a=150 mm。计算得到ncr=202.5 r/min

3)轴的转速n与临界转速ncr的比值。工作转速n=132 r/min,低于第一节临界转速ncr=202.5 r/min,所以该轴是刚性轴。n/ncr=0.65≤0.7,满足抗振条件,轴径合格。

2.6 搅拌频率的测定

通过实验确定药剂沉降时间,进而确定搅拌机启动频率。我公司选用的固体PAC药剂中水不溶物质量分数为1.8%～2.3%,药液中PAC的质量分数为5%～20%,如图3所示。经过实验室进行的微型实验,测定质量分数为5%～20%的药液在静置3 min～5 min后出现了的沉淀,但在15 min～20 min后沉淀增多不明显。通过对比可以发现:浓度越高沉淀出现得越快,沉淀的量也越大。图3(f)、(g)、(h)、(i)、(j)中的沉淀均可通过加水继续溶解。

图3 质量分数为5%～20%的PAC药液静置对比图Fig.3 Comparison of PAC liquid with mass fraction ranging from 5% to 20%

图4是质量分数为5%的PAC药液静置24 h再去除上清液后残留的沉淀物。该装置设置了就地控制箱,利用时控开关预设了3种搅拌模式:持续搅拌;每隔7 min搅拌3 min;每隔10min搅拌5 min。操作员在现场可根据药液的浓度等实际状况选择对应模式,或自行设定搅拌频率。该装置提高了药剂的利用率,大大减轻了工人劳动强度,有着良好的社会经济效益。

图4 质量分数为5%的PAC药液静置24 h后除去上清液后残留的沉淀物Fig.4 Residual sediment after removing supernatant after standing for 24 hours of PAC liquid with 5% mass fraction

3 经济社会效益及应用情况

3.1 经济社会效益

该技术主要有以下三项效益:

1)对改造前后各3个月的生产数据进行对比,改造前平均每月维修加药系统6次,改造后平均每月维修加药系统2次,本次改造将加药系统维护次数缩减了2/3。本厂维修组共4人,每个维修工的工资以7万元/a。每次维修加药系统需约0.75 d,则节约维修所需的人工成本约为3.87万元/a。

2)节约药剂,对改造前后各3个月的生产数据进行对比。改造前需每15 d清掏1次PAC储液箱,其底部板结药剂量烘干后约为50 kg;改造后PAC在储液箱不板结,不必清掏储液箱。故每年可节约PAC 1 200 kg。以PAC单价3.6元/kg计算,改造后因减少药剂沉淀而每年节约药剂总价约为0.43万元。

3)提高设备工作效率,清掏储液箱和维修加药管路时会造成水厂停产,每月因清掏储液箱和维修加药管路约停产24 h,水处理厂平均处理速度为230 m3/h,故经过改造可多处理水6万t/a,提高了生产效率。

图5 储液箱改造效果图Fig.5 Transformation of liquid storage tank

3.2 应用情况

本次改造投入约1 000元购买设备,每年运行成本约800元。可为水厂降低成本约4.3万元/a。采用该技术,大大降低了劳动强度,节约了药剂,提高了设备工作效率,社会经济效益十分显著。

4 结论

1)本文通过在矿井水处理厂絮凝剂加药系统中储液箱内增设搅拌装置,并提供了搅拌装置的设计方法。一般储液箱均可增加此装置。

2)本方法提高了絮凝剂的利用率,减少了加药装置检修频率,从而提高了水处理厂的运行效率。

3)这种方法操作简便、投入小且有着一定的抵抗大流量进水冲击的能力,应用前景较为可观。