煤泥离心过滤和机械压滤的滤饼层粒度分布及其影响

王雪伟,张文军,2,胡格伟,余悦发,武志宏

(1．中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;2．中国矿业大学低碳能源研究院,江苏徐州 221008)

煤泥离心过滤和机械压滤的滤饼层粒度分布及其影响

王雪伟1,张文军1,2,胡格伟1,余悦发1,武志宏1

(1．中国矿业大学化工学院,江苏徐州 221116;2．中国矿业大学低碳能源研究院,江苏徐州 221008)

针对离心过滤和机械压滤过程中煤粒成饼机理的差异,采用分层取样法分析对比了煤泥离心过滤与机械压滤两种不同过滤方式形成的滤饼内部的粒度及水分分布特点,基于沉降理论探讨了离心过滤和机械压滤的成饼过程,并分析了入料级配对离心过滤过程中滤饼粒度分布的影响。结果表明：机械压滤形成的滤饼中,颗粒粒度和滤饼水分沿滤饼厚度的方向无显著变化,而离心过滤形成的滤饼中,颗粒粒度和滤饼水分沿滤饼厚度的方向存在较大变化,距离滤网越近,滤饼层颗粒的平均粒度越粗、水分越低;入料级配对离心过滤的滤饼层粒度的径向分布及脱水效果影响显著,随着入料平均粒度的减小,上述径向分布差异呈现缩小的趋势;沿着滤饼厚度的方向,压滤滤饼中的过滤比阻分布是相对均匀的,在理论分析中可近似为常数,而离心过滤的滤饼层的过滤比阻分布具有非均匀性,影响比阻分布的因素具有复杂性。

煤泥;离心过滤;压滤;滤饼粒度分布;滤饼比阻

煤炭产品的水分对煤炭运输、加工、利用等方面有诸多不利影响,选后产品脱水是煤炭湿法洗选加工过程的必须环节[1-3]。由于粒度细、比表面积大,煤泥产品脱水难度大,开发细粒煤泥脱水技术一直是选煤行业的热点和难点之一。

机械压滤(图1(a))技术已经广泛用于煤泥脱水领域,离心过滤脱水技术是煤泥脱水研究的重要方向之一[4-5]。在离心过滤脱水过程中(图1(b),ra为滤饼层内表面半径,r为颗粒所处位置的半径),固体颗粒与液体在离心力的作用下朝滤网运动,大于筛孔的固体颗粒被筛网拦截形成滤饼层;大部分液体穿过颗粒间隙和筛孔后成为滤液;小于筛孔的颗粒,一部分在液体携带下透过颗粒间隙和筛孔进入滤液,一部分则被沉积颗粒层的孔隙结构截留并进入滤饼中[6]。颗粒离心沉积形成滤饼层,其结构既影响液体的脱除速度与效果,也影响滤液的浓度以及细颗粒的回收效果。提高过滤速度、降低滤饼水分与滤液浓度、控制脱水成本是离心过滤技术研究的主要内容。杨建国等[7]分析了粒度组成对煤泥产品水分的影响;张晋霞[8]通过改变入料的浓度分析了浓度变化对煤泥离心脱水效果的影响;张文军等[9-11]研究了螺旋卸料离心机脱水时间对脱水效果的影响,并探讨了细煤泥离心过滤机的粒度截留问题;曾方俊[12]对螺旋卸料过滤离心机进行了理论研究与仿真分析;程晓峰[1]对离心过滤过程滤饼的增长过程进行了计算机模拟;Keles[13],R．Asmatulu[14-15]研究了离心与气压联合过滤脱水的效果,并利用半工业化试验装置在Arch Coal运行的Cardinal选煤厂对不同粒度组成的细粒精煤进行了脱水试验,可将＜0．025 mm粒级含量为94．46%的煤泥水分降低到19．4%,可将＜0．025 mm粒级含量为41．3%的煤泥水分降低到15．1%。

图1 压滤和离心过滤过程原理Fig．1 Schematic diagram of press filter and centrifugal filtration

滤饼的孔隙率及孔隙的平均直径与其粒度组成密切相关,滤饼层的颗粒分布是滤饼结构及其过滤性能的基础因素。本文对比分析了机械压滤滤饼与离心过滤滤饼中不同区域的水分及粒度分布情况,并重点对离心过滤滤饼的粒度分布特点及其影响进行了研究与探讨。

1 试验装置及试样

所用煤泥样品采自淮北芦岭选煤厂的浮选精煤,其粒度分布见表1。

表1 煤泥粒度组成Table 1 Size distributions of coal sample

表2为将该浮选精煤进行0．074 mm分级后,按照不同粒级比例配制的3种离心过滤模拟试样。机械压滤的滤饼采自芦岭选煤厂的浮选精煤压滤机(型号KZG500/1600-U);煤泥离心过滤试验采用实验室过滤离心机(型号TD5G),不锈钢滤网的孔径为0．074 mm,入料质量浓度控制在200 g/L,采用连续入料方式给料,离心机转数为2 500 r/min,过滤时间为20 s;采用套筛对煤泥原料及产品的粒度进行分析,采用快速水分仪(型号JT-60)对滤饼的水分进行测定。

表2 3种级配的入料粒度Table 2 Size distributions of three types graded material

将滤饼沿着厚度方向进行环状分割,并对各层的粒度、水分进行分析和比较(图2)。

图2 滤饼(横剖面上)分层切割示意Fig．2 Diagram of cake slicing in transverse section

2 结果与探讨

2.1 离心滤饼与压滤滤饼的比较

表3为离心滤饼及压滤滤饼分层切割后各层的水分,图3为芦岭浮选精煤机械压滤形成的滤饼和离心过滤的滤饼分层切割后各层的粒度分布。

表3 煤泥离心过滤与压滤滤饼的分层水分Table 3 Moisture of centrifugal filter and press filter cake %

水分检测表明：压滤滤饼中的各层水分大致相同,均在26．5%左右;煤泥离心滤饼的平均水分为23%,且各分层的水分值变化较大。第1层水分最高,第2层、第3层水分逐渐降低,靠近滤网的第3层水分为20．2%,较第1层降低了5%左右。

粒度分析表明：机械压滤的滤饼中各层的粒度分布没有明显的差异,基本呈均匀分布;而离心过滤形成的滤饼中的颗粒分布具有明显的不均匀性,即随着滤饼层所在位置半径的增大,滤饼层中细颗粒的含量逐渐减少、粗颗粒的含量逐渐增加。这种差异可能源于滤饼层形成过程中颗粒的沉积、堆垛过程的差异。

图1(a)所示的压滤过程中,悬浮液经入料管被压入滤板间的滤腔后,流体在压力差的作用下透过滤布进入收集室;固体颗粒在流体摩擦拖曳作用下也向滤布方向运动,由于受到滤布及已堆积颗粒的截留,逐渐充满滤腔。由于质量力(或体积力)方向朝下,颗粒在垂直于滤布的水平方向仅受摩擦曳力而无质量力作用。液体对颗粒的摩擦曳力属于表面力,机械压滤过程中颗粒与流体之间的相对速度很小,不足以产生显著的粒度分离趋势。所以,压滤所形成滤饼层的颗粒粒度沿厚度方向呈均匀分布(图3)。

图3 压滤滤饼与离心滤饼中各分层的粒度分布Fig．3 Various layers of particle size distribution of press filter cake and centrifugal filtration of coal slurry

图1(b)所示的离心过滤过程中,固体颗粒既受到离心力的作用,也受到流体曳力的作用。由于离心力垂直于过滤介质表面,且煤泥的密度大于水的密度,因而颗粒群向过滤网沉降的过程属干扰沉降。颗粒在离心场中的干扰沉降速度[6]为

式中,v为沉降速度,m/s;χ为球形系数;dV为固体颗粒的体积当量直径,m;δ为固体颗粒的密度,kg/m3;ρ为液体介质密度,kg/m3;ω为转鼓角速度,rad/s;Ψ为阻力系数。

固体颗粒在离心过滤过程中所受离心力远大于重力,根据式(1),在相同的沉降环境中,粗粒煤泥的沉降速度明显大于细粒煤泥,即在离心过滤的沉降成饼阶段,直径相对较大的粗颗粒沉降速度快,会率先沉积成饼,细粒煤泥的沉降、沉积过程则具有一定的滞后性,由此导致滤饼层中的颗粒沿着径向产生一定的粒度分布差异(图3(a),4)。

图1(b)中,半径r处取厚度为dr的单位高度的滤饼环,则其所受离心力df可表示为

离心力在半径r处的滤饼层内产生的压力Fr可表示为

式中,Fr为压力,N;ρc为滤饼层平均密度,kg/m3。

由式(3)可知,滤饼层中颗粒所受到的离心力沿着回转半径方向具有传递和累积效应,即在离心过滤过程中,也同时存在压滤效应。这种效应导致颗粒紧密堆积、滤饼孔隙变小、细颗粒的损失减小,同时压缩滤饼的含液空间,对降低滤饼的水分具有积极影响。

离心滤饼的粒度分析表明：虽然采用的滤网孔径为0．074 mm,入料中＜0．074 mm的部分占48．76%,但滤饼各分层中＜0．074 mm的含量都超过30%。由此说明,离心过滤形成的滤饼层的孔隙结构对微细颗粒具有显著的截留作用,滤网孔径的大小主要决定流失到滤液中的最大颗粒的粒度,滤层的孔隙结构决定细颗粒的回收效果。

2.2 入料组成对离心滤饼粒度分布及脱水效果的影响

以各粒度级的中值粒度为基准,按式(4)计算表2中各入料的加权平均粒度,并以之作为区别不同级配的入料的特征粒度。

式中,dav为粒群特征粒度,mm;dai为各粒级的中值粒度,mm;γi为各粒级的产率,%。

3种不同级配的入料所对应的特征粒度分别为0．244(级配1),0．170(级配2),0．122 mm(级配3);级配1中＞0．074 mm含量占主导,级配3中＜0．074 mm占主导;级配1的特征粒度约为级配3的2倍。

在转速与过滤时间相同的情况下,当入料的特征粒度分别为0．244,0．170,0．122 mm时,对应的滤饼水分分别为20．83%,22．61%和24．83%,即随着滤饼特征粒度的减小,离心脱水后的滤饼的平均水分逐渐升高。

由图4可知,对于同一级配的煤泥,离心过滤滤饼各分层中的细颗粒的含量沿滤饼厚度方向逐渐减少,粗颗粒则逐渐增多,且离筛网越近,颗粒层的颗粒平均粒度越大。随着入料特征粒度的减小,离心过滤滤饼各分层中的细颗粒本级含量逐渐增多,颗粒粒度沿着厚度方向(即回转半径方向)的分布差异呈逐渐缩小趋势。

图4 不同级配物料的滤饼分层颗粒粒度分布Fig．4 Size distributions of cake layered in different graduation

由于滤饼的孔隙大小及孔隙率取决于滤饼的物料粒度及组成,组成滤饼的物料粒度越小,滤饼孔隙率越小,过滤介质被阻塞的几率越大[16]。徐新阳等[17]通过实验证明：真空过滤的物料比表面积增加2．29倍,滤饼比阻增加了10倍。因而,微细颗粒的含量是影响过滤脱水效果的重要因素。

2.3 滤饼粒度分布对滤饼过滤速度的影响

滤饼过滤的过滤速度[18]为

式中,Q为滤液的体积流量;AF为过滤面积;Δp为流体通过滤饼层的压力损失;h为滤饼厚度;η为滤液的动力黏度;α为滤层中的过滤比阻;dh为长度为h的典型毛细管的平均水力直径;Vp,Ap分别为滤层中颗粒的体积和表面积;ε为滤层的孔隙率。

对于压滤过程,滤饼内部颗粒的粒度沿厚度方向呈均匀分布,因此滤饼中不同部位的孔隙率ε、床层颗粒体积比表面积的倒数Vp/Ap,以及平均水力半径dh可近似为常数,则根据式(6)确定的压滤滤饼中的过滤比阻沿着厚度方向也应是均匀分布的。

对离心过滤过程,由于滤饼中颗粒粒度分布沿滤饼厚度方向存在很大差异,因此离心滤饼层中,不同半径处的ε,Vp/Ap,dh是变化的,即离心过滤形成的滤饼的ε,Vp/Ap以及dh是半径或位置的函数。则根据式(6),离心过滤的滤饼过滤比阻也是半径或位置的函数。由图3(a),4可知,随着半径的增大,离心过滤滤饼层中颗粒的平均粒度逐渐增大,则滤层的孔隙率ε以及滤层颗粒的Vp/Ap亦应增大。基于毛细结构模型的颗粒层的水力半径dh也增大。因此,根据式(6)确定的离心过滤滤饼的过滤比阻沿着半径增大的方向而降低。

根据上述分析,离心过滤滤饼的比阻确定及影响存在复杂性。进一步研究和建立离心过滤滤饼的比阻α与滤层颗粒分布及孔隙结构的函数模型,对于发展离心过滤理论和技术具有积极的意义。

3 结 论

(1)滤饼水分的分层分析表明：机械压滤形成的滤饼,其水分沿着滤饼厚度基本没有变化,而离心过滤的滤饼水分沿着厚度或半径方向存在一定的梯度变化。

(2)滤饼粒度的分层分析表明：机械压滤形成的滤饼沿厚度方向的粒度分布总体比较均匀;而离心过滤形成的滤饼沿厚度方向的粒度分布不均匀,随着半径的增大,即越靠近滤网,粗颗粒的相对含量越高,颗粒层的平均粒度变大。

(3)离心过滤滤饼的径向粒度变化受入料粒度组成的影响。随着入料中细颗粒含量的增加,滤饼沿厚度方向的粒度分布差异呈现减小的趋势;在离心过滤过程中,滤饼层对小于滤网孔径的细颗粒的截留与回收发挥着重要的作用。

(4)滤饼的过滤比阻分析表明：压滤滤饼层中的过滤比阻分布是均匀的;离心过滤的滤饼层的过滤比阻随着滤饼层所在半径的增大具有降低的趋势;离心过滤滤饼的过滤比阻的确定及影响存在复杂性。

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Particle size distribution of fine coal cake in filtering centrifuge and press filter and its influences on specific filtering resistance

WANG Xue-wei1,ZHANG Wen-jun1,2,HU Ge-wei1,YU Yue-fa1,WU Zhi-hong1

(1.School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In order to study the forming mechanism differences of filter cake under centrifugal force and mechanical stress,the particle size distribution of cakes from the press filter and filtering centrifuge were analyzed by stratified sampling,and the influences of feed grain-size composition on the particle distribution of cake in filtering centrifuge were studied in detail．Results indicate that the particle size distribution and moisture content in the cakes of press filter are uniform,while that of filtering centrifuge changes gradually．The nearer the particles are to the screen,the coarser the average particle size is,and the higher the cake moisture．Moreover,the feed particle size distribution influences the particle size distributions of the filtering centrifuge cake significantly．Due to the particle size distribution of cakes, it can be inferred that the specific filtration resistance in pressure filter cake is relatively uniform and can be treated as constant,but it decreases with the increase of cake radius in filtering centrifuge．It also shows that the recovery of fines smaller than screen mesh depends mainly on the cake bed structure in filtering centrifuge．

coal slime;centrifugal filtration;pressure filter;cake size distribution;specific resistance of filter cake

TD926．2

A

0253-9993(2014)10-2087-05

2014-04-14 责任编辑：张晓宁

国家自然科学基金资助项目(51174204);江苏省优势学科平台建设经费资助项目

王雪伟(1988—),男,湖北随州人,硕士研究生。E-mail：xueweiwangchina@163．com。通讯作者：张文军(1970—),男,陕西宝鸡人,副教授,博士。Tel：0516-83884390,E-mail：zwjcumt@sina．com

王雪伟,张文军,胡格伟,等．煤泥离心过滤和机械压滤的滤饼层粒度分布及其影响[J]．煤炭学报,2014,39(10)：2087-2091．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．0496

Wang Xuewei,Zhang Wenjun,Hu Gewei,et al．Particle size distribution of fine coal cake in filtering centrifuge and press filter and its influences on specific filtering resistance[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：2087-2091．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．0496