濕排粉煤灰的脫水—自然沉降法脫水

  火力發(fā)電廠采用水力除會(huì)時(shí)，粉煤灰在水中呈懸浮液。懸浮液中粉煤灰與水的重量比，稱為固液比。實(shí)際生產(chǎn)中，粉煤灰懸浮液的固液比一般為1：20~1:40（即粉煤灰含水率高達(dá)95%以上）。

  粉煤灰房建材料在生產(chǎn)過程中對(duì)粉煤灰的含水率均有一定要求，必須經(jīng)過脫水處理后方可使用。目前采用的脫水方法，按其工作原理可分為三類：自然沉降法、自然沉降一真空抽水法和濃縮—真空過濾法。在國外尚有濃縮—離心過濾法?，F(xiàn)分述如下：

 

 一、粉煤灰在懸浮液中的自然沉降法特點(diǎn)

  自然沉降法脫水，是利用粉煤灰懸浮液中粉煤灰顆粒的重力作用使之從液相（水）中沉淀下來的原理，把澄清水由已沉淀的粉煤灰上部排除，從而獲得含水率適當(dāng)?shù)姆勖夯以稀?/span>

  自然沉降法脫水，可利用自然坑地、洼地，也可自建間歇作業(yè)的沉灰池。

  粉煤灰顆粒在懸浮液中等速沉降的速度，稱為水力沉速。它與粉煤灰的比重、顆粒大小、水的溫度和粘度等因素相關(guān)。當(dāng)粉煤灰粒徑小于0.1mm時(shí)，其水力沉速的理論計(jì)算公式如下：

Vo=18000η(d2（δa—δw）)

 

式中  V0—水力沉速，mm/s；

      δa—粉煤灰的密度，kg/m3，一般為2000~2300kg/m；

      δw—水的密度，取1000kg/m3；

      d—灰粒直徑，mm；

      η—水的粘度，kg*s/m2。

  從理論公式中可已看出，粉煤灰顆粒（以下簡稱灰粒）越細(xì)，直徑越小，則V0值越小，6上，在沉降過程中灰粒相互間和灰粒與器壁之間由于摩擦、碰撞而產(chǎn)生的機(jī)械阻力，也將影響水力沉速；同時(shí)同一種類的粉煤灰，當(dāng)固液比小時(shí)，水力沉速快；固液比大時(shí)，水力沉降速慢。因此粉煤灰懸浮液中灰粒的水力沉速很難用公式計(jì)算，通常均用“量筒測(cè)定法”快速測(cè)定。

  量筒測(cè)定法用的量筒為貼有毫米方格紙條、容量為1000ml的量筒。試驗(yàn)方法是將量筒置于光線充足的地方，然后將粉煤灰懸浮液注滿量筒。記下液面毫米數(shù)，再用玻璃將懸浮液攪渾。當(dāng)液柱頂面澄清區(qū)開始出現(xiàn)時(shí)，立即用秒表開始計(jì)時(shí)，待過渡區(qū)消失到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)立即按秒表停止計(jì)時(shí)，同時(shí)記錄臨界點(diǎn)毫米數(shù)，量出沉清區(qū)高。粉煤灰水力沉速按下式計(jì)算：

V0=t(ι)

 式中 V0—粉煤灰水力沉速，mm/s；

      Ι—懸浮液沉清區(qū)高度，mm；

       t—粉煤灰沉降到達(dá)臨界點(diǎn)的時(shí)間，s。

  灰粒在粉煤灰懸浮液（以下簡稱灰水）中沉降的過程，出現(xiàn)分區(qū)現(xiàn)象，即由上至下形成由大小不同灰粒組成的濃度不同的各分層，下層較上層的顆粒與濃度逐漸增大。從靜置沉降現(xiàn)象觀察（圖2-1），沉降過程中灰水分為澄清區(qū)、沉降區(qū)、過渡區(qū)和壓縮區(qū)。延長靜置時(shí)間，當(dāng)沉降區(qū)和過渡區(qū)開始消失時(shí)，便出現(xiàn)明顯的固、液分界面，該固界面稱為臨界點(diǎn)。從粉煤灰懸浮液沉降曲線圖（圖2-2）可以看出：在臨界點(diǎn)A出現(xiàn)以前，灰水沉清速度主要取決于沉降區(qū)的灰粒水力沉速；臨界點(diǎn)出現(xiàn)以后，灰水沉清速度則主要取決于壓縮區(qū)的灰粒水力沉速。當(dāng)沉清區(qū)與壓縮區(qū)分界面恒定時(shí)，沉降過程結(jié)束，此時(shí)稱為壓縮終止點(diǎn)。灰粒在沉降區(qū)的水力沉速要比壓縮區(qū)的大得多，這是因?yàn)閴嚎s區(qū)的固液比很大所致。因此，自臨界點(diǎn)出現(xiàn)至壓縮終止點(diǎn)，需要相當(dāng)長時(shí)間。

 

  現(xiàn)將粉煤灰懸浮液沉降特性測(cè)定實(shí)例列示如下：

 （1）北京熱電廠粉煤灰懸浮液沉降特性見表2-1。

北京熱電廠粉煤灰懸浮液沉降特性        表2-1

編號(hào)	灰水濃度（固液比	臨界點(diǎn) （min）	壓縮終止點(diǎn) （min）	沉降區(qū)水力沉速 （min/s）	壓縮區(qū)粉煤灰含水率（%)
					臨界點(diǎn)	壓縮終止點(diǎn)
1	1:20	5	9	0.990	65	57.8
2	1:18	8	12	0.608	63.3	56.7
3	1:10	8	16	0.540	61.2	52.9

 （2）武漢青山熱店電廠粉煤灰懸浮液沉降區(qū)水力沉速，當(dāng)灰水固液比為1:18時(shí)為0.668mm/s。

  灰粒在水中沉降，灰水可以是靜態(tài)的，即灰水靜止不動(dòng)而灰粒沉降；也可以是動(dòng)態(tài)的，即灰粒在灰水的流動(dòng)過程中邊沉降變流動(dòng)。自然沉降法脫水可依據(jù)這兩種情況，采用不同的操作方法。

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　　二、灰水間斷地灰水靜止?fàn)顟B(tài)脫水沉灰池

　　灰水間斷地注入沉灰池，當(dāng)沉灰池注滿灰水進(jìn)口，開始靜置自然沉淀脫水，靜置至出現(xiàn)壓縮終止點(diǎn)后放出上部沉清區(qū)的水，壓縮區(qū)的積灰層留在池底，依次依次地分層積灰至沉灰池有效積灰高度止，即可挖灰使用。

　　1.沉灰池尺寸的確定

　　池子的高度：　　　　　　　　H=h1+h2+h3

式中　　H—池子的蓋度，m,一般為3~.5m；

　　　　h1—清水層的高度，m，一般為1~1.2m；

　　　　h2—積水層的高度，m，一般為1.3~2m；

　　　　h3—進(jìn)灰渠道的高度，m。

　　池子的有效高度：

　　根據(jù)粉煤灰房建材廠日用灰量所需的積灰層容積；

 　　　　　　　
　　　　　

   

式中　　Vr —工廠日用灰量所需的積灰層容積，m3/d；

　　　　Qr — 工廠干灰日用量，t/d；

　　　　Wa— 積灰層粉煤灰含水率，%一般絕對(duì)水分為100%左右，相對(duì)水分為50%左右；

　　　　Ra —積灰層粉煤灰密度，t/m3

　　沉灰池寬度B一般為5~15m，長度，L=F/B。當(dāng)采用電靶出灰時(shí)一般L=(3~4)B

　　2.每一沉灰池注灰水的累積時(shí)間

　　每次注灰水后積灰層的厚度：
　　　　　
　　　　　

式中　　hｉ—每次積灰層的厚度，m；

　　∑hｉ——前幾次積灰層厚度的總和，m；

　　q—灰水平均含水率，t，m3

　　Hf、wa、ra —— 同前式。

每次注水所需時(shí)間：
　　　　
　　　　　

式中　　ti—每次注灰水所需時(shí)間，h活min；

　　Qa—電廠排灰管平均流量，m3/h或m3/min。

　　每一次沉灰池注灰水的積累時(shí)間：

　　　　　

3.每次注灰水積灰后排出清水量

4.每一沉灰池脫水操作周期

式中  T—每一灰池脫水操作周期（h）；

　　　∑tf —— 各次注灰水后靜置自然沉降脫水時(shí)間的總和。（h），tf為每次注水后自然沉降脫水時(shí)間，一般為30~40min。由于粉煤灰是多孔結(jié)構(gòu)，蓄水性能強(qiáng)，靜止脫水時(shí)間過長并明顯提高脫水效果（表2—2）　　　　　∑tf =（30—40）n，n為每一次沉灰池脫水操作周期內(nèi)注水沉降脫水的次數(shù)；

　　　∑tw—各次排出清水所需時(shí)間的總和，h；

式中　tw—各次排出清水所需時(shí)間，h；

　　　∑f—各次排出清水時(shí)開啟水孔面積的總和。M2；

　　　Uw—放水孔平均流速，m/s，可取1~1.5m/s

5.進(jìn)灰水渠道的設(shè)計(jì)參數(shù)

　　灰水在渠道中的不勛流速vk值取1.2m/s，渠道坡度取i=0.005。

　　渠道斷面尺寸：

　　　　　

式中　F—渠道有效斷面積，m2；

　　　Q—電廠灰水平均流量，m3/s；

　　　b—渠道有效寬度，m；

　　　0.3—渠道中灰水流的高度為0.3m（渠道高度H=0.5m）。

 

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三、灰水流動(dòng)狀態(tài)脫水深灰池

灰水流動(dòng)狀態(tài)的脫水是灰水由沉灰池的一端進(jìn)入，澄清水由另一端溢流排出的連續(xù)作業(yè)，灰粒在灰水流中邊流動(dòng)邊沉降。在沉灰池中灰水分為兩帶，上層灰水流動(dòng)部分稱為流動(dòng)帶，下層靜止沉降積灰部分稱為靜置帶（圖2-3和圖2-4）。沉灰池中粗、重顆粒，由于水力沉速快，穿過運(yùn)動(dòng)帶的時(shí)間很短，被灰水流攜帶向溢流口移動(dòng)的距離也很短，故在沉灰池進(jìn)口處快速沉降，而形成一個(gè)坡向溢流口的斜面。灰水不斷引進(jìn)，澄清水溢流，斜面積灰層逐漸增高，待溢流水中含灰量超過允許限度（<0.1）時(shí)就關(guān)閉灰水進(jìn)口閘門，再靜置一段時(shí)間后，入出澄清水就可以挖灰使用。

1．沉灰池尺寸的確定

灰水在運(yùn)動(dòng)帶的流速：

式中　V1——灰水在運(yùn)動(dòng)帶的流速，m/s；

　　　Qa——注入灰水池的灰水流量，m3/s；

　　　H1——運(yùn)動(dòng)帶的高度，m，一般為0.5~1m；

　　　 B——沉灰池的寬度，m，一般為5~9m。

灰粒穿過運(yùn)動(dòng)帶上沉所需的時(shí)間：

式中　 t——灰粒穿過運(yùn)動(dòng)帶上沉所需的時(shí)間，s；

　　　v0——溢流中較大灰粒的水力沉速，m/s。

在t時(shí)間內(nèi)，灰粒所走的水平距離：

式中　L2——灰粒在灰池內(nèi)所走的水平距離，m。

沉灰池的長度：

式中　L——沉灰池的長度，m；

　　　L2——沉灰池的工作部分長度，m。

沉灰池工作部分長度：

式中　F，Vr——與前述公式中的意義和計(jì)算方法相同；

　　　　　h——積灰層高度，m，一般為1.5~3m。

　　沉灰池的高度根據(jù)挖灰的方式而定，一般為2.5~3m。

2．每一灰池脫水操作周期

積滿一池灰所需的時(shí)間：

式中　　　　　　　Ti——積滿一池灰所需時(shí)間，h或min；

　　　γa、Qa、q、Wa——與前述公式中的意義相同。

第一灰池脫水操作周期：

式中　 T——每一灰池脫水操作周期，h；

　　　 Tf——灰池積灰后靜置脫水時(shí)間，h；

　　　TW——放出靜置后澄清水的時(shí)間，h。

根據(jù)工廠用灰量一般設(shè)置3~4個(gè)沉灰池循環(huán)使用，一池注灰水沉降，一池靜置脫水，一池挖灰使用，或另設(shè)一池備用。當(dāng)采用第一種方法脫水時(shí)，為使電廠灰水能連續(xù)供應(yīng)，可兩池交替注灰水沉降脫水。

四、兩種自然沉降脫水方法的比較

第一種靜態(tài)脫水方法操作較繁瑣，但澄清水中的含灰量能符合排污要求。第二種動(dòng)態(tài)脫水方法，如要確保溢流水達(dá)到排污要求，則L2段需很長，池子的有效利用容積偏低。

由于粉煤灰房建材料企業(yè)用灰量與電廠供灰量不可能平衡，電廠不可避免地仍需設(shè)置排灰場(chǎng)，此時(shí)如果選用第一種脫水方法，當(dāng)沉灰池停止注灰水時(shí)，灰水則可由渠道引至電廠排灰場(chǎng)；如選用第二種脫水方法時(shí)，沉灰池長度可適當(dāng)縮短，含灰量較大的溢流水可引入電廠排灰場(chǎng)。為適應(yīng)這種情況，粉煤灰房建材料廠的沉灰池應(yīng)設(shè)在電廠排灰場(chǎng)附近。

五、自然沉降脫水法的適應(yīng)范圍

自然沉降脫水法存在以下問題：

1．沉降脫水后的粉煤灰停水率仍高達(dá)50%以上，不能在生產(chǎn)中直接使用，還必須在貯棚內(nèi)堆置晾干或采取其他方式進(jìn)一步脫水。

2．含水率不均勻，對(duì)粉煤灰房建材料生產(chǎn)過程中的配料準(zhǔn)確性帶來不利影響。

3．雨季及北方冬季取灰困難。

4．由于沉灰池是利用物料自身重力沉降脫水，而粉煤灰的粒徑不一，特別是當(dāng)電廠灰渣混排時(shí)，沉灰池內(nèi)顆粒分級(jí)現(xiàn)象嚴(yán)重。灰水進(jìn)口端灰粒較粗，含渣量大，靠近溢流口處灰細(xì)而無渣。灰渣的粒徑對(duì)粉煤灰房建材料的質(zhì)量影響很大，因此，必須對(duì)脫水后的粉煤灰進(jìn)行勻化處理，而勻化處理的工藝和設(shè)備卻十分復(fù)雜。

基于以上問題，自然沉降脫水法只適應(yīng)于小型企業(yè)或特殊情況，不是現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的方向。