火力發(fā)電廠采用水力除會時,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95%以上)。
粉煤灰房建材料在生產(chǎn)過程中對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
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,其水力沉速的理論計算公式如下:
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,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)生的機械阻力,也將影響水力沉速;同時同一種類的粉煤灰,當(dāng)固液比小時,水力沉速快;固液比大時,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算,通常均用“量筒測定法”快速測定。
量筒測定法用的量筒為貼有毫米方格紙條、容量為1000ml的量筒。試驗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,立即用秒表開始計時,待過渡區(qū)消失到達臨界點時立即按秒表停止計時,同時記錄臨界點毫米數(shù),量出沉清區(qū)高。粉煤灰水力沉速按下式計算:
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—粉煤灰沉降到達臨界點的時間,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)。延長靜置時間,當(dāng)沉降區(qū)和過渡區(qū)開始消失時,便出現(xiàn)明顯的固、液分界面,該固界面稱為臨界點。從粉煤灰懸浮液沉降曲線圖(圖2-2)可以看出:在臨界點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,沉降過程結(jié)束,此時稱為壓縮終止點?;伊T诔两祬^(qū)的水力沉速要比壓縮區(qū)的大得多,這是因為壓縮區(qū)的固液比很大所致。因此,自臨界點出現(xiàn)至壓縮終止點,需要相當(dāng)長時間。
現(xiàn)將粉煤灰懸浮液沉降特性測定實例列示如下:
(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 |
灰水濃度(固液比 |
臨界點 (min) |
壓縮終止點 (min) |
沉降區(qū)水力沉速 (min/s) |
壓縮區(qū)粉煤灰含水率(%) |
|
臨界點 |
壓縮終止點 |
|||||
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,即灰水靜止不動而灰粒沉降;也可以是動態(tài)的,即灰粒在灰水的流動過程中邊沉降變流動。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)沉灰池注滿灰水進口,開始靜置自然沉淀脫水,靜置至出現(xiàn)壓縮終止點后放出上部沉清區(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,%一般絕對水分為100%左右,相對水分為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)采用電靶出灰時一般L=(3~4)B
2.每一沉灰池注灰水的累積時間
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。
每次注水所需時間:
式中 ti—每次注灰水所需時間,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間的總和。(h),tf為每次注水后自然沉降脫水時間,一般為30~40min。由于粉煤灰是多孔結(jié)構(gòu),蓄水性能強,靜止脫水時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間的總和,h;
式中 tw—各次排出清水所需時間,h;
∑f—各次排出清水時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.進灰水渠道的設(shè)計參數(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、灰水流動狀態(tài)脫水深灰池
灰水流動狀態(tài)的脫水是灰水由沉灰池的一端進入,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邊沉降。在沉灰池中灰水分為兩帶,上層灰水流動部分稱為流動帶,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,穿過運動帶的時間很短,被灰水流攜帶向溢流口移動的距離也很短,故在沉灰池進口處快速沉降,而形成一個坡向溢流口的斜面。灰水不斷引進,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)時就關(guān)閉灰水進口閘門,再靜置一段時間后,入出澄清水就可以挖灰使用。
1.沉灰池尺寸的確定
灰水在運動帶的流速:
式中 V1——灰水在運動帶的流速,m/s;
Qa——注入灰水池的灰水流量,m3/s;
H1——運動帶的高度,m,一般為0.5~1m;
B——沉灰池的寬度,m,一般為5~9m。
灰粒穿過運動帶上沉所需的時間:
式中 t——灰粒穿過運動帶上沉所需的時間,s;
v0——溢流中較大灰粒的水力沉速,m/s。
在t時間內(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間:
式中 Ti——積滿一池灰所需時間,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間,h;
TW——放出靜置后澄清水的時間,h。
根據(jù)工廠用灰量一般設(shè)置3~4個沉灰池循環(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,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。第二種動態(tài)脫水方法,如要確保溢流水達到排污要求,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,此時如果選用第一種脫水方法,當(dāng)沉灰池停止注灰水時,灰水則可由渠道引至電廠排灰場;如選用第二種脫水方法時,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。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一步脫水。
2.含水率不均勻,對粉煤灰房建材料生產(chǎn)過程中的配料準確性帶來不利影響。
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,沉灰池內(nèi)顆粒分級現(xiàn)象嚴重?;宜M口端灰粒較粗,含渣量大,靠近溢流口處灰細而無渣?;以牧綄Ψ勖夯曳拷ú牧系馁|(zhì)量影響很大,因此,必須對脫水后的粉煤灰進行勻化處理,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。
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