關(guān)于召開 2024 山西省煤炭學(xué)會煤礦智能化委員會年會暨千人智庫科創(chuàng)服務(wù)站工作會的通知

一、立項原因

為了達到公司節(jié)能降耗要求，環(huán)保分公司認真分析水廠工藝流程，對云岡污水處理廠的儲藥裝置進行改造。云岡污水處理廠絮凝劑（PAC、PAM）投加工藝為：

1.將固體絮凝劑和清水加入攪拌罐中。

2.進行一定時間的攪拌使絮凝劑在水中充分的混合。

3.濃度達到標準后將溶液存于儲液箱中備用。

我們在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)藥液在儲液箱內(nèi)容易發(fā)生沉淀，導(dǎo)致藥液固體濃度降低，污水脫泥效果不佳；并且藥液沉淀會結(jié)塊堵塞加藥管道和液位計，一段時間后會在儲液箱底部板結(jié)，需要頻繁清理儲液箱底部沉淀。

為了解決這個問題，我們查閱了相關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)可以解決這一問題的研究成果。

我們收集了相關(guān)資料，構(gòu)思了增加刮板機、機械攪拌、磁力攪拌、鼓風(fēng)攪拌這4種方法來解決該問題，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，討論后決定選用增加機械攪拌的方式來防止溶液沉淀，在原儲液罐的頂部安裝了一臺機械攪拌裝置。

二、研究或革新內(nèi)容及創(chuàng)新點

2.1、技術(shù)介紹

云岡污水處理廠設(shè)計處理能力4000m³/d，統(tǒng)計2020年7月至9月云岡污水處理廠運行數(shù)據(jù)，平均處理5350m³/d，超出設(shè)計能力33.75%。故實際生產(chǎn)中加藥量大，藥劑濃度高，藥液為懸濁液，靜置后會沉淀。

為了解決這個問題，我們利用機械攪拌來保證藥劑在分散系中均勻分布，在原PAC、PAM儲液箱（長×寬×高均為1×1×1.1m）的頂部各安裝了一臺攪拌裝置，如圖1所示。在儲液罐頂部中心位置焊接一塊5mm厚鋼板（長150mm、寬150mm），鋼板中間有直徑D=70mm圓孔，鋼板上穩(wěn)裝攪拌機減速機和電機，攪拌桿從圓孔中穿過，攪拌葉距容器底部有一定距離。

                                                                                           

圖1：儲液箱改造前后對比示意圖

1-觀察口，2-儲液箱箱體，3-絮凝劑藥液，4-藥液投放管路，5-攪拌機電機，

6-攪拌機減速機，7-攪拌機攪拌桿，8-攪拌葉

 

2.2、設(shè)備選型與計算：

2.2.1選擇葉片

常用的攪拌葉輪如圖2所示

                                                                      

圖2：常用的攪拌葉輪

a.螺旋槳葉輪，b.槳式葉輪，c.渦輪式葉輪，d.分散型葉輪（鋸齒圓盤葉輪），

e.錨式葉輪，f.帶狀葉輪

a.螺旋槳葉輪

螺旋槳葉輪有3個葉片，葉片具有一定的螺旋角，其端部圓周速度通常為5～15m/s。葉輪旋轉(zhuǎn)時，向前（或向后）擠壓流體沿軸向排出，在罐內(nèi)循環(huán)。

這種攪拌葉輪的排出能力較強，主要用于液～液系統(tǒng)的混合、均勻溫度以及防止液～固系統(tǒng)的低濃度漿液發(fā)生沉淀。通常情況下，螺旋槳直徑為攪拌罐直徑的0.1～0.3倍。一般適于介質(zhì)粘度為2～3Pa?s。攪拌器轉(zhuǎn)速一般為200～400r/min，機械緊湊。為了防止形成水平旋流、提升攪拌效果，通常情況下要安裝擋板、導(dǎo)管，或采取偏心和傾斜的安裝方法。使用擋板或?qū)Ч芸梢缘玫捷^好的軸向流。偏心安裝更多見于小型（0.1～1.5kW）便攜式的攪拌設(shè)備。

b.槳式葉輪

槳式葉輪結(jié)構(gòu)簡單，細長的、連續(xù)的板狀葉片焊、鉚在輪轂上或?qū)A在攪拌軸上，因而價格低。通常，每個葉輪有2個葉片。實際應(yīng)用中通常采用大直徑低轉(zhuǎn)速葉輪，剪切作用不大。由于可用大直徑的葉輪，故可用于高粘度介質(zhì)的攪拌，粘度可達50Pa·s。此時，為了使罐內(nèi)上、下層介質(zhì)易于交換，往往采用有3～5段的多段葉輪，或在槳葉上安裝如圖1（b）所示的橫向葉片。

一般，槳式葉輪主要用于液～液系統(tǒng)以均勻溫度、防止介質(zhì)分離為目的的攪拌，以及用于液～固系統(tǒng)用來防止固體物的沉降。不適用于以介質(zhì)微細化為目的的攪拌。

c.渦輪式葉輪

渦輪式葉輪通常有4～6個葉片，葉片可有不同的安裝角度。葉片垂直安裝的稱之為平直渦輪式葉輪；葉片傾斜安裝的稱之為折葉渦輪式葉輪，如圖1（c）所示。

折葉渦輪式葉輪是軸流式葉輪，軸向引入液體，軸向排出，形成上下有效的循環(huán)。對于要求有較大循環(huán)量，即排出量的液～液、液～固系統(tǒng)的攪拌，如均勻混合、反應(yīng)、傳熱等場合，這是一種很有效的攪拌葉輪。

從渦輪葉輪的使用情況看，葉輪直徑/罐直徑大體為0.25～0.5，轉(zhuǎn)速大約在50～300r/min的范圍適應(yīng)的流體粘度最高達30Pa·s。

d.分散型葉輪(鋸齒圓盤葉輪)

在金屬圓盤的外緣鑲裝鋸齒形的葉片見圖1（d），通過高速回轉(zhuǎn)，可在葉輪鋸齒狀葉片周圍得到極高的剪切力。這種葉輪的轉(zhuǎn)速范圍通常為500～3000r/min，圓周速度達15～30m/s。對低粘度流體，葉輪直徑與罐徑之比大約為0.25～0.35，這個比值隨著粘度增加而變大，但最大不能超過0.5。

這種葉輪可用于高剪切力、流體高度分散細化的場合，如液～液的樹脂混合；固～液系統(tǒng)高嶺土、粘土等分散混合等。由于大部分能量消耗于產(chǎn)生剪切力而轉(zhuǎn)換成熱量，這就會使罐內(nèi)流體溫度上升。若要求流體溫度不宜升高，則需采取冷卻措施（夾套等）。

e.錨式葉輪

如圖1（e）所示，這類葉輪的葉、罐直徑比比較大，大都以低轉(zhuǎn)數(shù)回轉(zhuǎn)。流動形式以水平旋轉(zhuǎn)流為主，流體排量大，但剪切作用不大。錨式葉輪使在罐壁附近的流體流速比較大，因而傳熱效果較好。從攪拌效果分析，在攪拌軸附近存在著沒有攪拌的部分。一般，錨式葉輪可用于夾套散熱、晶析等目的。由于葉輪較大，也可用于高濃度和沉降性較大漿液的攪拌。

從使用的情況分析，葉輪直徑和罐直徑的比值，對于攪拌低粘度流體，為0.7～0.9；對于攪拌高粘度流體，為0.8～0.95。適宜的轉(zhuǎn)數(shù)范圍為10～50r/min，適應(yīng)的粘度范圍由低粘度到200～300Pa·s。

f.帶狀葉輪

帶狀葉輪或稱螺線葉輪，是將細長的帶狀金屬板依一定的螺旋形狀卷制而成。一般，金屬帶的寬度約為葉輪直徑的5%～15%。2根帶的葉輪多一些，見圖1（f）。葉輪直徑和罐直徑的比值比較大，可達0.9以上，甚至和罐壁只有很小間隙。

這種葉輪勝任對更高粘度流體的攪拌，如對合成橡膠、合成樹脂及其原料制備時需要攪拌的場合，也適合粉狀體、泥狀物的攪拌，但不適合沒有粘附性、易于分散細化的物料和粘度低的漿液。

儲液箱現(xiàn)有檢查口位置偏離箱體中心，藥液粘度為5.3×10^-3～10.7×10^-3Pa?s，高溫會加速藥液變質(zhì)，物料顆粒越分散越好?？紤]到以上條件，選用螺旋槳葉輪。螺旋槳葉輪直徑小，機械緊湊，循環(huán)流量大，可安裝在現(xiàn)有檢查口偏儲液箱中心位置處。既不需要破壞箱體，也對檢查口效用影響不大，同時偏心安裝有利于液體流動，攪拌效果好。而且螺旋槳葉輪轉(zhuǎn)速較高，物料顆粒分散效果好。

2.2.2攪拌葉輪的設(shè)計

1.葉輪直徑的設(shè)計

通常情況下，螺旋槳直徑為攪拌罐直徑的0.2～0.5倍，0.33倍居多?，F(xiàn)場儲液罐為方罐，邊長，取其等效圓罐直徑D為1000～1000mm，則螺旋槳直徑為200mm～707mm，取螺旋槳直徑為400mm。

2.段數(shù)

液深與罐徑之比在1±0.2范圍內(nèi)，且流體粘度較低，所以只需1段葉輪。

3.葉輪安裝位置

對于低粘度的液～液攪拌，當(dāng)液深與罐徑之比在1±0.2范圍內(nèi)，需1段葉輪時，葉輪應(yīng)安裝在距攪拌罐底0.1～0.2液深的位置。取葉輪距攪拌罐底200mm。

2.2.3攪拌功率的計算

攪拌功率由下式計算：

      kW

式中：N_p——功率準數(shù)，是一無因次數(shù)；

n——回轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；

D_i——葉輪直徑，m；

d——液體密度，kg/m³；

g_c——重力換算系數(shù)，（kg·m）/（kg·s²）。

Np受葉輪形狀、幾何條件、擋板情況等影響，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。

 

當(dāng)Re> 10⁴時，罐內(nèi)為湍流，N_p幾乎是一個定值。查N_p與Re關(guān)系圖得N_p=0.35。

攪拌功率：

 

考慮工作環(huán)境溫度為25℃，溫度修正系數(shù)K_t=1.1，安全系數(shù)取K_n=1.2，減速機機械效率η取95%，攪拌電機功率P_N：

 

因沒有對應(yīng)功率電機，就近取攪拌電機功率P_N=0.75kW。

 

                                                                                   

圖3：質(zhì)量分數(shù)為4%的PAC藥液靜置過程圖

1-充分攪拌，2-靜置30min，3-靜置1h，4-靜置2h，5-靜置3h，

6-靜置6h，7-靜置12h，8-靜置24h

通過實驗確定藥劑沉降時間，進而確定攪拌機啟動頻率。我公司選用的PAC藥劑中水不溶物質(zhì)量分數(shù)為1.8%～2.3%，藥液中PAC的質(zhì)量分數(shù)為2.5%～10%，經(jīng)過實驗室進行的微型實驗，測定質(zhì)量分數(shù)為2.5%～10%的藥液在靜置19~32min后出現(xiàn)了的沉淀，1.5h～3h時沉淀不再增加。濃度越高沉淀出現(xiàn)得越快，沉淀的量也越大。

                

圖4：質(zhì)量分數(shù)為0.1%的PAM藥液靜置過程圖

1-充分攪拌，2-靜置30min，3-靜置1h，4-靜置2h，5-靜置3h，

6-靜置6h，7-靜置12h，8-靜置24h

我公司選用的PAM藥劑中水不溶物質(zhì)量分數(shù)為1.2%～1.5%，藥液中PAM的質(zhì)量分數(shù)為0.06%～0.25%，經(jīng)過實驗室進行的微型實驗，測定質(zhì)量分數(shù)為0.06%～0.25%的藥液在靜置24~38min后出現(xiàn)了的沉淀，2h～2.5h時沉淀不再增加。濃度越高沉淀出現(xiàn)得越快，沉淀的量也越大。

                            

圖5：PAC、PAM藥液沉淀圖

1-PAC藥液沉淀圖，2- PAM藥液沉淀圖

2.3、儲液箱攪拌加藥技術(shù)的創(chuàng)新特點：

● 藥液濃度穩(wěn)定且可控

● 工作強度小

● 節(jié)約藥劑

● 藥劑利用率高

● 設(shè)備材料損耗小

 

圖6：儲液箱改造效果圖

      圖7：儲液箱攪拌機細節(jié)圖