濕排粉煤灰的脫水—自然沉降法脫水

  火力發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過程中對粉煤灰的含水率均有一定要求，必須經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。現分述如下：

 

 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的粉煤灰原料。

  自然沉降法脫水，可利用自然坑地、洼地，也可自建間歇作業的沉灰池。

  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。當粉煤灰粒徑小于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，再用玻璃將懸浮液攪渾。當液柱頂面澄清區開始出現時，立即用秒表開始計時，待過渡區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，量出沉清區高。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，出現分區現象，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。從靜置沉降現象觀察（圖2-1），沉降過程中灰水分為澄清區、沉降區、過渡區和壓縮區。延長靜置時間，當沉降區和過渡區開始消失時，便出現明顯的固、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出現以前，灰水沉清速度主要取決于沉降區的灰粒水力沉速；臨界點出現以后，灰水沉清速度則主要取決于壓縮區的灰粒水力沉速。當沉清區與壓縮區分界面恒定時，沉降過程結束，此時稱為壓縮終止點。灰粒在沉降區的水力沉速要比壓縮區的大得多，這是因為壓縮區的固液比很大所致。因此，自臨界點出現至壓縮終止點，需要相當長時間。

 

  現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）	沉降區水力沉速 （min/s）	壓縮區粉煤灰含水率（%)
					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水力沉速，當灰水固液比為1:18時為0.668mm/s。

  灰粒在水中沉降，灰水可以是靜態的，即灰水靜止不動而灰粒沉降；也可以是動態的，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狀態脫水沉灰池

　　灰水間斷地注入沉灰池，當沉灰池注滿灰水進口，開始靜置自然沉淀脫水，靜置至出現壓縮終止點后放出上部沉清區的水，壓縮區的積灰層留在池底，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構，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注水沉降脫水的次數；

　　　∑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.進灰水渠道的設計參數

　　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、灰水流動狀態脫水深灰池

灰水流動狀態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作業，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，灰粒所走的水平距離：

式中　L2——灰粒在灰池內所走的水平距離，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。

根據工廠用灰量一般設置3~4個沉灰池循環使用，一池注灰水沉降，一池靜置脫水，一池挖灰使用，或另設一池備用。當采用第一種方法脫水時，為使電廠灰水能連續供應，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用灰量與電廠供灰量不可能平衡，電廠不可避免地仍需設置排灰場，此時如果選用第一種脫水方法，當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，沉灰池長度可適當縮短，含灰量較大的溢流水可引入電廠排灰場。為適應這種情況，粉煤灰房建材料廠的沉灰池應設在電廠排灰場附近。

五、自然沉降脫水法的適應范圍

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，不能在生產中直接使用，還必須在貯棚內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，特別是當電廠灰渣混排時，沉灰池內顆粒分級現象嚴重。灰水進口端灰粒較粗，含渣量大，靠近溢流口處灰細而無渣。灰渣的粒徑對粉煤灰房建材料的質量影響很大，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備卻十分復雜。

基于以上問題，自然沉降脫水法只適應于小型企業或特殊情況，不是現代企業發展的方向。