湿排粉煤灰的脱水—自然沉降法脱水

  火力发电厂采用水力除会时，粉煤灰在水中呈悬浮液。悬浮液中粉煤灰与水的重量比，称为固液比。实际生产中，粉煤灰悬浮液的固液比一般为1：20~1:40（即粉煤灰含水率高达95%以上）。

  粉煤灰房建材料在生产过程中对粉煤灰的含水率均有一定要求，必须经过脱水处理后方可使用。目前采用的脱水方法，按其工作原理可分为三类：自然沉降法、自然沉降一真空抽水法和浓缩—真空过滤法。在国外尚有浓缩—离心过滤法。现分述如下：

 

 一、粉煤灰在悬浮液中的自然沉降法特点

  自然沉降法脱水，是利用粉煤灰悬浮液中粉煤灰颗粒的重力作用使之从液相（水）中沉淀下来的原理，把澄清水由已沉淀的粉煤灰上部排除，从而获得含水率适当的粉煤灰原料。

  自然沉降法脱水，可利用自然坑地、洼地，也可自建间歇作业的沉灰池。

  粉煤灰颗粒在悬浮液中等速沉降的速度，称为水力沉速。它与粉煤灰的比重、颗粒大小、水的温度和粘度等因素相关。当粉煤灰粒径小于0.1mm时，其水力沉速的理论计算公式如下：

Vo=18000η(d2（δa—δw）)

 

式中  V0—水力沉速，mm/s；

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

      δw—水的密度，取1000kg/m3；

      d—灰粒直径，mm；

      η—水的粘度，kg*s/m2。

  从理论公式中可已看出，粉煤灰颗粒（以下简称灰粒）越细，直径越小，则V0值越小，6上，在沉降过程中灰粒相互间和灰粒与器壁之间由于摩擦、碰撞而产生的机械阻力，也将影响水力沉速；同时同一种类的粉煤灰，当固液比小时，水力沉速快；固液比大时，水力沉降速慢。因此粉煤灰悬浮液中灰粒的水力沉速很难用公式计算，通常均用“量筒测定法”快速测定。

  量筒测定法用的量筒为贴有毫米方格纸条、容量为1000ml的量筒。试验方法是将量筒置于光线充足的地方，然后将粉煤灰悬浮液注满量筒。记下液面毫米数，再用玻璃将悬浮液搅浑。当液柱顶面澄清区开始出现时，立即用秒表开始计时，待过渡区消失到达临界点时立即按秒表停止计时，同时记录临界点毫米数，量出沉清区高。粉煤灰水力沉速按下式计算：

V0=t(ι)

 式中 V0—粉煤灰水力沉速，mm/s；

      Ι—悬浮液沉清区高度，mm；

       t—粉煤灰沉降到达临界点的时间，s。

  灰粒在粉煤灰悬浮液（以下简称灰水）中沉降的过程，出现分区现象，即由上至下形成由大小不同灰粒组成的浓度不同的各分层，下层较上层的颗粒与浓度逐渐增大。从静置沉降现象观察（图2-1），沉降过程中灰水分为澄清区、沉降区、过渡区和压缩区。延长静置时间，当沉降区和过渡区开始消失时，便出现明显的固、液分界面，该固界面称为临界点。从粉煤灰悬浮液沉降曲线图（图2-2）可以看出：在临界点A出现以前，灰水沉清速度主要取决于沉降区的灰粒水力沉速；临界点出现以后，灰水沉清速度则主要取决于压缩区的灰粒水力沉速。当沉清区与压缩区分界面恒定时，沉降过程结束，此时称为压缩终止点。灰粒在沉降区的水力沉速要比压缩区的大得多，这是因为压缩区的固液比很大所致。因此，自临界点出现至压缩终止点，需要相当长时间。

 

  现将粉煤灰悬浮液沉降特性测定实例列示如下：

 （1）北京热电厂粉煤灰悬浮液沉降特性见表2-1。

北京热电厂粉煤灰悬浮液沉降特性        表2-1

编号	灰水浓度（固液比	临界点 （min）	压缩终止点 （min）	沉降区水力沉速 （min/s）	压缩区粉煤灰含水率（%)
					临界点	压缩终止点
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）武汉青山热店电厂粉煤灰悬浮液沉降区水力沉速，当灰水固液比为1:18时为0.668mm/s。

  灰粒在水中沉降，灰水可以是静态的，即灰水静止不动而灰粒沉降；也可以是动态的，即灰粒在灰水的流动过程中边沉降变流动。自然沉降法脱水可依据这两种情况，采用不同的操作方法。

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　　二、灰水间断地灰水静止状态脱水沉灰池

　　灰水间断地注入沉灰池，当沉灰池注满灰水进口，开始静置自然沉淀脱水，静置至出现压缩终止点后放出上部沉清区的水，压缩区的积灰层留在池底，依次依次地分层积灰至沉灰池有效积灰高度止，即可挖灰使用。

　　1.沉灰池尺寸的确定

　　池子的高度：　　　　　　　　H=h1+h2+h3

式中　　H—池子的盖度，m,一般为3~.5m；

　　　　h1—清水层的高度，m，一般为1~1.2m；

　　　　h2—积水层的高度，m，一般为1.3~2m；

　　　　h3—进灰渠道的高度，m。

　　池子的有效高度：

　　根据粉煤灰房建材厂日用灰量所需的积灰层容积；

 　　　　　　　
　　　　　

   

式中　　Vr —工厂日用灰量所需的积灰层容积，m3/d；

　　　　Qr — 工厂干灰日用量，t/d；

　　　　Wa— 积灰层粉煤灰含水率，%一般绝对水分为100%左右，相对水分为50%左右；

　　　　Ra —积灰层粉煤灰密度，t/m3

　　沉灰池宽度B一般为5~15m，长度，L=F/B。当采用电靶出灰时一般L=(3~4)B

　　2.每一沉灰池注灰水的累积时间

　　每次注灰水后积灰层的厚度：
　　　　　
　　　　　

式中　　hｉ—每次积灰层的厚度，m；

　　∑hｉ——前几次积灰层厚度的总和，m；

　　q—灰水平均含水率，t，m3

　　Hf、wa、ra —— 同前式。

每次注水所需时间：
　　　　
　　　　　

式中　　ti—每次注灰水所需时间，h活min；

　　Qa—电厂排灰管平均流量，m3/h或m3/min。

　　每一次沉灰池注灰水的积累时间：

　　　　　

3.每次注灰水积灰后排出清水量

4.每一沉灰池脱水操作周期

式中  T—每一灰池脱水操作周期（h）；

　　　∑tf —— 各次注灰水后静置自然沉降脱水时间的总和。（h），tf为每次注水后自然沉降脱水时间，一般为30~40min。由于粉煤灰是多孔结构，蓄水性能强，静止脱水时间过长并明显提高脱水效果（表2—2）　　　　　∑tf =（30—40）n，n为每一次沉灰池脱水操作周期内注水沉降脱水的次数；

　　　∑tw—各次排出清水所需时间的总和，h；

式中　tw—各次排出清水所需时间，h；

　　　∑f—各次排出清水时开启水孔面积的总和。M2；

　　　Uw—放水孔平均流速，m/s，可取1~1.5m/s

5.进灰水渠道的设计参数

　　灰水在渠道中的不勋流速vk值取1.2m/s，渠道坡度取i=0.005。

　　渠道断面尺寸：

　　　　　

式中　F—渠道有效断面积，m2；

　　　Q—电厂灰水平均流量，m3/s；

　　　b—渠道有效宽度，m；

　　　0.3—渠道中灰水流的高度为0.3m（渠道高度H=0.5m）。

 

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三、灰水流动状态脱水深灰池

灰水流动状态的脱水是灰水由沉灰池的一端进入，澄清水由另一端溢流排出的连续作业，灰粒在灰水流中边流动边沉降。在沉灰池中灰水分为两带，上层灰水流动部分称为流动带，下层静止沉降积灰部分称为静置带（图2-3和图2-4）。沉灰池中粗、重颗粒，由于水力沉速快，穿过运动带的时间很短，被灰水流携带向溢流口移动的距离也很短，故在沉灰池进口处快速沉降，而形成一个坡向溢流口的斜面。灰水不断引进，澄清水溢流，斜面积灰层逐渐增高，待溢流水中含灰量超过允许限度（<0.1）时就关闭灰水进口闸门，再静置一段时间后，入出澄清水就可以挖灰使用。

1．沉灰池尺寸的确定

灰水在运动带的流速：

式中　V1——灰水在运动带的流速，m/s；

　　　Qa——注入灰水池的灰水流量，m3/s；

　　　H1——运动带的高度，m，一般为0.5~1m；

　　　 B——沉灰池的宽度，m，一般为5~9m。

灰粒穿过运动带上沉所需的时间：

式中　 t——灰粒穿过运动带上沉所需的时间，s；

　　　v0——溢流中较大灰粒的水力沉速，m/s。

在t时间内，灰粒所走的水平距离：

式中　L2——灰粒在灰池内所走的水平距离，m。

沉灰池的长度：

式中　L——沉灰池的长度，m；

　　　L2——沉灰池的工作部分长度，m。

沉灰池工作部分长度：

式中　F，Vr——与前述公式中的意义和计算方法相同；

　　　　　h——积灰层高度，m，一般为1.5~3m。

　　沉灰池的高度根据挖灰的方式而定，一般为2.5~3m。

2．每一灰池脱水操作周期

积满一池灰所需的时间：

式中　　　　　　　Ti——积满一池灰所需时间，h或min；

　　　γa、Qa、q、Wa——与前述公式中的意义相同。

第一灰池脱水操作周期：

式中　 T——每一灰池脱水操作周期，h；

　　　 Tf——灰池积灰后静置脱水时间，h；

　　　TW——放出静置后澄清水的时间，h。

根据工厂用灰量一般设置3~4个沉灰池循环使用，一池注灰水沉降，一池静置脱水，一池挖灰使用，或另设一池备用。当采用第一种方法脱水时，为使电厂灰水能连续供应，可两池交替注灰水沉降脱水。

四、两种自然沉降脱水方法的比较

第一种静态脱水方法操作较繁琐，但澄清水中的含灰量能符合排污要求。第二种动态脱水方法，如要确保溢流水达到排污要求，则L2段需很长，池子的有效利用容积偏低。

由于粉煤灰房建材料企业用灰量与电厂供灰量不可能平衡，电厂不可避免地仍需设置排灰场，此时如果选用第一种脱水方法，当沉灰池停止注灰水时，灰水则可由渠道引至电厂排灰场；如选用第二种脱水方法时，沉灰池长度可适当缩短，含灰量较大的溢流水可引入电厂排灰场。为适应这种情况，粉煤灰房建材料厂的沉灰池应设在电厂排灰场附近。

五、自然沉降脱水法的适应范围

自然沉降脱水法存在以下问题：

1．沉降脱水后的粉煤灰停水率仍高达50%以上，不能在生产中直接使用，还必须在贮棚内堆置晾干或采取其他方式进一步脱水。

2．含水率不均匀，对粉煤灰房建材料生产过程中的配料准确性带来不利影响。

3．雨季及北方冬季取灰困难。

4．由于沉灰池是利用物料自身重力沉降脱水，而粉煤灰的粒径不一，特别是当电厂灰渣混排时，沉灰池内颗粒分级现象严重。灰水进口端灰粒较粗，含渣量大，靠近溢流口处灰细而无渣。灰渣的粒径对粉煤灰房建材料的质量影响很大，因此，必须对脱水后的粉煤灰进行匀化处理，而匀化处理的工艺和设备却十分复杂。

基于以上问题，自然沉降脱水法只适应于小型企业或特殊情况，不是现代企业发展的方向。