【摘要】：針對(duì)礦井水中懸浮物含量高、粒度細(xì)、比重輕、沉降速度慢等特性,本文采用管道混合器與磁力旋流澄清器組合處理礦井水,研發(fā)了一種磁力旋流澄清器,在離心力場(chǎng)、重力場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)化分離的基礎(chǔ)上,獲得了快速生長(zhǎng)的高強(qiáng)度磁絮體,加速了沉降分離,提高礦井水處理效率,可以實(shí)現(xiàn)礦井水井下直接處理,可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試三措并舉,深入研究了磁力旋流澄清器內(nèi)磁絮體的生長(zhǎng)、受力及運(yùn)動(dòng)行為,探討了多物理場(chǎng)耦合下分離性能影響規(guī)律,獲得了優(yōu)化參數(shù),揭示了磁力旋流澄清器的沉降分離機(jī)理,對(duì)豐富旋轉(zhuǎn)流分離理論及工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。首先,通過理論分析建立磁力旋流澄清器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)方程,考慮磁種和磁場(chǎng)對(duì)絮凝效果的影響,對(duì)磁絮體在復(fù)合力場(chǎng)下進(jìn)行了受力分析,得出磁絮體的粒度、速度分布規(guī)律;在傳統(tǒng)絮凝動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上,建立了磁力旋流澄清器內(nèi)磁絮體的絮凝動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型;并結(jié)合斜板沉降機(jī)理,得到了錐盤處顆�？臻g規(guī)律性分布,完善了磁絮體的絮凝生長(zhǎng)和沉降分離理論。其次,根據(jù)建立的流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,全面分析了錐盤參數(shù)、進(jìn)口速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)中速度、湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率的影響規(guī)律,探討了剪切力、離心力和流體曳力對(duì)絮凝沉降影響,得到了適當(dāng)增大進(jìn)口速度、增加深度和筒體高度、減少錐盤間距均可以提高磁絮體的沉降分離性能,但當(dāng)參數(shù)過大或過小時(shí)會(huì)降低礦井水處理效果。最終得到優(yōu)化參數(shù)為:進(jìn)口速度2.31m/s、錐盤間距20mm、插入深度400mm、筒體高度600mm。再次,通過建立磁力旋流澄清器內(nèi)磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,得到磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律,結(jié)合流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,通過Comsol Multiphysics軟件中的流場(chǎng)模塊、磁場(chǎng)模塊和流體粒子追蹤模塊,對(duì)顆粒在流場(chǎng)、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)等復(fù)合力場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析,得到了流場(chǎng)內(nèi)顆粒的分布規(guī)律、受力大小和顆粒數(shù)量,并探討了錐盤、磁場(chǎng)以及磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度大小對(duì)顆粒分離效率的影響。結(jié)果表明:設(shè)置錐盤和磁場(chǎng)時(shí),可以使粒度大于60μm的顆粒完全沉降,減小溢流的顆粒數(shù)量,提高分離性能;隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大,顆粒受到沿器壁向外和向下的磁力增大,當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到200000A/m時(shí),粒度大于30μm的顆粒完全沉降,使磁力旋流澄清器分離性能進(jìn)一步提高。然后,搭建了磁絮凝礦井水處理試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn),分析了不同工況下磁力旋流澄清器內(nèi)不同位置磁絮體粒度分形維數(shù)、剪切破碎性能和沉降性能,探討了錐盤材料對(duì)錐盤處絮凝分離的影響,研究了底流排出流量大小對(duì)溢流和底流磁絮體沉降性能影響規(guī)律,得出在使用硅鋼片錐盤時(shí),進(jìn)口速度為2.31m/s、磁場(chǎng)大小為0.6A、底流流量為300mL/min時(shí),磁絮體沉降分離性能最佳。最后,通過試驗(yàn)研究了磁力旋流澄清器處理量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、進(jìn)口速度等操作參數(shù)以及插入深度、錐盤間距和筒體高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)絮凝沉降的影響,并對(duì)其內(nèi)3個(gè)截面、5個(gè)取樣點(diǎn)的ss去除率、濁度去除率和8種不同粒徑的顆粒數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究,優(yōu)化了磁力旋流澄清器內(nèi)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù),當(dāng)處理量為0.6m3/h時(shí),ss去除率為96.33%,濁度去除率為87.11%,顆粒數(shù)為9908 個(gè)/mL。在理論及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)開發(fā)了 15m3/h礦井水處理系統(tǒng),對(duì)某礦礦井水進(jìn)行了中試試驗(yàn)研究,出水ss小于50mg/L,ss去除率達(dá)到90%,底流濃度為80000mg/L。工業(yè)運(yùn)行結(jié)果表明磁力旋流澄清器可以處理礦井水并實(shí)現(xiàn)煤泥的回收,為礦井水高效處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及模擬放大提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD74
【圖文】：

進(jìn)磁絮體的絮凝碰撞，增加使磁絮體在復(fù)合力場(chǎng)和錐盤的的絮凝機(jī)理和復(fù)合力場(chǎng)下磁論，并根據(jù)磁絮體運(yùn)動(dòng)規(guī)律工藝中存在占地面積大、處道混合器＋磁力旋流澄清器組潛水栗送入管道混合器，并在（ＰＡＭ）混合絮凝，在混合絮，使生成的磁絮體因包含磁道混合器具有占地面積小、磁絮體，隨著粒徑變大磁絮

Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｓｗｉｒｌ邋ｃｌａｒｉｆｉｅｒ逡逑磁力旋流澄清器主要起磁絮體的絮凝成長(zhǎng)和分離沉淀作用，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)逡逑和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖２．２所示，其工作過程可分為４部分描述：逡逑（１）

在磁力旋流澄清器內(nèi)壁，此時(shí)繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度將不會(huì)進(jìn)一步提高磁絮體分離逡逑效率。磁絮體是否被吸附在磁力旋流澄清器內(nèi)壁與磁絮體徑向合力、軸向合力逡逑以及內(nèi)壁摩擦系數(shù)有關(guān)，其受力圖如圖２．３所示。逡逑／逡逑Ｆ，邋Ｆｊ；ｘ邋Ｆｄｘ逡逑Ｓ，＇廠逡逑＾邋＇＇Ｆｊｙ逡逑，〖尸捇．逡逑＇，Ｇ逡逑圖２．３磁絮體受力圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｆｏｒｃｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｌｏｅ逡逑平衡公式如下式所示：逡逑Ｆｍｙ邋＋Ｇ￣Ｆｆｙ￣Ｆｄｙ＾邐＋Ｆｃ￣ＦＪｘ￣Ｆｄｘ）邐（２．４）逡逑式中Ｆｆｆｉｘ－Ｘ方向磁力，Ｎ；邋Ｆｊｇｙ－ｙ方向磁力，Ｎ；邐方向浮力，Ｎ；邋Ｆ＾－ｙ逡逑方向浮力，Ｎ；匕－ｘ方向曳流阻力，Ｎ；邋Ｆ＾－ｙ方向曳流阻力，Ｎ；巧－離心力，逡逑Ｎ；邋Ｇ－重力，Ｎ；邋／ｖ摩擦系數(shù)。逡逑根據(jù)計(jì)算和之前章節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果得到

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本文編號(hào)：2805928