选冶废水沉淀池水力学模型的优化研究.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶 工程 M I N I N GA N D Ⅳ【E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 选冶废水沉淀池水力学模型的优化研究① 仝克闻，全源，齐丁丁，陈炳强，韦涛 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要以某矿山中1 2m 沉淀池为研究对象，建立了水力学模型对沉淀池布水方式、配水槽形状及尺寸进行优化，使之达到均匀配 水的目的。同时研究了沉淀池排泥规律，提出排泥方式，设计排泥装置。 关键词沉淀池；水力学模型；优化计算 中图分类号T D 4 6 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 ～6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 7 4 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 0 2 7 2 0 4 沉淀池是澄清工艺的常用构筑物，发展至今已有 一百多年的历史，其中辐流沉淀池具有占地少、设备紧 促、易于管理、运行成本低、沉淀效果好等优点，目前在 建或改造的沉淀池9 0 ％以上都是辐流式沉淀池。辐 流式沉淀池有两种进水形式中进周出和周进周出。 中进周出式辐流式沉淀池，原污水从池中心进入，在池 周边出流，进口处流速很大，呈紊流现象，影响了沉淀 池的分离效果。周边进水型辐流式沉淀池，原污水从 周边进入流向池中心，澄清水流返回到池周边流出，在 一定程度上克服了上述缺点。原污水流人位于池周边 的进水槽中。在进水槽底部设有进水孔，再从进水孔 均匀地进入池内进行悬浮物颗粒的沉淀，从而提高沉 淀效率。 周进周出沉淀池由单向环流配水、配水槽与集水 槽、进水区挡水裙板、排泥装置等组成⋯。配水系统 是周进周出辐流沉淀池的关键，配水均匀能大幅提高 池体容积利用系数和水力负荷。如果配水系统过于复 杂，将大大增加施工难度与工程造价。故需要对周进 周出辐流沉淀池配水系统通过理论计算进行优化设 计。排泥装置也是沉淀池的重要部分。合理的排泥装 置能够保证池内物料平衡，澄清层不受扰动。否则将 扰动上升水流，不利于物料沉降，降低沉淀池的澄清效 率，影响出流水质。其次，排泥管的设计要便于制作安 装、满足池体负荷。本文以福建省某铁矿 I 1 2m 沉淀 池为例，通过建立水力学模型，对沉淀池配水槽形状、 布水方式、吸泥管尺寸进行优化计算。 1 沉淀池布水方式的优化计算 1 ．1 模型假设 1 配水槽内理想均匀配水，由于流速较慢，忽略 配水槽内水流圆周流向的离心力。 2 配水槽宽度b 远远小于池子直径D ，故将配水 槽的水力计算按线性考虑。 3 配水槽视为明渠渐变流，满足谢才公式和曼宁 公式。 1 ．2 建模与求解 等孔距布水，依据能量方程建模。在距离进水点 菇处取毗段上对应流量微元为p ，且进水孔沿配水槽 中心线均匀布置 如图1 ，那么有 图1 配水槽模型示意 Q2Q o 1 一詈 式中Q 为距离进水点戈段上对应流量；Q 。为沉淀池进 水量，设计流量；戈为单向环槽布水，距进水口的距离 弧长 ；￡为沉淀池布水槽一周总长度。 每个孔口出流量为 q ／肌, , ／2 9 H 2 式中q 为每个孔口的流量；弘为孔口流量系数；t o 为孔 口面积；日为配水水头，为配水槽水面与溢流槽水面高 度差。 对配水槽中距进水点戈处取微元以长度，依据伯 努利方程，建立能量微分方程 ①收稿日期2 0 1 4 - 0 4 2 8 作者简介仝克闻 1 9 6 1 一 ，男，陕西户县人，教授级高级工程师，主要研究方向为浆体固液分离及输送技术、尾矿干排干堆、膏体充填、选冶 废水处理、选矿工艺等。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 仝克闻等选冶废水沉淀池水力学模型的优化研究 叭d 尝 d h o , 0 3 1 ．4 式中d 日为此段的位置水头变化量；a 为动能系数，此 时取1 ；V 为流速； 。为此段的能量损失。 根据谢才公式 V C 瓶7 4 曼宁公式 c 土矗 5 式中R 为水力半径；C 为谢才系数；r t 为糙率。 因为是渐变流，因此式 3 中d h 。 J d x ，式 3 对 于控制体可写成 d H d 一 l ，d 戈 0 6 式中t ，为水力坡降。 1 ．3 进水槽等孔距变径布水优化计算 变径布水，布水槽中水深不变，故取d H 0 ，整 Q 。2 1 一 2 1 2 2 Q o 1 - -一 2 d 哥 二i 写L d z 。‘7 ’ 式中B 为槽宽；日为水深。 式 7 中，取初始槽宽B 。 5 5 0m m ，粗糙度系数 n 0 ．0 1 3 ，重力加速度g 取9 ．8m ／s 2 。初始值槽宽取值 0 ．5 5m ，采用M A T L A B 计算软件基于E u l e r 算法得出 其数值解，如图2 所示。 弧长 图2 布水宽度曲线 由图2 可知，0 ≤戈≤2 6 ．5m 时，对应的进水槽宽度 从0 ．5 5m 到0 ．2 5I T I 。考虑到进水槽内混合液运行通 畅、易于清理浮渣且在施工方面的可行性，其宽度不宜 小于0 ．3m 。在福建省某铁矿中1 2m 沉淀池工程中， 最小槽宽取0 ．2 5m 。也即等孔距变径布水段只取 0 ≤z ≤2 6 ．5m ，余下段进水槽宽度保持0 ．2 5m 不变。 进水槽等宽布水优化计算 为了防止槽内污水发生淤积，环槽内流速不低于 O ．3m ／s ，且为了施工方便，槽宽不宜小于o ．3I n 。根据 工程需要，最小槽宽定为0 ．2 5m 。由微分方程求解可 知，当石 2 6 ．5i n 时，Y 0 ．2 5i n 。也即此时的槽宽为 0 ．2 5i n 。当2 6 ．5m ≤z ≤3 6 ．7 5m 时，槽宽为定值0 ．2 5 i n 。在这一段，随着槽长度的变化，槽内的水深日、水 流速度y 也相应改变。由式 2 可知，各个孑L 口出水 流量q 各不相同。如果各配水孔的孔径大小相同，那 么孔距一定不同。根据式 3 ～ 6 ，当B 不变时，日 随髫的变化而变化，在此令H g x ，那么有 Q 0 2 1 一 2 n 2 仉2 1 _ v 一 2 m d 昔 蕊L B H4 扣州8 ’ 及∥∥n 2 ，T 2 ，、 ‘’ ‘矗 删 在式 8 中，粗糙度系数n o ．0 1 3 ，B o ．2 5m ，Q 。 i n 3 ／s ，2 6 ．5i n ≤戈≤3 6 ．7 5m 。边界条件戈 2 6 ．5m 时，日 1 ．2i n 。 初始值戈 3 2I n 时，H 1 ．2m 。在此，仍采用 M A T L A B 计算软件基于E u l e r 算法得出其数值解，如 图3 所示。 弧长 图3 布水宽度曲线 依据上述计算结果，2 6 ．5 m ≤z ≤3 6 ．7 5m 时，1 ．2I T I ≤日≤1 ．2 0 111 T I ，水面线没有太大变化，在1 ．2m 左右。 由式 2 可知，各孑L E l 流量相等，整个布水槽能实现等 孔距均匀布水。 1 ．5 布水槽断面计算 根据假设模型计算结果，槽内水的流量为布水槽 中心线长3 6 ．7 5m ，当0 ≤戈≤2 6 ．5I T I 时，采用变径等深 设计。当2 6 ．5m ≤并≤3 6 ．7 5m 时，采用等宽设计，经计 算水深没有太大变化。因此整个布水槽的水深都恒为 1 1 ．2m ，且均匀布设孔口。布水槽流量Q 。 m 3 ／s ，布 。 水槽内外水平面高差为0 ．1I n 。根据工程经验，进水孔 万方数据 2 7 4矿冶工程 第3 4 卷 有效直径设为5 0m m ，则每个进水孔面积为 加 1 T r 2 3 ．1 4 0 ．0 2 5 2 1 ．9 6 1 0 3m 2 依据式 2 ，假设流量系数p 为0 ．7 5 ‘2 1 ，得 q 删 ／2 9 日 0 ．7 5 1 ．9 6 1 0 3 ／2 9 ．8 0 ．1 2 1 0 一m 3 ／s 布水槽内进水孔个数为 1． n - - Q 。／q ≯ 2 x 1 0 。 8 3 个 U 槽内流速为 1 y q ／w Q ／ B H ≯ 1 ．1 x 0 ．5 o ．3m ／s U 2 排泥管设计与水力计算 2 ．1 模型假设 1 排泥管采用等水深、等孔径、等孔距、变管宽模 型计算设计。 2 薄壁圆形孔口局部阻力在排泥管沿长均匀 分布。 3 排泥管内水流为恒定均匀有压流，沿程损失满 足达西公式，沿程损失经验公式利用谢才公式和曼宁 公式。 4 吸泥管粗糙系数取值0 ．0 1 3 。 2 ．2 建模与求解 排泥管水力示意见图4 。 图4 排泥管水力示意 建立能量微分方程 俨 旧“丢“以- 0 y 旦竺旦 B HB Ht B H R 』生 B 2 日 达西公式 ￡俨 。2A 4 R 2 g 9 1 0 1 1 式 9 ～ 1 2 中，H 为吸泥槽中的泥深；V 为吸’伲 槽中水平流速；i 为吸泥槽中单位长度的沿程损失和 局部损失；Q 为吸泥槽中总流量；B 为吸泥槽宽度； n 为槽体粗糙度，取值0 ．0 1 3 ；L 为槽体总长度；l 为相 邻孔距；A 为沿程阻力系数；尺为水力半径。 由式 9 。 1 2 ，令g ，- 导，得 警一’[ 击c 日警 曰i d H ，] i 。c 3 ， 扮如故A 去丢 羔，黝 历8 9 。 根据谢才公式和曼宁公式，结合达西公式，可得 A 辈 1 4 尺了￡ 江咩 1 5 1 L _【 尺了 将式 1 5 代入式 1 3 整理得 警【高c 日警 B 别 警2 。 1 6 由于掣o ，式 1 6 化简为 一墨塑 翌o 1 7 g B 2 Hd x R 了4 。 ”⋯ 式中L 4 ．5m ，V 取0 ．1 5r n ／s ，布孔间距l 取0 ．4i n ，孔 径取o ．0 2m ，日取o ．2m 。令竺y ，，B y ，将上述数 值代人式 1 7 ，化简得 y ，_ g n 2 吉 吾 ， 1 8 初始值戈 0 ，y 0 ．1 2 。利用M A T L A B 中E u l e r 算法，如 图5 。 长度 图5 排泥管宽度变化曲线 r1 ．，、 纠 由模型分析可知，排泥管呈契状，由两个呈直线排 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 仝克闻等选冶废水沉淀池水力学模型的优化研究 列而成。每根排泥管上孑L 数r r t - - - 了L 篙 1 1 个，布孔 间距z 取0 ．41 1 “ 1 ，孔径取0 ．0 1m 。排泥管内泥深0 ．2m ， 那么排泥管高度设计为0 ．2 5m 。排泥管宽度从0 ．1 2m 到0 ．1 7m 。 3 结语 1 利用明渠均匀流理论，结合伯努利方程，建立 沉淀池进水装置水流模型。忽略次要因素。确定福建 省某铁矿中1 2m 沉淀池进水槽的形状和尺寸从水流 入口到2 6 ．51 1 1 处为等孔距变径布水，并给出变径曲 线。从2 6 ．5I T I 处到进水槽末端为等宽均匀布水，进水 槽内流速o ．3m ／s ，进水孔8 3 个，均匀分布在沉淀池进 水槽中心线上。 2 建立排泥管微分能量方程，对模型求解得出 排泥管上排泥布孔间距z 取O ．4m ，孔径取0 ．0 2i n 。排 泥管内泥深0 ．2m ，排泥管宽度0 ．1 3 0 ．1 7m 。 3 通过模型计算，使福建某铁矿中1 2m 沉淀池 配水系统配水均匀，排泥装置满足池内物料平衡，利于 物料沉降，大幅提高沉淀池的澄清效率和出流水质。 同时兼顾施工难度，配水系统和排泥管的设计便于制 作安装和日常维护。 参考文献 [ 1 ]张智．周边进出水沉淀池配水设计的若干问题[ J ] ．中国给水 排水，1 9 9 0 ，6 2 7 一1 0 ． [ 2 ] 闻德荪，李兆年，黄正华．工程流体力学 水力学 下册[ M ] ．北 京高等教育出版社，2 0 0 4 ． 万方数据