摘要
近年来，随着我国煤矿开采强度提升，矿井水资源供需矛盾逐渐成为制约煤矿发展的重点问题，矿井水处理回用是当前解决该难题的主要举措。鉴于矿井水富含悬浮物杂质、离子成分复杂，具有显著的煤炭行业特征，在回用过程中，管道和输水用水设备结垢堵塞严重，导致相关工艺故障频发，设备维护成本增加。矿井水软化可降低水中成垢离子浓度，缓解管道结垢堵塞现象。因此，本文开展了矿井水结垢特性及其软化应用研究，针对管道内矿井水流动工况，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的技术手段，分析了矿井水中垢质沉积过程和结垢特性，并结合喷雾降尘技术研究了不同矿井水的软化特性和降尘效率，阐明了矿井水物化性质对其软化特性影响，揭示了软化矿井水喷雾降尘机制，主要研究成果如下： （1） 阐述了矿井水在管道内结垢过程，揭示了矿井水结垢量和结垢速率变化规律。依据垢质在矿井管壁上的生长速度和附着强度，可将矿井水结垢过程分为诱导期，快速增长期和稳定期。垢质在诱导期内沉积速度缓慢，待垢质布满管壁表面后，结垢过程进入快速增长期，沉积速度急剧加快，随着垢质沉积导致管壁截面积降低，剥蚀作用加强，垢质增长趋势逐渐稳定。 （2）构建了矿井水动、静态结垢实验系统，从流速、管壁材料、成垢离子浓度三个方面阐明了矿井水结垢特性的变化规律。矿井水中成垢离子浓度是影响结垢过程的关键因素，矿井管壁上的结垢量和结垢速度与离子浓度呈正比例关系，成垢离子浓度增加会影响水中成垢离子溶解平衡，从而促进垢质生成。矿井水流速则通过改变剪切剥蚀作用，对结垢过程产生双向影响，随着流速加快，垢质沉积量呈现先增加后减少的变化趋势，在静态和0.8m/s的流速条件下，当水中成垢离子浓度由700mg/L增加至1500mg/L，结垢量提升了近1倍；而在4.0m/s的流速条件下，结垢量增幅急剧减少，仅为45%。管壁材料对结垢过程的影响主要体现在对垢质的黏附强度，金属材料的表面能决定其对垢质的吸附能力。 （3）建立了矿井水在管道内的垢质沉积和流体剥蚀模型，分析了矿井管道内流场特性，揭示了矿井管道内结垢现象的实质，从流速、垢质颗粒粒径、成垢离子浓度和温度四个方面阐明了矿井水结垢特性的变化规律。矿井管道中心处流速最大，且距管壁越近，流体速度越小。管内垢质颗粒体积率呈先增加后急剧减少的变化趋势，在体积率峰值管段后形成一段沉积量极低的“不可触区域”，管内结垢的实质是颗粒沉积和流体剪切剥蚀相结合的动态平衡。成垢离子浓度增长和温度上升均会影响水中离子溶解平衡，两者之间协同作用是决定垢质沉积特性的关键因素。颗粒粒径变化会改变沉积作用力和垢质黏附强度，随着颗粒粒径由10μm增加至80μm，最大净沉积率由0.06×10-7kg.m-2.s-1增大至4.11×10-7kg.m-2.s-1。流速变化对垢质的剪切冲刷影响显著，剥蚀率随流速加快而增加，且动态平衡稳定周期随流速加快而缩减。当流速由0.8m/s加快至 4.0 m/s，其剥蚀率增加约 65%，结垢稳定周期也由 60h 缩减至 22.6h。 （4）构建了矿井水软化特性实验系统，阐明了矿井水物化性质对其表面张力、接触角和喷雾粒径分布的影响规律，揭示了矿井水软化改性机制。低离子浓度条件下，矿井水表面张力、接触角均与矿井水中Na+、K+、Ca2+离子浓度呈正比例关系。随着矿井水中离子浓度降低，表面张力由76.32mN/m降低至65.95mN/m，接触角由53.13°降低至36.83°。相同喷雾压力条件下，矿井水表面张力是决定其喷雾粒径分布、雾化区范围等特性的重要因素，表面张力降低可促进喷雾破碎过程，导致喷雾雾化区范围明显扩大，矿井水软化前后雾化区临界点分别为12.0cm和17.8cm。 （5）建立了矿井水喷雾降尘实验系统，研究了不同矿井水样的喷雾降尘效率，基于矿井水喷雾降尘实验结果，揭示了软化矿井水喷雾降尘机制。软化前后矿井水的降尘效率差异显著，在6MPa压力条件下，软化矿井水对全尘和呼吸性粉尘降尘效率最大值分别为73.87%和71.67%，相比矿井水和自来水，喷雾降尘效率明显改善。软化矿井水喷雾降尘机制表明，表面张力和接触角与降尘效率呈反比例关系。表面张力可改变雾化区范围，从而影响喷雾液滴与粉尘颗粒的接触面积和数目，接触角则决定矿井水的润湿能力。液滴粒径的分布集中程度和均一性对降尘效率影响显著，矿井水和软化矿井水的液滴粒径差异悬殊，两者位于25μm～75μm的平均比例分别为55.87%、69.73%，导致软化矿井水降尘效率明显优于矿井水。
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