高炉水渣脱水效果的分析

高炉水渣脱水效果的分析
摘要：本文阐述了高炉水渣所含水分的三种形态，从理论上分析了水渣脱水的基本原理，并通过实验的方式研究各种因素对水渣含水率的影响。

分析了传统水渣处理工艺在成品含水率方面的不足，介绍成品含水量低的圆盘渣处理系统的基本工作原理。

关键词：水渣含水率圆盘法
1、引言
由于高炉水渣（水淬高炉渣）经过研磨可以制成矿渣微粉，能够用于生产高品质的矿渣水泥，所以，近年来高炉水渣作为一种绿色环保的新型建材原料受到了广泛的关注和应用。

熔融高炉渣进过水渣作用，碎裂为粒径0.8-1.5mm多孔隙的细小水渣。

在水淬过程中，水渣与冲渣水混合在一起。

可采用有多种方式将渣水分离，传统的方式一般是抓斗抓渣和转毂捞渣。

采用传统方式将渣水分离后，其水渣成品的含水量很不理想。

比如用OCP法、因巴法和沉淀法所得的成品含水量一般在20%-30%左右[1]，这种含水率的水渣还呈滴水、淌水的状态，一方面不方便储运（特别在北方寒冷季节），另一方面，也不利于直接用于矿渣微粉的研磨。

为了降低水渣含水率，我们一方面要弄清楚水渣含水和脱水的原理，另一方面，通过实验验证可行的降低含水率的方法，找到一种可行的解决方案。

2、水渣含水性的分析
2.1水渣表面水的形态[2]
水渣的固体颗粒对于表面晶型配位体平衡，产生表面电性，对排列在四周的极性水分子产生引力，距颗粒表面越近引力越大，水按其所受引力大小分为以下几种形态。

2.1.1 吸附水
吸附水（又称强束缚水）是被颗粒表面电荷紧紧吸附在颗粒周围的很薄的一层水，它牢固地凝聚在水渣颗粒表面，其性质接近于固体，颗粒受压是也不移动，只有在105℃以上的烘烤才能完全蒸发。

2.1.2 薄膜水
在吸附水外面一定范围内的水分子还要受颗粒表面电荷的吸引力而吸附在颗粒周围。

薄膜水不能自由活动，又称弱束缚水，当两个颗粒接触时，薄膜水可从薄膜厚的颗粒想薄的颗粒移动，直到厚度相等为止。

薄膜水没有填充颗粒间的全部孔隙，所以它不能传递静水压力。

由于水渣内部孔隙很多，水渣本身表面积较大，其涵养的薄膜水是较多的。

2.1.3 自由水
自由水是存在于颗粒表面电荷引力作用范围之外的水，能在颗粒间自由流动，并传递水压力，在重力作用下向下流动，又称重力水；在水体表面手表面张力支持的水称毛细水。

毛细水有一定的高度，随着水体表面的下降而下降。

2.2 水渣脱水的理论依据
上述三种水的形态，前两种被束缚在水渣颗粒表面，统称为粘结水。

两两水渣颗粒表面的束缚水之间又通过范德华力作用是颗粒间相互束缚，这种束缚力使颗粒结团，并由一定的强度。

若烘干到105℃脱去束缚水，水渣则会成为松散的颗粒。

因此，水渣脱水的对象不是束缚水而是重力水。

至于毛细水，它不发生在水体内部，只发生在水体表面以上的孔隙中，距水体有一定高度，岁水体的下降而下降，随水体的消失而消失。

因此，也可以看作是重力水的特殊形式，一般不做考虑。

根据以往水渣含水率试验，当水渣的重力水全部脱去时，依水渣粒径大小和孔隙多少，其含水率约为8%.因此，对水渣进行较好的重力脱水就能达到水渣含水率小于15%的工艺要求，那么影响水渣重力脱水的因素可用达西定律表示：
q=KWh/l=KIW （1）
式中：q—单位时间渗透量；K—渗透系数；W—渗流面积；h—水头高度；l—渗流路程；I—水力坡度。

由于对于不同介质的渗流过程，影响渗流速度的参量是渗透系数K，那么，
K=kρg/η（2）
式中：k—孔隙介质的渗透率；ρ—流体密度；g—重力加速度；η—流体的粘滞性系数。

结合式（1）及式（2），可以看出对于相同性状的水渣颗粒要增加其渗流速度的因素有增大渗流面积，增加重力加速度（但在大规模工业生产中采用离心的方法产生更大的加速度将耗费大量能源，因此工业生产中对此不予考虑），以及减小流体的粘滞性系数，即考虑增加流体温度。

脱水量Q可用以下公式表示：
Q=
式中，t—水渣脱水时间。

可以看出水渣的脱水量（直接决定水渣的最终含水量）与脱水时间t密切相关。

3、水渣重力脱水试验
为验证渣水温度以及水渣脱水时间对水渣最终含水率的影响，设计了一个脱水实验。

该实验采用的水渣粒径为1-1.2mm具有较强代表性，但实验的最终结果仅代表该种水渣的脱水特性，对于其它水渣的脱水过程有定性参考价值，不能作为精确定量分析。

3.1 实验器材
3个渣桶Ø1000×3200mm，底部为条形筛网，筛网间隙3.8mm，筛条宽度4mm，在油桶垂直方向开三个洞，分别是距离底部200mm、1500mm和2800mm处，大小Ø40mm；冲渣水池及配套电葫芦及抓斗；取样钢管一根；油桶内刻度标杆一根。

3.2 实验过程
在3个渣桶中堆积高度为3m高的同质水渣，分别浸泡于20℃、50℃和95℃的水中5分钟后悬挂脱水，每隔五分钟从三个取样孔取样测定水渣含水率并求平均值，依据得出的每组温度下水渣各个时间的含水率与脱水时间的绘制“含水率—时间”曲线图。

3.3 试验结果
实验结果如图1。

图1
实验表明：①进入渣桶的渣水混合物的初始温度越高，其脱水速度越快。

这是因为随着温度的升高，水的表面张力减小、粘滞性也降低了。

②脱水时间越长水渣含水率越小，同时随着脱水时间延长脱水速率越慢。

脱水5分钟以内，水渣含水率远高于15%，脱水超过25分钟，脱水效果好。

4、对传统水渣处理设备的改进
4.1 传统水渣处理设备含水率剖析
诸如抓斗抓水渣以及采用转毂法捞渣等方式进行渣水分离时，水渣在空中依靠重力脱水的时间一般不会超过1分钟，脱水时间过短，参照实验的数据，即使水温很高，其脱水效果也远达不到15%的标准。

如果刻意延长其在空中沥水的时间，则会严重影响传统处理方式的处理能力。

因此，在传统的渣处理工艺中，其脱水过程的脱水时间和水渣含水率有着不可调和的矛盾。

那么也就是说要达到更好的水渣含水率必须要延长脱水时间并同时保证设备的处理能力。

4.2 圆盘法渣处理系统
圆盘法渣处理系统的脱水器如图2所示。

图2
一个圆盘由若干个料斗组成（示例中为12个），每个料斗具有以吨记的承载能力，其底部为筛网，料斗在受料处接纳渣水混合物，旋转近一圈后在卸料处卸料，圆盘每小时旋转0.5-1圈，水渣的脱水时间可以超过30分钟，这样就保证了水渣有着足够的脱水时间，保证了成品水渣含水率的合格。

同时由于圆盘单个料斗的处理能力大，保证了整个圆盘在慢转速下的处理能力。

5、结语
高炉水渣的脱水效果受多种因素影响，其中受脱水时间和渣水温度影响最大。

在现有的渣处理工艺中渣水混合物的温度多为70℃以上，要改善脱水效果主要考虑延长脱水时间。

圆盘法渣处理系统很好地解决了传统渣处理系统在渣水分离过程中水渣脱水时间和系统处理能力矛盾问题，保证了成品水渣超低的含水率，是一种极具优势的渣处理系统，值得推广应用。

参考文献
[1]田彦生,张振瑞.高炉轮法粒化渣处理工艺及设备[J].冶金设备,2000（1）：38.
[2]梁定伟,编.水力学基础[M].武汉:中国地质大学出版社,1998.。