电石渣循环利用中杂质的物理方法分离机理与实现方法

As a solid waste coming from the the preparation of acetylene, carbide slag whose main component is calcium hydroxide (Ca(OH)2), not only occupies the land, but also pollutes the environments. With combination of local rich carbide slag resources in Xinjiang, this project aims at investgating the physical separation mechanism of impurities and realization method in carbide slag recycling in depth. First of all, modern means of testing are used to analyze and characterize the physical and chemical properties of the carbide slag particle size distribution and morphology, race elements, mineral composition, as well as thermal properties. Via pretreatment screening and magnetic separation, uniform particle size and removal of the oxide iron are achieved. After the preparation of the slurry of carbide slag, computational fluid dynamics (CFD) is utilized to numerically simulate the flow of the slurry particles under controlled hydrodynamic conditions. Meanwhile, the fluid dynamics software (Fluent) is used to explore the complex motion of the main particles and to find the motion laws and the calcium hydroxide-rich region. At the same time, an experimental physical separation platform is developed to explore the characteristic parameters of the separation tank cavity shape, aspect ratio, and separation devices. After that, the optimal operating conditions of multi-component high-efficiency separation is determined and the recycle mode of "Resources - Product -Renewable resources" is attained. As a result, the project has important theoretical and practical value, which will fundamentally solve the problem of environmental pollution of carbide slag and eventually achieves the recycling of carbide slag.

电石渣是电石制备乙炔后得到的以氢氧化钙为主要成分的固体废渣，不仅占用土地，而且污染环境。结合新疆本地丰富的电石渣资源，本项目深入研究电石渣循环利用中杂质的物理分离机理与实现方法。首先采用现代测试手段，对电石渣粒径分布和微观形态、微量元素、矿物组成及热性能等理化性质进行分析和表征，通过筛分和磁性分离实现预处理，使粒径均匀并去除氧化铁。电石渣调浆后，使用计算流体力学对浆体颗粒的强湍流流动进行数值模拟，在可控水动力条件下，应用流体动力学软件Fluent对浆体主要颗粒复杂运动进行模拟仿真，探求颗粒分级运动规律和氢氧化钙富集区域。同时，研制开发物理方法分离试验平台，探求分离罐体的内腔形态、长径比以及分离装置的特征参数。在此基础上，确定多组分高效分离的最佳操作条件，最终实现"资源一产品一再生资源"的循环。本项目研究具有重要的理论价值和实用价值，将从根本上解决电石渣的环境污染问题，实现电石渣的循环利用。

电石渣是我国特有的工业废弃染污物，排量巨大，现有的规模化处理方法主要以电石渣替代石灰石生产水泥为主，但受市场需求急剧下滑及国家经济、环境的可持续发展要求，电石渣的规模化处理问题亟待解决。电石渣是电石法乙炔生产中由电石与水反应生成的以氢氧化钙为主要成分的工业废渣，另外还含有Fe、Si、Al、Mg等物相杂质，若能对其进行除杂处理，满足电石生产原料要求，实现“电石-电石渣-电石”的循环利用，则可将其变废为宝，有效解决上述问题，同时又能减少电石生产用石灰石资源匮乏问题及石灰石矿产开发带来的环境破坏。本项目针对电石渣的资源化循环利用问题，提出了利用电石渣提纯氢氧化钙作为电石生产原料的思想，采用水力旋流分离方法对电石渣进行除杂处理，并针对电石渣规模化处理中涉及的纯度、能耗、生产效率问题，对电石渣除杂水力旋流器涉及的电石渣理化特性、水力旋流器分离理论、水力旋流器结构设计方法、CFD数值模型及方法、物性参数、操作参数及结构参数对水力旋流器分离性能的影响规律与影响机理、旋流器内部流场特征及影响机理、旋流器的结构改进、旋流器的操作参数及结构参数优化等问题进行研究，主要成果如下：（1）完成了电石渣的理化特性分析并制定了电石渣除杂工艺；（2）提出了试验设计与数值模拟结合的数值模拟试验设计方法，并应用该方法完成了基于电石渣颗粒密度分离思想的水力旋流器操作参数与结构参数优化；（3）提出了基于MATLAB的优化设计方法，并以该方法完成了基于颗粒粒度分离思想的水力旋流器结构设计与操作参数优化；（4）提出了一种新型复合式水力旋流器，基于颗粒粒度分离思想，结合数值模拟对该旋流器进行了结构设计，并基于中心复合设计方法完成了旋流器的操作参数优化；（5）对水力旋流器数值模型、求解方法、可靠性验证方法、旋流器流场特征及其分离性能的影响规律与影响机理进行了广泛而深入的研究。项目的研究为实现电石渣的经济、高效利用，获得高质量的电石生产原料奠定了坚实的基础。