本文设计搭建了煤泥水过滤装置和煤泥滤饼固化装置,确定了煤泥滤饼的固化方法和孔隙结构测量方法;研究了各因素对煤泥滤饼孔隙结构的影响,及滤饼孔隙结构随过滤时间或在空间上的变化规律;推导了包含孔隙大小分布、孔隙迂曲度和孔隙截面形状的多孔介质渗透率微观模型,研究了孔隙截面形状对多孔介质渗透率的影响,及煤泥水过滤过程中滤饼渗透率的变化规律;研究了煤泥粒度组成、过滤压力和滤室厚度对煤泥水过滤效果的影响,并从微观角度揭示了煤泥水过滤脱水的机理;最后,基于滤饼孔隙结构的调控,提出了煤泥水分段过滤方法和煤泥水二次絮凝过滤方法。得到的主要结论如下:一、煤泥滤饼孔隙结构特征研究(1)随着煤泥中-0.074mm粒级含量的增加,滤饼的孔径、孔面积、孔周长和孔隙率越小,滤饼中小孔隙的含量增加,大孔隙的含量减少,滤饼孔隙分布的均匀程度先降低后增加。煤泥中-0.074mm粒级的含量越高,孔隙的几何形状越不规则,滤饼的渗流孔道越曲折,滤饼的孔隙结构越复杂。(2)煤泥水过滤压力越大,滤饼孔隙的压缩越严重,滤饼的孔面积和孔隙率越小,滤饼孔隙分布越不均匀,孔隙截面的形状更不规则,滤饼的渗流孔道也更曲折,滤饼的孔隙结构更复杂。(3)随着滤室厚度的增加,滤饼的孔径、孔面积、孔周长和孔隙率均逐渐降低,滤饼中小孔隙的含量增加,滤饼孔隙分布变不均匀,滤饼孔隙的几何形状越不规则,滤饼的渗流孔道也越曲折,滤饼的孔隙结构也越复杂。(4)过滤时间越长,滤饼孔隙被细颗粒填充越严重,滤饼的孔径、孔面积、孔周长和孔隙率越小,滤饼中小孔隙的含量越大,滤饼孔隙分布的不均匀程度增加,孔隙的几何形状越不规则,滤饼的渗流孔道越曲折,滤饼的孔隙结构越复杂。(5)滤饼孔隙结构在空间分布规律的研究表明,过滤过程中煤泥颗粒会出现沉降分层的现象,导致滤饼中颗粒粒度在空间的分布不均;在滤饼粒度空间分布不均和细颗粒填充的作用下,滤饼孔隙结构的空间分布未呈现单调变化的规律。二、煤泥水过滤渗流机理研究(1)随着煤泥水过滤过程的进行,滤饼已形成孔隙会不断被细颗粒填充,导致煤泥滤饼的渗透率先急剧降低,经缓慢降低后,趋于平缓;通过控制滤饼的厚度小于其临界厚度,可以实现煤泥水的快速、高效过滤。(2)孔隙截面形状对多孔介质的渗透率有显著影响,且孔隙截面形状越不规则,孔隙截面形状对渗透率的影响越显著;包含孔隙大小分布、迂曲度和截面形状的渗透微观模型的预测值与试验值更吻合,更适合用于预测煤泥滤饼的渗透率。(3)随着煤泥中-0.074mm粒级含量和滤室厚度的增加,滤饼的孔隙率降低,孔隙形状不规则程度和迂曲度增加,导致滤饼的渗透率逐渐降低,且滤饼渗透率降低的趋势变缓;煤泥水过滤压力越大,滤饼的孔隙率越小,孔隙结构也越复杂,导致煤泥滤饼的渗透率越小,这与滤饼孔隙结构的变化规律相符。三、煤泥水过滤脱水机理研究(1)粒度组成对煤泥水过滤效果影响机理的研究表明,随着煤泥中-0.074mm粒级含量的增加,滤饼的孔隙率降低,滤饼中小孔隙的含量越高,相同压力下滤饼中水脱除越困难,导致煤泥水过滤的滤饼水分逐渐升高,滤液固含量增大,成饼时间增加,脱水速率减小,且过滤脱水速率降低的趋势逐渐变缓。(2)过滤压力是煤泥水过滤脱水的动力,且过滤压力增大,高压空气能置换的滤饼孔隙越小,导致煤泥水过滤的滤饼水分和成饼时间均降低,滤液的固含量和脱水速率增大;且过滤压力越大,滤饼水分和成饼时间降低越缓慢。(3)随着滤室厚度的增加,煤泥水过滤的处理增大,煤泥滤饼的孔隙率降低,滤饼中小孔隙的含量增加,孔隙结构更复杂,单位滤饼对应的过滤压力变小,导致煤泥水过滤的滤饼水分升高,成饼时间增大,滤液固含量和脱水速率逐渐降低。四、基于滤饼孔隙结构调控的煤泥水过滤方法研究(1)煤泥水分段过滤技术的研究表明,煤泥水分段过滤可以提升过滤脱水的效果,且影响显著。煤泥水分段过滤避免了细颗粒对粗颗粒形成的大孔隙的任意填充,其滤饼的孔径、孔面积、孔周长和孔隙率均大于混合过滤的,且滤饼孔隙分布更均匀,孔隙结构复杂程度更低,导致煤泥水分段过滤的滤饼渗透率更低;进而导致煤泥水分段过滤的滤饼水分、成饼时间和滤液固含量均低于混合过滤的,且煤泥水分段过滤的脱水速率大于混合过滤的脱水速率。(2)煤泥水二次絮凝技术的研究表明,煤泥水二次絮凝过滤对过滤效果有显著影响。煤泥水二次絮凝中PAM通过与多个煤颗粒吸附形成絮体,使煤泥水中单个煤颗粒的的数量急剧减少,大颗粒的含量增多;导致煤泥水二次絮凝过滤滤饼的孔径、孔面积、孔周长和孔隙率增大,滤饼孔隙结构的复杂程度降低,进而使煤泥滤饼的渗透率增大。最终,煤泥水二次絮凝过滤的过滤脱水速率得到提高,成饼时间和滤液固含量降低,但煤泥滤饼的水分增加。