东河矿选煤厂高泥化煤泥水沉降特性研究

Posted 2023-01-12 泥水

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在对东河矿选煤厂高泥化煤泥水性质进行了分析研究的基础上，结合不同药剂条件下煤泥水的沉降试验，探讨了在絮凝剂和凝聚剂单独及联合作用下的煤泥水沉降特性。试验结果表明，联合药剂制度可以获得较好的煤泥水沉降效果，并依据絮凝剂和凝聚剂不同作用机理及试验结果，确定了两种药剂的用量和加药顺序，为该厂煤泥水处理提供了依据。
中图书分类号：TD946.2+1　　文献标识码：A
文章编号：1001-3571(2009)05-0017-03
东河矿选煤厂是年处理能力为90万t的炼焦煤选煤厂，主要工艺为跳汰、浮选联合流程，煤泥水经浓缩、压滤处理，实现洗水闭路循环。原工艺设计是使煤泥水进入浓缩机，固体颗粒在重力作用下逐渐沉降进入底流，溢流水则作为循环水使用。
为提高固体颗粒的沉降速度和溢流水的澄清度，在生产过程中添加一定量的絮凝剂。该厂投产后，因煤质变化，原煤中细粒级含量升高，矸石泥化严重，致使煤泥水中含有大量高灰细泥，沉淀速度慢，即使加大絮凝剂的用量也没有明显改善。这些细泥进入浓缩机溢流，随着生产的进行在选煤系统内积聚，严重影响了选煤生产，降低了分选精度，当严重恶化时，甚至可致停产，必须通过换水来降低洗水浓度，以维系生产。
为改善东河矿选煤厂洗水状况，亟待通过试验研究来寻找适宜的药剂种类及药剂制度，以解决生产中的实际问题。
1.煤泥水基本性质研究
1.1 煤泥的粒度组成
采取该厂浓缩机入料，通过小筛分分析得出：浓缩机入料中<0.074mm粒级含量占78.58%，灰分为45.01%，其中<0.045mm的物料约占总量的65.67%，灰分为47.63%。这表明煤泥水中含有大量高灰细泥。由于浓缩机入料粒度比较细，为详细了解其粒度组成，用激光粒度分析仪进行测定，煤泥累计粒度分布曲线见图1。

从激光粒度分析仪测定结果可以看出，煤泥水固体颗粒中，<0.001mm粒级含量为36.41%，<0.002mm粒级含量为48.23%，这说明该煤泥水中极细粒含量较多。
当颗粒尺寸较小、沉降速度较低时，介质阻力以摩擦阻力为主，此时颗粒沉降速度服从Stokes沉降规律，固体悬浮物的沉降速度与其粒径的平方成正比，根据以上试验结果，认为固体悬浮物粒度小是该厂煤泥水难以沉降的一个主要原因。
1.2 煤泥的表面电性
一般煤泥水中含有大量的高岭土、蒙脱石、石英等强极性矿物，由于这些矿物表面带有很多强极性基团，且自身具有复杂的晶体结构，在水中，颗粒表面会吸附大量的离子，吸附的结果使颗粒表面处于一种动态的吸附平衡，表现为颗粒表面的ξ-电位为一确定值，这种平衡状态会随悬浮液pH值等外界条件的变化而变化，宏观上表现为ξ-电位随矿浆条件的变化而变化。
取煤泥水中<10μm颗粒，配成浓度为3.0g/L的悬浮液，分别用NaOH和HCl来调整悬浮液pH值，pH值用数字酸度计测定，利用电泳测定颗粒的ξ-电位，ξ-电位随pH值变化的关系如图2。

由图2可以看出，在煤泥水的pH值为7时，颗粒表面的ξ-电位为-39.57mV，并且随着pH值的减小，酸性增强时，颗粒表面的ξ-电位逐渐降低；当pH值为2时，ξ-电位等于0，即等电点为2。根据凝聚机理，ξ-电位的降低，使粒子间的斥力降低，使粒子能互相靠拢，范德华引力也就进一步增强，导致能垒消失，并达到颗粒间发生凝聚。因此分析，当该厂煤泥水的pH值是等电点2时，颗粒会自发凝聚成团。然而，在实际生产中将煤泥水pH值调节到2是现场无法接受的，因此必需有较多电荷的阳离子中和颗粒表面的负电荷，才能使颗粒发生聚沉，也就是说，必需选择阳离子凝聚剂。
2.煤泥水的沉降特性研究
按作用机理不同，促进极细粒煤泥水沉降所添加的药剂可分为两种：一种是高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺，一种是无机电解质类凝聚剂，如聚合铝、聚合铁等。按照絮凝剂作用机理，作为絮凝剂的高分子化合物，是靠其较长的分子链上的活性基团，通过静电键合、氢键键合及共价键合等作用，与煤泥水中的固体颗粒发生吸附，一个分子链能同时吸附两个或两个以上的微粒，形成絮团，产生桥联作用。絮凝作用一般不改变或很少改变颗粒表面的电性质，所以颗粒之间的斥力依然存在，形成的絮团大而蓬松，其间含有大量的水。然而，煤泥颗粒一般荷负电，当在悬浮液中加入电解质时，电解质很快电离出带正电的离子中和颗粒表面的负电荷，使其双电层压缩，降低电动电位，减小斥力，促使凝聚发生。由于凝聚改变了颗粒表面的电性质，所以产生的凝聚体小而密实。
2.1 煤泥水的絮凝沉降试验
为选择适合的絮凝剂，并找到药剂添加量和添加方式，试验选用五种目前选煤厂常用的絮凝剂，分别考察了它们对该厂煤泥水样本的絮凝沉降性能。试验按照MT190-88《选煤厂煤泥水沉降试验方法》进行。
所用的五种絮凝剂是产地为淄川(1#)、任丘(2#)、太原(3#)、祁县(4#)和阳谷(5#)生产的聚丙烯酰胺。在大量探索性试验的基础上，在相同的煤泥水浓度(50g/L)的条件下，进行了相同的药剂用量(16g/m3)的对比试验。试验结果见表1。

由表1可以看出，各絮凝剂对东河矿选煤厂的煤泥水的沉降效果依次为4#、1#、2#、5#、3#，4#药剂的压缩层最小、沉降速度最快且澄清液的浓度最小，因此，祁县生产的聚丙烯酰胺对东河矿选煤厂煤泥水沉降效果最佳。
2.2 凝聚剂作用下的煤泥水沉降特性研究
选用聚合氯化铝(Al2(OH)nCl6-n)m及明矾(Al(SO4)2.12H2O)作凝聚剂，考查了它们对东河矿选煤厂煤泥水沉降效果的影响，结果见表2。由试验结果可知，单独加聚合氯化铝或明矾，细颗粒沉降速度较小，但澄清液固体物含量较低。聚合氯化铝在用量较小时，澄清液浓度稍高，两种凝聚剂对煤泥水沉降效果相近。凝聚剂添加量过大，药剂在矿浆中不容易分散，反而会降低使用效果。所以，针对东河矿选煤厂的煤泥水特性，选用聚合氯化铝做为凝聚剂较好，凝聚剂的合理用量为160～320g/m3。

由于细泥表面的负电性较强，因而单独使用凝聚剂时，其用量比聚丙烯酰胺的用量要大很多，而且颗粒在煤泥水中只表现为单颗粒或小聚团的沉降，速度非常缓慢，因此不能适应工业化连续生产的需要。
2.3 絮凝剂与凝聚剂的联合使用
向煤泥水中加入絮凝剂，颗粒沉降速度快，但澄清液浑浊；加入凝聚剂，则可得到澄清的上清液，但颗粒的沉降速度缓慢。因此，絮凝剂与凝聚剂在促进煤泥水沉降中各有优缺点。如果先用凝聚剂将凝聚成较大颗粒，再加入絮凝剂形成架桥作用，则由于颗粒荷电较少，颗粒间斥力较小，因而可使产生的絮团较为密实。
因此，选择4#聚丙烯酰胺和聚合氯化铝配合使用，在不同的药剂用量条件下，得到的沉降试验结果如表3所示。

由试验结果可知，随凝聚剂用量增加，澄清液的浓度逐渐降低，当用量为240g/m3时，与絮凝剂配合使用，所得澄清液残余浓度低于100mg/L，完全可以满足工业洗选的要求；但凝聚剂用量增加时，形成的固体沉积物密实程度降低，对后续煤泥的脱水回收不利。在凝聚剂用量不变的情况下，增加絮凝剂的用量，可较大幅度提高颗粒的沉降速度，但用量过多则存在成本高的问题，并且沉降效果也会降低。在絮凝剂用量不变的情况下，凝聚剂在用量较大情况下对沉降速度的影响较小。因此，凝聚剂与絮凝剂配合使用时，药剂的合理用量为：凝聚剂240g/m3，絮凝剂10g/m3。
在加药顺序上，因为细泥表面带有负电，颗粒之间存在静电斥力，故应先加凝聚剂以中和其表面负电荷，降低ξ-电位，使颗粒与颗粒之间可以相互靠近；之后，再加入絮凝剂，使其分子结构中的活性基团与颗粒发生作用，形成絮团，加快沉降速度，并且可使生成的固体沉淀物相对比较密实，对后续处理有利。所以，针对东河矿选煤厂煤泥水体系应先加凝聚剂，后加絮凝剂。
3.结论
通过对东河矿选煤厂煤泥水性质的测定，有针对性地选用几种常用药剂进行用量的选择与药剂的组合试验，可得到以下结论：
(1)高泥化煤泥水固体物沉降速度较低的主要原因为悬浮固体颗粒粒度小及颗粒表面带有大量负电荷。
(2)单独使用絮凝剂，对高灰细泥的絮凝作用较差，澄清液残余浓度高；单独使用凝聚剂时，颗粒沉降速度缓慢。絮凝剂与凝聚剂的单独使用均达不到良好的沉降效果。
(3)两者配合使用，加药顺序为先加凝聚剂，后加絮凝剂。当凝聚剂用量为240g/m3、絮凝剂用量为10g/m3时，在保证颗粒有较快沉降速度的同时，还能够得到浓度低于0.1g/L的澄清液，处理效果完全可以满足工业生产的要求。