鉀離子溶液洗煤對煤泥壓濾的影響分析

王輝鋒 徐志強 裴大牛 蔡 斌

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京市海淀區，100083）

濕法選煤要消耗大量的水（每洗選1t原煤，約需使用3m3水），因此煤泥壓濾就成為選煤廠至關重要的一個環節。原煤經過水洗后，原煤中粘土礦物會膨脹水化，其中以蒙脫石為代表的極易膨脹的粘土礦物表現最為明顯。在眾多的研究中都是加藥處理，促使煤泥快速沉降，但這種煤泥即使沉降后仍然難以壓濾。

本實驗從抑制蒙脫石膨脹著手，通過采用鉀離子溶液洗煤，抑制其中粘土礦物的膨脹，使其顆粒不分解，從而使煤泥水盡可能不形成膠體狀態，使得沉降性得以改善。

實際煤樣來自鐵法能源集團小康煤礦，該礦煤種為長焰煤，煤層中均含有較多的泥巖、頁巖和大量的油母頁巖，煤泥水均呈膠體形式存在，曾被業內稱為“永不沉淀的煤泥水”（煤泥水原樣放入瓶中可保持數月不分層），這樣的煤泥水特性無疑給洗煤生產尤其是后續的煤泥水處理工作帶來非常大的技術難度和管理難度。

1 實驗材料

煤泥樣品來自鐵法能源集團小康煤礦，煤泥小篩分實驗結果見表1。

表1 煤泥濕法篩分實驗結果

1.1 原煤中礦物含量測定結果

用X射線衍射分析法對原煤樣品的礦物種類和含量進行分析，結果顯示該原煤中粘土礦物含量為36.3%，其中：含石英12.0%，鉀長石0.7%，斜長石1.8%，方解石1.8%，黃鐵礦1.7%，而非晶質占到45.7%。粘土礦物中伊蒙混層含量較高，達到50%，高嶺石含量為40%。

1.2 藥劑

實驗所用蒙脫石為化學純，樣品的平均粒度為4.78μm，KCl為分析純。

1.3 實驗裝置

實驗原理圖見圖1。過濾面積為19.6c m2。實驗時，先將濾布放入桶內底部密封好，然后倒入料漿，封好頂部，之后通入壓力為0.8 MP a空氣，在壓力作用下，濾液穿過濾布留出，濾餅截留在濾布上，本實驗以高壓氣流吹通濾餅為結束。測定整個高壓氣流壓濾時間和最終濾餅水分。

圖1 壓濾實驗原理圖

2 壓濾實驗

2.1 粒度對比實驗

取干燥的蒙脫石2.5g，分別用水、KCl溶液溶解，之后使用L S－C（1）激光粒度儀進行粒度檢測。結果發現，水溶蒙脫石的平均粒度為4.78 μm，而KCl溶液溶解的蒙脫石平均粒度為23.58μm，說明KCl溶液有效地抑制了蒙脫石的膨脹和水化。

2.2 鉀離子溶液添加量實驗

取干燥的蒙脫石2.5g，分別用水和不同濃度的KCl溶液在250ml量筒中做靜沉降實驗。根據上清液透光率和沉積物高度來分析其沉降特性，確定最佳的鉀離子添加量，實驗結果見圖2。

從圖2可以得出如下結論：

（1）蒙脫石遇水后形成膨脹乳狀液，靜置45 m in基本無分層。用KCl溶液溶解蒙脫石后，沉降效果有很大改善。

（2）以10g／L的KCl溶液對其沉降效果最好。

圖2 不同濃度KCl溶液對蒙脫石沉降的影響

2.3 傳統壓濾與KCl溶液煤泥壓濾實驗對比

為了了解不同蒙脫石含量對不同粒級煤泥壓濾的影響，將精煤分成不同粒級，分別用不同粒級的精煤與蒙脫石配比，用水和KCl溶液（10g／L）分別溶解，配制成300g／L的煤泥水，之后進行壓濾實驗對比。

對于壓濾效果而言，過濾速度越快越好，濾餅水分越低越好，因此，本實驗建立一個綜合指標，該綜合指標S為：

式中：V——過濾速度，ml／s；

M——濾餅水分，%。

該綜合指標數值越大，表明壓濾效果越好，計算結果見表2、圖3。

圖3 不同蒙脫石含量對不同粒級精煤壓濾影響效果

經分析，可以得到如下結論：

（1）各粒度級的物料用KCl溶液均比用水溶液壓濾效果好，同等粒度下，前者的過濾速度是后者的3～8倍，前者的濾餅水分也比后者有所降低。

（2）隨著蒙脫石含量增加，壓濾效果迅速變差。

（3）用KCl溶液時，各級物料均能被有效壓濾，傳統的用水溶解，當蒙脫石含量達到50%時均不能被壓濾，當粒度低于0.1mm時，蒙脫石含量達到30%時均不能被壓濾。

（4）粒度越粗，壓濾效果越好。

2.4 現場原煤壓濾實驗對比

取現場原煤磨碎后，分別用水和KCl溶液配成300 g／L的煤泥水，進行壓濾實驗，結果見表3。

表2 不同蒙脫石含量對不同粒級精煤壓濾的影響

表3 原煤加水壓濾與加KCl溶液壓濾效果對比

由表3可知：

（1）KCl溶液溶解后的原煤壓濾效果遠優于水溶解原煤壓濾效果，前者的過濾速度約是后者的9倍，濾餅水分明顯降低。

（2）由于小康礦煤中粘土礦物伊蒙混層最多，因此比較適合鉀離子溶液洗煤。

3 理論分析

關于無機鹽抑制蒙脫石膨脹的研究多數集中在油田鉆井方面，用以配置防塌鉆井液。

目前普遍認為，K＋和NH4＋抑制粘土水化的主要機理有以下兩點：

一是這兩種離子的水化能低。K＋和NH4＋水化能均低于Li＋、N a＋、C a2＋、M g2＋和B a2＋等陽離子。由于粘土對陽離子吸附具有選擇性，它優先吸附水化能較低的陽離子，因而K＋、NH4＋往往比N a＋或C a2＋優先被粘土所吸附。此外，當其被粘土吸附后，由于水化能低，會促使晶層間脫水，使晶層受到壓縮，形成緊密的構造，從而能夠有效地抑制粘土水化。

二是K＋、NH4＋的直徑大小剛好可以進入兩個氧六角環之間的空間。由于水化后的K＋、NH4＋離子半徑仍小于伊利石和蒙脫石的層間間隙，因而能進入層間，其它離子（除C s＋和R b＋外）水化后的半徑都大于該間隙，因而不能進入。當K＋失去吸附水化膜時，稍微變小，相鄰晶層的四面體晶片互相靠近。隨著上述過程繼續進行，收縮作用迫使K＋進入裸露表面的自由空間，它立刻被牢固地保留在適當位置上。由于K＋形成鍵合，從而限制了相鄰硅酸鹽晶片的膨脹和分離。K＋的這種作用稱為K＋的晶格固定作用，正是由于這種作用，使K＋有可能盡量靠近相鄰晶層的負電荷中心，因而所形成的致密構造不會在水中再發生較強的水化。這種構造已經過脫水、壓縮，所以K＋很難再被置換。

4 結論

（1）用鉀離子溶液進行洗煤可以有效抑制煤中蒙脫石的膨脹和水化，最佳的加入量為10g／L。

（2）各粒度級的精煤用KCl溶液均比用水溶液壓濾效果好。同等粒度下，前者的過濾速度是后者的3～8倍，前者的濾餅水分也比后者有所降低。

（3）隨著蒙脫石含量的增加，壓濾效果迅速變差。用KCl溶液時，各級物料均能被有效壓濾；傳統的用水溶解，當蒙脫石含量達到50%時均不能被壓濾，當粒度低于0.1mm時，蒙脫石含量達到30%時均不能被壓濾。

（4）KCl溶液溶解后的原煤壓濾效果遠優于水溶解原煤壓濾效果，前者的過濾速度約是后者的9倍，濾餅水分明顯降低。

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