內(nèi)蒙古凱達(dá)選煤廠難沉降煤泥水沉降試驗(yàn)研究

白景啟，袁廣春

(1.天地科技股份有限公司 唐山分公司，河北 唐山 063000； 2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012;3.海王旋流器有限公司,山東 威海 264200)

內(nèi)蒙古凱達(dá)選煤廠難沉降煤泥水沉降試驗(yàn)研究

白景啟1,2，袁廣春3

(1.天地科技股份有限公司 唐山分公司，河北 唐山 063000； 2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012;3.海王旋流器有限公司,山東 威海 264200)

針對內(nèi)蒙古凱達(dá)選煤廠煤泥中高嶺土含量高、微細(xì)顆粒所占比例大、難于沉降的特點(diǎn)，以內(nèi)蒙古凱達(dá)選煤廠煤泥水為研究對象，研究了九種不同凝聚劑對該廠煤泥水的沉降效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：對于該煤泥水，AlCl3作為凝聚劑沉降效果最好；并通過正交試驗(yàn)，得出AlCl3的最佳藥劑用量為6 g/L，添加后以80 r/min的速度攪拌30 s，沉降效果最佳。

煤泥水；凝聚劑；藥劑用量；沉降效果

隨著選煤機(jī)械化程度的提高，原煤中細(xì)粒煤所占的比例越來越大[1]。一直以來，選煤廠煤泥水的處理問題始終是煤炭洗選加工過程中的難題。目前國內(nèi)選煤廠煤泥水處理的基本現(xiàn)狀是，受到資金、技術(shù)和管理等各方面因素的制約，有一些選煤廠并未實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)，尤其是小型選煤廠[2]，煤泥回收率低以及煤炭資源浪費(fèi)的問題比較突出。伴隨著世界各國環(huán)保壓力的不斷加大以及節(jié)能減排要求的不斷提高，迫切需要找出更加高效的處理方法，以便從根本上改變煤泥水難于處理的現(xiàn)狀[3]。近年來，雖然我國煤炭入選比例逐年增加，但是仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界的原煤入選比例，因此對煤炭進(jìn)行洗選加工、發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)勢在必行[4]。同時，隨著國家環(huán)保法律、法規(guī)的逐漸完善，以及監(jiān)管力度的逐漸加大，對煤泥水處理技術(shù)提出了更高的要求，特別是對于難沉降煤泥的處理。

凱達(dá)選煤廠是內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司一座處理能力為6.0 Mt/a的群礦型動力煤選煤廠，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，行政隸屬于準(zhǔn)格爾旗羊市塔鎮(zhèn)管轄，與伊泰集團(tuán)凱達(dá)煤礦位于同一個工業(yè)廣場內(nèi)。該廠入選煤種為不粘煤，矸石易泥化，煤泥中高嶺土含量高，且微細(xì)粒(<0.25 mm)含量高達(dá)80%，處理比較困難。為此，對該廠煤泥水的組成和性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過分析煤泥粒度與沉降速度的關(guān)系，并結(jié)合煤泥水的電動電位等因素，對煤泥水樣品進(jìn)行反復(fù)對比試驗(yàn)，最終確定了藥劑的最佳添加方案。

1 煤泥水性質(zhì)分析

1.1 煤泥粒度組成分析

煤泥是由粒度、形狀以及密度差別較大的顆粒混合在一起組成的，這就決定了煤泥粒度組成的復(fù)雜性。煤泥的沉降速度和煤泥粒度有著密切的關(guān)系[5]，是影響煤泥水處理的重要因素。為了準(zhǔn)確分析煤泥的粒度組成，試驗(yàn)采取內(nèi)蒙古凱達(dá)選煤廠烘干后的煤泥樣品，根據(jù)現(xiàn)場浮選尾煤濃度，配制了濃度為30 g/L的煤泥礦漿，利用激光粒度分析儀對其進(jìn)行了檢測分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 凱達(dá)選煤廠煤泥粒度分布曲線

根據(jù)激光粒度分析儀的測定結(jié)果可知，濃度為30 g/L煤泥礦漿的d50=1.83 μm，d90=4.40 μm。通過對測定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該煤泥粒度極細(xì)，其中的細(xì)泥部分主要是因伴生礦石的泥化作用造成的。

1.2 煤泥樣品組成分析

采用X射線熒光光譜分析(XRF)對煤泥樣品中易泥化的伴生礦石進(jìn)行了分析和檢測，以確定其化學(xué)成分和礦物組成，測試結(jié)果見表1。

表1 煤泥樣品的XRF檢測結(jié)果

對光譜分析檢測結(jié)果進(jìn)行分析可知，煤泥伴生礦石中的化學(xué)成份組成主要有：SiO2(58.65%)、Al2O3(26.34%)、Fe2O3(3.26%)、Na2O(2.97%)、MgO(3.14%)、CaO(2.43%)、K2O(1.69%)、TiO2(0.724%)等，還含有少量的CuO、ZrO2、ZnO、Br、Rb2O等。

1.3 煤泥泥化性質(zhì)的測定

取30 g經(jīng)縮分后的煤泥樣品浸入水中，將JJ-1型攪拌機(jī)的攪拌速度調(diào)節(jié)至30 r/min，使煤泥伴生礦石在攪動的水流中泥化，定時撈出測量伴生礦石的質(zhì)量，測量值見表2，樣品質(zhì)量隨時間變化曲線見圖2。

表2 煤泥樣本隨時間泥化的變化數(shù)據(jù)

圖2 樣本質(zhì)量隨時間的變化曲線

通過轉(zhuǎn)鼓泥化試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)，煤樣開始泥化，分散成很多細(xì)小的灰白顆粒。30 min左右伴生礦石的泥化作用基本停止，表明伴生礦石的泥化作用較為明顯，泥化速度快。由于該煤泥粒度細(xì)，粘性大，易與水形成穩(wěn)定的液溶膠，難于沉降[6]，致使煤泥水能夠長久的保持懸浮狀態(tài)。長時間處于懸浮狀態(tài)的煤泥水的很穩(wěn)定，極不容易處理[7]。

1.4 煤泥水樣品ζ電位的測定

煤泥水中粒度<2 μm的微細(xì)顆粒主要是黏土礦物顆粒，這些顆粒的聚沉穩(wěn)定性決定著煤泥水處理的難易程度[8]。黏土顆粒溶于水時會發(fā)生解離，解離的結(jié)果是使顆粒表面帶負(fù)電荷，黏土顆粒必然要去吸附溶液中處于游離狀態(tài)的陽離子，此時熱運(yùn)動與靜電引力將會共同作用，作用結(jié)果是使只有一部分陽離子能緊密地吸附在顆粒的表面，而另一部分陽離子擴(kuò)散于緊密層與本體溶液之間, 從而形成黏土顆粒與溶液中離子之間特有的擴(kuò)散雙電層模型[9]。煤顆粒與黏土顆粒類似，在電場力的作用下，固-液之間將會發(fā)生相對移動，這種移動造成滑動面與本體之間產(chǎn)生了電勢差，形成的電勢差即為ζ電位。

為了考查煤泥顆粒表面的電動電位，采用JS94H型電泳儀對顆粒電性進(jìn)行檢測分析，結(jié)果見表3。

表3 煤泥電動電位測量結(jié)果

難沉降煤泥水是一個比較穩(wěn)定的膠體體系，煤泥顆粒表面帶有電荷，正是由于這些顆粒帶有電荷，才阻止了煤泥顆粒間的相互碰撞與聚集，從而使得煤泥水不易沉降。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，煤泥礦漿中顆粒表面呈負(fù)電性，電動電位平均檢測值為-14.35 mV。煤泥顆粒具有較強(qiáng)的負(fù)電性，致使體系中的顆粒相互排斥，影響沉降效果[10]。

2 試驗(yàn)樣品的制備

本試驗(yàn)方案的制定嚴(yán)格遵循了GB/T 26919—2011《選煤廠煤泥水自然沉降試驗(yàn)方法》中的規(guī)定。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從現(xiàn)場縮取一份試樣進(jìn)行翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，待到翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)束后，將煤泥水靜置沉降，直到上層的煤泥水變清澈，再取出上層澄清液用于以后的篩分噴水；上清液取出后，先將筒內(nèi)>3 mm粒級的物料篩除，再將筒內(nèi)粒度>0.5 mm粒級的物料除去，在篩分的過程中應(yīng)加噴水以提高篩分的效率。將浮選前煤泥水試樣按GB/T4757—2013《煤粉(泥)實(shí)驗(yàn)室單元浮選試驗(yàn)方法》進(jìn)行浮選試驗(yàn)(應(yīng)進(jìn)行多次浮選試驗(yàn)，以獲取足夠的尾礦煤泥水)。根據(jù)現(xiàn)場資料可知，浮選機(jī)浮選后進(jìn)入濃縮機(jī)的煤泥水濃度為30.15 g/L，因此配制濃度為30.15 g/L的煤泥水。試驗(yàn)完成后，將所得的尾礦煤泥水盛入塑料桶內(nèi)密封，并置于室溫下存放備用。

3 煤泥水沉降試驗(yàn)

3.1 添加凝聚劑沉降試驗(yàn)

配制30.15 g/L的煤泥水樣品足量，將煤泥水分別倒入已準(zhǔn)備好的500 mL量筒中，再快速地向各量筒中加入配制好的凝聚劑進(jìn)行沉降試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，每隔5 min觀察一次試驗(yàn)現(xiàn)象，并做好試驗(yàn)記錄，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制煤泥水沉降曲線。本試驗(yàn)以澄清區(qū)高度(mm)、沉降速度(mm/min)、上清液的濁度(NTU)、ζ電位(mV)為評價(jià)指標(biāo)。

試驗(yàn)選取了九種不同的凝聚劑，沉降試驗(yàn)結(jié)果見表4，并將其中沉降效果較好的7種藥劑的沉降曲線繪于圖3。

表4 凝聚劑沉降試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同凝聚劑的沉降曲線

由圖3沉降試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 在凝聚劑的添加量為2 g/L時，AlCl3、FeSO4、ZnCl2、MnSO4、MgCl2沉降速度較快。

(2)單獨(dú)添加低濃度CaCl2時，沉降效果不理想。

(3) KCl和CaO對該煤泥水的沉降效果不明顯，這兩種藥劑加入30 min后煤泥水沉降界面幾乎沒有變化，溶液仍然很渾濁，透光率極低。其中凝聚劑KCl雖是易溶于水的鹽酸鹽，在水中電離出K+，但由于該陽離子電荷量較低，在加藥量較小的情況下不能給煤泥水的沉降帶來較好的效果；煤泥水中加入CaO時，由于有Ca(OH)2生成，會使煤泥顆粒處于弱堿性的環(huán)境中，因而不利于煤泥顆粒的沉降。

(4) 在本次試驗(yàn)中PAC的沉降效果一般。對電動電位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出，Al3+、Fe2+、Mg2+在降低煤泥水電動電位方面具有明顯的效果，能夠有效地改善煤泥顆粒表面的電動電位，使煤泥顆粒發(fā)生沉降。

經(jīng)綜合考慮，確定選用AlCl3作為凝聚劑處理該煤泥水。由于經(jīng)凝聚劑AlCl3處理后煤泥水已達(dá)到較為理想的沉降效果，故本試驗(yàn)不考慮用絮凝劑與凝聚劑聯(lián)合用藥來處理該煤泥水。

4 最佳試驗(yàn)條件的確定

在沉降試驗(yàn)中，凝聚劑的添加量、攪拌速度以及攪拌時間都會影響試驗(yàn)結(jié)果，因此確定以AlCl3用量(A)、攪拌速度(B)、攪拌時間(C)為三因素，進(jìn)行了三因素三水平的正交試驗(yàn)，因素水平表見表5。

表5 因素水平表

根據(jù)表5設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)，每次取配置好的濃度為30.15 g/L的煤泥水樣品，加入一定量的AlCl3，以特定的攪拌速度攪拌，攪拌一定時間后倒入沉淀柱進(jìn)行沉降試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

由于對該煤泥水做了大量的沉降試驗(yàn)，總結(jié)出當(dāng)上清液濁度提高1%的時候，相當(dāng)于沉降高度提高了的2%，因此，表6中的綜合評分是用上“清液濁度×2+沉降高度”來表示的。

通過對表6分析可知：

(1)攪拌速度與藥劑的用量對煤泥沉降效果的影響最大，攪拌時間則影響較小。

(2)煤泥水沉降效果在一定范圍內(nèi)隨著凝聚劑用量的增加而變好，但并不是越多越好。另外，加入凝聚劑后需要對溶液進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢瑁倚枰刂坪脭嚢钑r間。

(3)該正交試驗(yàn)的最優(yōu)組合是A3B1C2,即AlCl3的用藥量為6 g/L，攪拌時間30 s，攪拌速度80 r/min。

5 結(jié)論

(1)通過添加幾種不同的凝聚劑進(jìn)行凝聚沉降試驗(yàn)可知，在凝聚劑的添加量為2 g/L時，AlCl3、FeSO4、ZnCl2、MnSO4、MgCl2沉降速度較快，效果明顯。對電動電位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出，Al3+、Fe2+、Mg2+在降低煤泥水電動電位方面具有明顯的效果，能夠有效地改善煤泥顆粒表面的電動電位，使煤泥顆粒發(fā)生沉降。

(2)經(jīng)綜合考慮，確定選用AlCl3作為凝聚劑處理該煤泥水，由于經(jīng)凝聚劑AlCl3處理后的煤泥水溶液已達(dá)到較為理想的沉降效果，故本試驗(yàn)不考慮用絮凝劑與凝聚劑聯(lián)合用藥來處理該煤泥水。

(3)通過正交試驗(yàn)，確定了最佳試驗(yàn)條件即AlCl3的用量為6 g/L，攪拌時間30 s，攪拌速度80 r/min。

[1] 王少會.選煤廠煤泥水處理的應(yīng)用分析[J].中國礦業(yè)，2004,13(5)：56-57.

[2] 周春生. 我國選煤廠煤泥水處理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].甘肅科技，2005,21(2)：142-143.

[3] 張英杰.煤泥水化學(xué)微生物法深度處理的基礎(chǔ)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[4] Mel J Lauila .Coal Preparaion：The Last 20 Years What Lies Ahead[J].Coal，2011 (11)：32-36.

[5] 冉進(jìn)才，陶東平，李延鋒，等. 選煤廠煤泥水處理問題及對策[J].選煤技術(shù)，2003(1)：29-30.

[6] 鄧立龍，焦華喆，侯保青，等. 選煤廠煤泥水危害及處理工藝淺析[J].西部探礦工程，2012(3)：131-135.

[7] 蓋春燕，樊民強(qiáng). pH值對煤泥水處理的影響[J].選煤技術(shù)，2010 (2)：24-25.

[8] 張明青，劉炯天，李小兵，等. 煤泥水中黏土顆粒對鈣離子的吸附實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理探討[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(5)：547-551.

[9] 馬正先，佟明煜，樸正武，等.pH對煤泥水絮凝沉降絮凝沉降的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010,4(3)：487-491.

[10] 胡曉東.難沉降煤泥水性質(zhì)研究[J].能源技術(shù)與管理，2009(2)：89-90.

Research on settlement characteristics of difficult settling coal slurry in kaida coal preparation plant of Inner Mongolia

BAI Jing-qi1,2,YUAN Guang-chun3

(1. Tangshan Branch of Tiandi Science & Technology Co.,Ltd., Tangshan, Hebei 063000, China；2. Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012, China; 3. Weihai Haiwang Hydrocyclone Co. Ltd., Weihai, Shandong 264200, China)

Aiming at the coal slime that is characterized by high content of kaolin, large amount of micro-fines, difficult settling in kaida coal preparation plant of Inner Mongolia, settling effect of coal slurry from this plant was studied by using nine different coagulating agents. The test results show that coagulating agent AlCl3is the most appropriate for this coal slurry; the best settling effect is obtained by orthogonal experiment when the dosage of AlCl3is 6 g/L, stirring 30 s at a speed of 80 r/min.

coal slurry; coagulating agent; orthogonal experiment

TD946.2

A

1001-3571(2015)04-0026-05

2015-04-30

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.007

白景啟(1980—)，男，黑龍江省肇東市人，工程師，從事選煤工藝設(shè)計(jì)工作。

E-mail：13903158087@163.com Tel：0315-7759023