選煤廠難沉降煤泥水特性及影響因素分析

周圓圓

（山西霍州煤電集團(tuán)辛置礦選煤廠，山西 霍州 031412）

選煤廠煤泥水作為選煤工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其處理效果直接影響著選煤效率，而難沉降煤泥水是選煤過(guò)程中煤泥水處理形成閉路循環(huán)最大的難題。因此，本文擬從難沉降煤泥水的組成及特性，分析影響煤泥水難沉降的因素，以期對(duì)解決難沉降煤泥水的難題提供有益參考。

1 選煤廠難沉降煤泥水的組成及特性

1.1 難沉降煤泥水的組成

選煤是我國(guó)潔凈煤技術(shù)的基本手段，煤泥水是濕法選煤過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水，其沉降循環(huán)利用是選煤工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。而難沉降煤泥水是指在自然沉降條件下，數(shù)天都無(wú)法澄清的煤泥水，難沉降的煤泥水嚴(yán)重影響著選煤系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)煤泥水的高效處理，需要研究煤泥水的成分組成。

煤泥水是煤和多種礦物顆粒及其水解后形成的復(fù)雜懸浮物，其還包含少量的金屬離子和選煤藥劑等，具有礦物粒度分布范圍大、溶液化學(xué)組分復(fù)雜的特性[3]。以煤泥水物質(zhì)來(lái)源為基礎(chǔ)，分析煤泥水的主要組成：（1）根據(jù)所選原煤的變質(zhì)炭化程度可以把煤分為泥炭、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤，按宏觀煤巖結(jié)構(gòu)的不同可分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤，不同的煤質(zhì)對(duì)煤泥水特性的影響差異較小；（2）通過(guò)XRD衍射成分分析，一般煤中礦物質(zhì)組成主要包括黏土礦物、氧化礦物、碳酸鹽礦物、硫化礦物、硫酸鹽礦物及少量其他礦物質(zhì)，其中黏土礦物是含量最多的礦物，如山西大同和陽(yáng)泉礦區(qū)煤樣中粘土礦物含量分別為41.02%和85.64%，常見(jiàn)粘土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石[4]。常見(jiàn)的氧化礦物多以石英為主，且其含量也較大，碳酸鹽礦物主要為方解石，硫化礦物主要是與煤炭資源伴生的黃鐵礦，硫酸鹽礦物的含量較少，如石膏等；（3）針對(duì)選煤廠的用水，主要有地表水、淺層地下水、礦井水、深層地下水幾種來(lái)源，不同水的水質(zhì)也有一定差異，但都有自然水中的基本離子（陽(yáng)離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+， 陰 離 子 Cl-、 SO42-、HCO3-），但不同來(lái)源的水含有的各離子差異較大，地表水的礦化程度低，相對(duì)硬度也低，淺層地下水礦化度和硬度都有一定增加，且隨著深度的增加均增大，而礦井水的礦化度與硬度一般都較低。

1.2 難沉降煤泥水的特性

難沉降煤泥水的性質(zhì)與其物質(zhì)組成密切相關(guān)，且受到各個(gè)物質(zhì)間的相互影響作用。由于組分的差異，難沉降煤泥水的性質(zhì)也不相同，但也存在一些共同特性，如煤泥水的濃度高、細(xì)粒煤和細(xì)泥含量高、黏度大、水的硬度低等。煤泥水的性質(zhì)直接影響沉降的效果，而難沉降煤泥水不易沉降的原因主要包括以下幾個(gè)方面的性質(zhì)。

（1）難沉降煤泥水中含有大量的細(xì)顆粒物質(zhì)，比表面積很大，且表面具有較高的負(fù)電性。細(xì)顆粒物之間的電荷產(chǎn)生的靜電斥力大，使細(xì)顆粒呈現(xiàn)分散狀態(tài)，不易形成大顆粒聚合物沉降。煤泥水中的親水氧化物容易形成膠體，Zeta電位是用來(lái)評(píng)價(jià)膠體體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其是通過(guò)膠體粒子的帶電特性判斷膠體的穩(wěn)定性，Zeta電位越大，表明細(xì)顆粒間的靜電斥力越大，膠體越穩(wěn)定。圖1為某選煤廠細(xì)粒煤和細(xì)泥表面Zeta電位與pH值的關(guān)系[5]，由圖可知，細(xì)泥的Zeta電位負(fù)值比細(xì)粒煤大，因此煤泥水中細(xì)泥含量越高，煤泥水越穩(wěn)定，越難沉降。

圖1 細(xì)粒煤、細(xì)泥顆粒表面電位與pH值的關(guān)系

（2）煤泥水不僅有懸浮液的性質(zhì)，還具有膠體的性質(zhì)，由于煤泥水中細(xì)顆粒物的重量輕，顆粒無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)速度大，在水中呈穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，僅以自身重力作用下沉難以達(dá)到理想的沉降效果。煤泥水中細(xì)顆粒物的干擾沉降速度Vg可以用利亞申柯公式表示，即：

式中：

vg-顆粒在煤泥水中的干擾沉降速度，cm/s；

δ-細(xì)顆粒物的密度，g/cm3；

d-細(xì)顆粒的粒度，cm；

R-煤泥水的液固比。

從式（1）可知，煤泥水中顆粒物的沉降速度vg與顆粒粒度d成二次正比關(guān)系，顆粒粒度的分布對(duì)沉降速度的影響很大，即顆粒粒度越細(xì)，越容易懸浮，煤泥水越不容易沉降，因此細(xì)泥和細(xì)煤粉難于沉降。

（3）由于煤泥水中細(xì)顆粒物的表面存在未補(bǔ)償?shù)逆I能，使水分子在其周圍定向排列，形成水化膜，阻止顆粒間相互接觸生成大顆粒沉降。另外，有些顆粒還與周圍水分子發(fā)生水化反應(yīng)，形成阻止細(xì)顆粒聚合的水化膜，使煤泥水出現(xiàn)難沉降現(xiàn)象。

2 煤泥水難沉降的影響因素分析

（1）礦物的泥化作用

泥化性主要是由礦物的微觀結(jié)構(gòu)所決定，在水中易于泥化的是軟質(zhì)粘土礦物。粘土礦物具有很強(qiáng)的吸水膨脹性，在水中容易軟化崩解成比其他礦物粒度小、質(zhì)量輕的微米級(jí)顆粒，使溶液泥化不易沉降，且粘土礦物在水中停留的時(shí)間越長(zhǎng)，泥化作用越嚴(yán)重，煤泥水的粘度越大，增加了煤泥水的處理難度。而在選煤過(guò)程中，不同變質(zhì)程度的煤都不易泥化，煤層中存在的矸石也不易泥化。不易于泥化的礦物在洗選過(guò)程中，由于不會(huì)因?yàn)樗慕莺蜋C(jī)械破碎作用而形成幾十微米以下的極細(xì)顆粒，因而較容易沉降，不會(huì)形成難沉降煤泥水。

（2）礦物顆粒聚合穩(wěn)定性

煤泥水中的顆粒在溶液中受重力和布朗運(yùn)動(dòng)的作用，當(dāng)?shù)V物顆粒的粒徑大于十幾微米時(shí)，重力作用大于布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒自由沉降，且沉降速度符合Stokes定律，即顆粒在溶液中的下沉速度與其半徑成正比，半徑越小，沉降越緩慢。而顆粒大小的形成，需要考慮顆粒之間的聚合和分散作用，根據(jù)EDLVO理論，煤泥水中礦物顆粒總勢(shì)能為[6]：

式中：

VW-礦物顆粒間的范德華力相互作用能；

VE-礦物顆粒間的靜電作用能；

[VH]-礦物顆粒間極化作用，排斥或吸引勢(shì)能。

礦物顆粒總勢(shì)能VT值的正負(fù)決定了顆粒間的聚合和分散，VT大于0時(shí)，礦物顆粒間相互排斥，顆粒處于分散狀態(tài)，不易沉降；小于0時(shí)，相互吸引，顆粒聚合，形成大顆粒沉降。而且粘土礦物顆粒常帶負(fù)電荷，容易吸附煤泥水中的陽(yáng)離子，但由于靜電作用能和布朗運(yùn)動(dòng)，只有一部分吸附在顆粒表面，另一部分散布于溶液與顆粒之間形成了顆粒與離子間的擴(kuò)散雙電層模型。在離子電場(chǎng)作用下，粘土顆粒與溶液間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的“滑動(dòng)面”與本體之間的電勢(shì)差為ζ電位，其大小決定了煤泥水的沉降難易程度，ζ電位越大，礦物顆粒間產(chǎn)生的靜電斥力越大，阻止礦物顆粒的聚合，礦物顆粒越難沉降；ζ電位越小，煤泥水越容易沉降。

（3）選煤水的水質(zhì)

選煤水作為煤泥水的重要組成，不僅是選煤的重要介質(zhì)，也給煤泥水的形成提供了條件。不同地區(qū)選煤廠的水質(zhì)差別較大，水中離子的含量和水的硬度也相差懸殊，其水質(zhì)與煤泥水的沉降難易程度密切相關(guān)。離子的含量高、硬度大的選煤水一般不需要特殊處理就能實(shí)現(xiàn)煤泥水循環(huán)澄清，而離子含量低、硬度小的選煤水極易形成難沉降煤泥水。另外，由于現(xiàn)代選煤廠的大型化，空間利用集約化，使煤泥水的循環(huán)流量很大，而且循環(huán)的周期較短，因此在受限的空間和時(shí)間也極大地影響了煤泥水的沉降。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤泥水難沉降影響因素的分析表明，軟質(zhì)粘土的泥化作用是煤泥水難沉降的直接因素；煤泥水中礦物顆粒粒度越小，越難沉降；ζ電位越大，礦物顆粒間產(chǎn)生的靜電斥力越大，煤泥水越難沉降；離子含量低、硬度小的選煤水極易形成難沉降煤泥水，受限的空間和時(shí)間也是影響煤泥水難沉降的重要因素。