選煤廠煤泥水沉降效果試驗研究

李敏恒，王先鵬，李凌月，張宇龍，周生倫

(1.陜西華電榆橫煤電有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.華電電力科學研究院有限公司，北京 100070)

1 概 述

煤泥水處理是選煤生產工藝中的一個關鍵環節，如果煤泥水處理不好，循環水質量將無法滿足正常生產，嚴重時不得不將煤泥水外排，從而造成經濟效益下降、環境污染[1-3]。目前，在煤泥水的處理過程中，需要用到絮凝劑、凝聚劑等，藥劑的合理使用決定了煤泥水處理的難易程度[4-6]。

從各選煤廠的生產情況看，隨著采煤機械化程度的提高，分選下限的降低，細粒煤所占比例逐漸增大。由于煤泥顆粒粒度細、灰分高和易泥化等特點，致使煤泥水沉降困難，大多數選煤廠的現有煤泥水處理方式都存在一些問題[7-10]。本文以小紀汗選煤廠不同濃度煤泥水為研究對象，通過對煤泥水進行絮凝沉降試驗，分析煤泥水濃度、凝聚劑種類及絮凝劑用量對煤泥水沉降效果的影響，以期提高選煤廠的煤泥水處理效果。

2 試 驗

絮凝沉降性能試驗參照《選煤用絮凝劑性能試驗方法》(GB/T 18712—2002)[11]，采用聚丙烯酰胺(分子量1 200萬)作為絮凝劑，配置濃度為0.1%的聚丙烯酰胺溶液和濃度為1%的凝聚劑溶液。選取初始沉降速度、上澄清液濁度作為評價絮凝沉降效果的指標。初始沉降速度為：

式中：v——澄清界面的初始沉降速度，cm /min；

Ti——某一累計時刻 (i=0，1，2，3，…，n)，s；

Hi——對應于Ti的澄清界面累計下降距離，mm；

A——直線段首端型值點順序號；

B——直線段末端型值點順序號；

M——直線段A到B的型值點的累計個數，M=B-A+i。

圖1 不同煤泥水濃度和絮凝劑量條件下的沉降結果

圖2 不同煤泥水濃度條件下濁度隨絮凝劑量的變化

3 結果與討論

3.1 不同凝聚劑效果對比

為探索不同凝聚劑對煤泥水絮凝沉降效果的影響，選擇MgCl2、FeCl3、聚合氯化鋁和CaCl2為4種常用的凝聚劑。在煤泥水濃度為74 g/L條件下，添加分子量為1 200萬的絮凝劑量為10 g/m3，凝聚劑：絮凝劑質量比為3∶1，探索不同凝聚劑條件下的煤泥水沉降速度，試驗結果見表1。

由表1中可知，使用聚合氯化鋁時煤泥水沉降速度最快，主要因為聚合氯化鋁有吸附和電中和作用，也有網捕和橋聯作用，且帶有高價陽離子(Al3+)的凝聚劑更利于壓縮煤泥水中固體顆粒表面的雙電層。所以選用聚合氯化鋁作為凝聚劑效果最佳。

表1 凝聚劑對煤泥水沉降效果的影響

3.2 不同煤泥水濃度沉降效果響應面法分析

為分析煤泥水濃度和藥劑添加量對沉降效果的影響，采用響應面法分析了2種因素對響應值沉降速度和濁度的影響。

3.2.1 初始沉降速度響應面法分析

根據初始沉降速度試驗數據，對Design-Expert推薦的4種模型進行了R2綜合分析，見表2。結果表明，4種模型中，二次方模型的標準偏差和預測殘差平方和均較小，R2和R2預測值均較大，因此決定采用二次方模型進行試驗結果的模擬及分析。

表2 R2綜合分析(初始沉降速度)

對二次方模型的模型參數進行了方差分析，見表3。采用F值檢驗法對模型參數的顯著性進行了檢驗，其中，當模型參數的“Prob>F”大于0.1時，說明該參數不顯著；當“Prob>F”小于0.05時，說明該參數顯著。從表3中可以看出，模型中的X1、X2、X1X2、X12、X22因素顯著。通過模擬得出了初始沉降速度與X1、X22因素的數學關聯式：

初始沉降速度=82.55-153.80X1+171.81X2-201.38X1X2+76.97X12+84.19X22

式中：X1——煤泥水濃度，g/L；

X2——藥劑量，g/m3。

表3 二次方模型參數的方差分析(初始沉降速度)

基于初始沉降速度數學關聯式，對預測結果和試驗結果進行了對比分析。試驗值和預測值的對比見圖3，從圖中可以看出試驗值和預測值吻合度較高。

圖3 初始沉降速度試驗值和預測值的對比

圖4為煤泥水濃度和絮凝劑量對初始沉降速度的影響。由圖4可知，煤泥水濃度一定時，隨著絮凝劑添加量的增加，初始沉降速度逐漸增加。當絮凝劑添加量一定時，隨著煤泥水濃度的增加，初始沉降速度逐步減小。低濃度煤泥水對藥劑比較敏感，藥劑量增大后，初始沉降速度增加較快，而高濃度煤泥水存在一段沉降速度變化較小的區域，高于該區域的藥劑量后沉降速度變化較快。

圖4 絮凝劑量和煤泥水濃度對初始沉降速度的影響

3.2.2 上澄清液濁度響應面法分析

根據上澄清液濁度試驗數據，對Design-Expert推薦的4種模型進行了R2綜合分析，見表4。結果表明，4種模型中，立方模型的標準偏差和預測殘差平方和均較小，R2、R2校正值、R2預測值均較大，因此決定采用立方模型進行試驗結果的模擬及分析。

表4 R2綜合分析(上澄清液濁度)

表5 立方模型參數的方差分析(上澄清液濁度)

對立方模型的參數進行了方差分析，見表5，采用F值檢驗法對模型參數的顯著性進行了檢驗，其中，當模型參數的“Prob>F”大于0.1時，說明該參數不顯著；當“Prob>F”小于0.05時，說明該參數顯著。從表5中可以看出，模型中的X1、X2、X1X2、X12、X22、X12X2、X1X22、X13因素顯著，同時可以看出X1因素的顯著性高于X2因素。通過模擬得出了上澄清液濁度與X1、X22因素的數學關聯式：

上澄清液濁度=79.23-343.82X1+528.05X2-1733.77X1X2+558.48X12+1209.25X22+1300.42X12X2- 1643.06X1X22-262.97X13+389.42X23

基于上澄清液濁度數學關聯式，對預測結果和試驗結果進行了對比分析，試驗值和預測值的對比見圖5，從圖中可以看出試驗值和預測值吻合度較高。圖6為絮凝劑量和煤泥水濃度對煤泥水濁度的影響。

圖5 上澄清液濁度試驗值和預測值的對比

圖6 絮凝劑量和煤泥水濃度對煤泥水濁度的影響

由圖6可知，煤泥水濃度一定時，隨著絮凝劑添加量的增加，上澄清液濁度先減小后增加。當絮凝劑添加量一定時，隨著煤泥水濃度的增加，上澄清液濁度反而減小。因為煤泥水濃度增加，煤泥的沉降速度減慢，聚丙烯酰胺有機高分子有更多的時間將細顆粒相互連接，液固界面明顯，因此濃度高時反而濁度會降低。在上述試驗范圍內，濁度的變化也可近似指數函數描述。

4 結 語

(1)聚合氯化鋁凝聚效果優于MgCl2、FeCl3、CaCl2。

(2)掌握了不同濃度煤泥水、絮凝劑添加量在絮凝沉降過程中初始沉降速度和上澄清液濁度的變化規律。

(3)低濃度煤泥水對藥劑比較敏感，藥劑量增大后，初始沉降速度增加較快，而高濃度煤泥水存在一段沉降速度變化較小的區域，高于該區域的藥劑量后沉降速度變化較快。

(4)煤泥水濃度一定時，隨著絮凝劑添加量的增加，上澄清液濁度先減小后增加；當絮凝劑添加量一定時，隨著煤泥水濃度的增加，上澄清液濁度反而減小。