煤泥水處理加藥點位置選擇分析

2022-01-14 11:44:28師亞文康學剛

潔凈煤技術 2021年6期

張磊,師亞文,康學剛

(國家能源神東煤炭洗選中心大柳塔洗煤廠，陜西神木 719315)

0 引言

煤泥水處理是大多數選煤廠運營的關鍵，也是運營的難點，針對煤泥水處理過程中遇到的問題，學者做了大量研究，但大多集中在凝聚劑和絮凝劑類型、加藥次序、時間間隔、加藥點多少及加藥方式等方面，而忽略了煤泥水與藥劑的混合問題，因試驗條件與實際生產條件存在巨大差異，制定藥劑制度所實際發揮的效果有限。

目前，為保證煤泥水與藥劑充分混合，有關合理加藥點科學選擇的研究較少，白龍等[1]對陰陽離子加藥次序及加藥時間進行分析，結果表明，先加陰離子后加陽離子時效果最好，陰陽離子同時加藥時效果較差，先加陰離子后加陽離子時效果最差；田華雷和王進榮[2]以難沉降煤泥水為研究對象，以沉降速度、澄清液透明度、壓縮層體積為綜合指標，通過試驗分析了陰陽離子加藥次數和加藥時間間隔對煤泥水沉降的影響，結果表明，陰陽離子多次加藥效果好于單次加藥效果，加藥時間間隔應根據試驗結果決定，具體加藥點應結合煤泥水速度確定；為解決入選原煤質量波動大、煤泥水系統不穩定、煤泥水處理較差的問題，陶亞東等[3]通過工業試驗，選取太原理工大學研制的新凝聚劑和絮凝劑、絮凝劑在濃縮池入料管道上增加1～2個加藥點等方式，有效解決了煤泥水處理效果差的問題，并且凝聚劑用量減少了33.33%、絮凝劑用量減少了近50%；針對煤泥水難沉降、濃縮池澄清層薄的問題，何創庫等[4]采用了陰離子在濃縮池入料管道上增加1～2個加藥點、陰陽離子加藥點距離由3 m增加到6 m、使用新型聚合氯化鋁鐵，及將人工加藥系統改造為加藥量與入選量、濃縮池扭矩相關聯的智能加藥系統等措施，達到了降低藥劑成本、增厚濃縮池澄清層(由1 m提高到3 m以上)的目的。通過綜合手段可降低藥耗、增加經濟效益，但受其他因素的影響，并不能得出在濃縮池入料管道上加藥具有合理性的結論。

大柳塔選煤廠是隸屬于國家能源神東煤炭集團洗選中心下處理量34 Mt/a特大型選煤廠，入選活雞兔礦井和大柳塔礦井2個礦的原煤，目前，跳汰、末煤一期、末煤二期入選活井原煤，重介淺槽工藝入選大井原煤，各有一套藥劑制備添加濃縮煤泥水處理系統，使用凝聚劑為聚合氯化鋁(PAC)、絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺(PAM)，2種藥劑必須與煤泥水充分混合才能發揮效果，但現場存在加藥點選取較為隨意、缺乏理論依據的問題[1，3]，筆者從大柳塔選煤廠工藝流程、煤泥水難沉降原因及陰陽離子作用機理分析出發，分析煤泥水與藥劑混合的重要性，通過理論計算判定煤泥水回流濃縮池各主要管段流態的基礎上，指出合理的加藥點位置，為加藥點的選取提供理論依據。

1 工藝流程及礦物組成對煤泥水性質的影響

1.1 工藝流程對煤泥水性質的影響

工藝流程不同，煤泥水濃度、黏度、處理難易程度等不同。目前活雞兔礦井原煤入選方式為：塊煤經跳汰分選出矸石、中煤、精煤，矸石由斗式提升機脫水后汽運排出，中煤經斗式提升機脫水后再由膠帶機輸送至熱電廠發電，精煤經雙層香蕉篩脫水，塊煤由破碎機破碎后至精煤倉，末煤由精煤離心機脫水后也至精煤倉，篩下經角錐沉淀池沉淀，溢流回流濃縮池，底流由泵送至分級旋流器分級，溢流進入濃縮池，底流經弧形篩、煤泥離心機脫水后摻入混煤，篩下水和離心液回濃縮池，濃縮池底流由加壓過濾機或隔膜式板框過濾機過濾脫水，煤泥摻入混煤；末煤全入選，經2套末煤系統經脫泥后由兩產品重介質旋流器分選，精煤由脫介篩脫介脫水，再由精煤離心機脫水后進入產品倉，矸石經矸石脫介篩脫介脫水后排出系統，煤泥經一段分級旋流器分級，溢流進入濃縮池，底流由螺旋分選機分選，精煤由二段分級旋流器分級，溢流回流至煤泥桶(末煤一期)或進入濃縮池(末煤二期)，底流經弧形篩煤泥離心機脫水后摻入精煤或混煤，篩下水和離心液回流精煤泥桶，螺旋分選機矸石尾礦經固定篩弧形篩脫水后再由高頻篩脫水排出(末煤一期)或直接由高頻篩脫水排出(末煤二期)，篩下回流矸石桶(末煤一期)或進入濃縮池(末煤二期)，濃縮池底流由加壓過濾機或隔膜式板框過濾機脫水后摻入混煤。大柳塔礦原煤入選方式為：塊煤經脫泥后由重介淺槽分選，精煤經雙層脫介篩脫介脫水，上層塊煤進入或經破碎機破碎后進入精煤倉，下層經精煤離心機脫水后進入精煤倉或混煤倉，煤泥經分級旋流器分級，溢流進入濃縮池，底流經弧形篩煤泥離心機摻入混煤，篩下水和離心液回流煤泥桶，濃縮池底流經加壓過濾機或隔膜式板框過濾機脫水后摻入混煤；末煤進入混煤倉。

從上述工藝流程可知，跳汰、淺槽重介分選工藝系統，因選前脫出大量末煤，煤泥水濃度黏度相對較低，末煤系統工藝因含有大量細粒級煤泥，且利用重介質旋流器分選、兩段分級旋流器分級，產生大量次生煤泥，末煤系統煤泥水濃度黏度相對較高，因此，就煤泥水與藥劑混合，跳汰、淺槽重介分選工藝比末煤重介質旋流器分選工藝容易。

1.2 礦物組成對煤泥水性質的影響

若煤泥水中礦物易泥化，在很大程度上會導致煤泥水處理難度增加，對大柳塔礦和活雞兔礦煤泥水中<0.5 mm煤泥利用X射線進行了礦物組成考察，結果如圖1所示，由圖1可以看出：<0.5 mm 粒級的細泥中主要礦物為石英，其次為高嶺石、蒙脫石、黃鐵礦，白云母、斜綠泥石和方解石相對含量較少，其中高嶺石和蒙脫石在水中浸泡或攪拌極易泥化成微細顆粒[5]，煤泥水具有難沉降特性[6-7]。

圖1 大柳塔礦和活雞兔礦煤泥水<0.5 mm礦物組成

2 煤泥水與藥劑充分混合重要性分析

煤泥水因含有大量細粒級高嶺石、蒙脫石等黏土礦物，細粒級礦物沉降速度極低，并且粒度越小受到布朗運動的影響就越大，不易沉降；另外黏土礦物因晶格缺陷或晶格取代導致礦物表面荷負電，荷負電顆粒之間相互排斥，顆粒之間范德華引力和顆粒碰撞不足以克服斥力，大量荷電顆粒形成穩定狀態的膠體。對該體系穩定性解釋最成熟的是EDLVO理論，依據該理論，在煤泥水體系中界面極性力對煤泥水的穩定起決定作用，顆粒之間是穩定分散還是凝聚沉降取決于引力和斥力之間的大小[8-9]。

煤泥水中顆粒表面一般荷負電，加入陽離子凝聚劑會減小顆粒荷電量，使引力成為主導，形成聚團，聚合氯化鋁作為一種無機高分子凝聚劑，若煤泥水與聚合氯化鋁混合不充分，聚合氯化鋁不能與煤泥水中顆粒充分接觸碰撞，藥效就不能充分發揮[10]；另外，實際生產僅使用一種凝聚劑往往不足以讓煤泥水細顆粒有效沉降，還必須有絮凝作用，一般絮凝劑是有機高分子化合物，聚丙烯酰胺作為常用絮凝劑，在水中溶解較慢，并且溶液黏度較大，不易擴散，而有研究表明，藥劑與煤泥水混合不充分，煤泥水沉降效果較差，藥劑與煤泥水在徑向流場比在軸向流場和混合流場中的混合效果好，且相較于藥劑用量流場類型對煤泥水沉降起更大作用，可見藥劑與煤泥水混合均勻非常重要[11-13]。

3 煤泥水不同輸送環節流態分析

由于煤泥水難沉降特性，可視煤泥水為均一流體，煤泥水在管道中流態分可為2種：層流和湍流，層流是煤泥水流動時各個流體質點之間互不干擾，僅向一個方向流動的狀態，湍流是煤泥水流動時各個質點相互干擾、相互混摻，向各個方向均有運動的流動狀態，煤泥水在管道中流動狀態的判定依據是雷諾數，雷諾數Re由煤泥水密度、流速、滿管流管直徑或非滿管流水力半徑、煤泥水動力黏性系數確定，其表達式為

Re=ρVD/μ,

式中，ρ為密度，kg/m3；V為平均流速，m/s；D為滿管流管直徑或非滿管流水力半徑，m；μ為動力黏性系數，Pa·s。

雷諾數Re是一個無量綱數，以其大小判定層流或湍流，選煤廠中管道管壁較粗糙，滿管流時，雷諾數Re<2 000為層流，2 0004 000為湍流，明渠時，雷諾數Re<500為層流，Re>500為湍流[14]。

由層流和湍流特點可知，藥劑加在層流煤泥水管道上，藥劑和煤泥水混合不充分，加在湍流管道上混合效果比在層流管道上好。添加藥劑后，藥劑與煤泥水充分混合才能起到最佳效果，而選煤廠加藥后一般無機械攪拌設備，僅靠煤泥水自身流動達到與藥劑的混合，因此，加藥點應選在煤泥水流較劇烈的湍流中。

3.1 濃縮池入料管中煤泥水流態分析

要計算濃縮池入料管煤泥水流態，首先利用進入濃縮池煤泥水的小時流量和濃縮池管徑，計算出煤泥水平均流速，并且煤泥水密度一般在1 050 kg/m3以下，煤泥水黏度與濃度、粒度組成、礦物組成等有關，一般在0.001 1 Pa·s以下，密度提高5%，黏度增大10%以上，密度的升高程度小于黏度的增大程度[15-16]，因此利用濃度最大煤泥水計算下限雷諾數，另外鑒于濃縮池入料濃度不高時煤泥水密度和黏度與水相近，計算雷諾數時煤泥水密度和黏度均以20 ℃水的密度和黏度計算，作為煤泥水濃度最低時上限雷諾數。

利用雷諾數計算公式，計算活井、末煤一期、末煤二期、大井濃縮池入料管煤泥水雷諾數，判定流態，結果見表1，由表1可知，活井、末煤一期、末煤二期、大井濃縮池入料管煤泥水雷諾數均小于2 000，流態均為層流。

表1 濃縮池入料管煤泥水流態

3.2 緩沖池入料管中煤泥水流態分析

因活井、末煤一期、末煤二期、大井煤泥水在回流緩沖池的管道中不是滿管流，應利用水力半徑計算雷諾數，另外，活井和末煤一期有2個濃縮池，1個緩沖池，故進入緩沖池流量是濃縮池的2倍，末煤二期、大井緩沖池和濃縮池均1個，計算結果見表2，由表2可知，活井、末煤一期、末煤二期、大井緩沖池入料管煤泥水雷諾數均大于500，流態均為湍流。

表2 緩沖池入料管煤泥水流態

4 存在的問題及建議

目前，大柳塔選煤廠聚合氯化鋁和聚丙酰胺加藥點位置見表3，由表3可知，聚合氯化鋁加在緩沖池入料管道上或在緩沖池中，聚丙烯酰胺除活井在緩沖池內加藥外，末煤一期、末煤二期、大井均在濃縮池中心穩流桶中有加藥點，此外在濃縮池入料管道上也均有1～2個加藥點。

表3 加藥點位置

從上述各系統煤泥水進入緩沖池、濃縮池流態看，進入濃縮池的煤泥水為層流，不宜把加藥點設置在該段管道上，因濃縮池為加藥后的煤泥水提供良好的沉降環境，濃縮池中心的穩流桶水流一般較為平緩，也不宜把大量的藥劑加在穩流桶中；加藥點應設置在煤泥水流動較為劇烈的緩沖池入料管、緩沖池入料出口處、緩沖池到濃縮池管道轉彎處等存在煤泥水湍流流動的位置。

另外，加藥點具體位置，還應根據具體試驗決定，現場適合的加藥點位置有限，應合理分配聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺的加藥點，聚丙烯酰胺與煤泥水混合比聚合氯化鋁困難，應該增加聚合氯化鋁與煤泥水混合的時間，最好的方法應在緩沖池與濃縮池入料管道之間設置混合池或箱，提供煤泥水與藥劑充分混合的條件，也可以增加管道混合器等。