冷小順

(云南省后所煤礦，云南 富源 655500)

后所煤礦選煤廠難沉降煤泥水沉降特性研究

冷小順

(云南省后所煤礦，云南 富源 655500)

為探索后所煤礦選煤廠難沉降煤泥水的有效沉降方法，以該廠煤泥水為研究對象，基于煤泥水性質(zhì)分析進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)、凝聚沉降試驗(yàn)、凝聚-絮凝聯(lián)合沉降試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：粘土礦物含量高，水的硬度小、濃度高，顆粒表面電負(fù)性強(qiáng)是煤泥水難沉降的主要原因；凝聚-絮凝聯(lián)合沉降可顯著提高煤泥水的沉降效果，當(dāng)PAC、PAM用量分別為200、9 mg/L時，煤泥水沉降效果最好，上清液濁度為41.90 NTU，初始沉降速度為8.13 cm/min。

難沉降煤泥水；沉降特性；凝聚-絮凝聯(lián)合沉降

云南省后所煤礦選煤廠是一座設(shè)計(jì)能力為0.90 Mt/a的礦區(qū)型選煤廠，原煤洗選工藝為不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選、粗煤泥小直徑旋流器分選、細(xì)煤泥浮選、浮選精礦沉降離心機(jī)回收、浮選尾礦濃縮壓濾回收的聯(lián)合工藝。入選原煤為1/3焦煤，主導(dǎo)產(chǎn)品為煉焦精煤，主要供昆明鋼鐵控股有限公司等鋼廠使用。近年來，隨著礦井開采的持續(xù)深入，井下煤層變薄，煤層構(gòu)造和斷層增多，入選原煤中易泥化矸石量大幅增加，致使煤泥水沉降困難，且添加藥劑后沉降效果不顯著，循環(huán)水濃度居高不下，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

國內(nèi)外關(guān)于難沉降煤泥水的研究較多，理論研究主要集中在煤泥水中不同種類粘土礦物和煤泥水溶液化學(xué)特性對煤泥水沉降特性的影響，應(yīng)用研究主要集中在煤泥水處理藥劑的研發(fā)與使用方面。國外E.Sabah等研究證實(shí), 煤泥水中約一半的懸浮顆粒是粘土礦物，粘土礦物決定煤泥水的凝聚效果和煤泥的脫水性能[1]。張明青等[2-5]研究了煤泥水的硬度對不同粘土礦物的作用, 分析了其對煤泥水絮凝沉降的影響；由于特殊的膨脹性，蒙脫石比其他粘土礦物更容易提高煤泥水的懸浮穩(wěn)定性和煤泥的脫水難度。張志軍[6]的研究表明：原生硬度是影響煤泥水沉降性能的關(guān)鍵因素，原生硬度低，煤泥水難處理。唐海香等[7]對煤泥水的絮凝過程進(jìn)行了動力學(xué)分析，認(rèn)為絮凝條件、顆粒大小、絮凝劑性能及其用量等因素都會影響絮凝速度。李靜等[8]研究了高泥化煤泥水的絮凝沉降，認(rèn)為煤泥顆粒的負(fù)電性影響煤泥水的絮凝沉降。

為探索后所煤礦選煤廠難沉降煤泥水的有效處理方法，以該廠煤泥水為研究對象，系統(tǒng)分析其礦物組成、粒度組成、離子含量、硬度、電動電位，并進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)、凝聚沉降試驗(yàn)、凝聚-絮凝聯(lián)合沉降試驗(yàn)，研究其沉降特性和沉降效果。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器與試劑

試驗(yàn)儀器主要包括D/Max-RA型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀，Microtrac S3500型激光粒度分析儀， DIONEX ICS-1100型離子色譜分析儀，PHS-2F型pH計(jì)，JS94J型ZATA電位儀，WGZ-1A型光電濁度儀，φ100×1200煤泥水自然沉降試驗(yàn)柱。

試驗(yàn)試劑包括凝聚劑聚合氯化鋁(PAC)、氯化鈣(CaCl2)和絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)，PAC是現(xiàn)場目前正在使用的凝聚劑，CaCl2來自實(shí)驗(yàn)室，PAM為進(jìn)口藥劑。

1.2 試驗(yàn)方案與評價指標(biāo)

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)煤泥水為后所煤礦選煤廠濃縮機(jī)入料。稱取一定量的煤泥水并將其烘干，取少量烘干煤泥，研磨至粒度<0.045 mm。采用D/Max-RA型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對煤泥的礦物組成進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)室濕法篩分方法測定其粒度組成和各粒級的灰分。

取一定量自然澄清煤泥水的上清液，采用DIONEX ICS-1100離子色譜分析儀測定其中的無機(jī)鹽離子含量，利用PHS-2F型pH計(jì)測定煤泥水自然澄清溶液的pH值，采用絡(luò)合滴定法測定煤泥水自然澄清溶液的硬度。通過烘干法測定煤泥水的濃度。將煤泥水自然沉降24 h，采用ZATA電位儀測定煤泥水上清液的ζ電位。

參照GB/T 26919—2011《選煤廠煤泥水自然沉降試驗(yàn)方法》[9]和GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行煤泥水的自然沉降試驗(yàn)和絮凝沉降試驗(yàn)，并通過WGZ-1A型光電濁度儀測定煤泥水的上清液濁度。

1.2.2 評價指標(biāo)

(1)通過懸浮顆粒沉降速度和殘余懸浮物百分率來評價煤泥水的自然沉降效果，懸浮顆粒沉降速度和殘余懸浮物百分率計(jì)算公式為：

式中：vi為對應(yīng)于某一取樣時刻ti的懸浮顆粒沉降速度，cm/min；Hi為對應(yīng)于某一取樣時刻ti的液面至取樣口距離，mm；ti為取樣時刻，s；Pi為取樣口煤泥水樣對應(yīng)于某一取樣時刻ti的殘余懸浮物百分率，%；ci為取樣口煤泥水樣對應(yīng)于某一取樣時刻ti的懸浮物濃度，g/L；c0為取樣口最初取樣的懸浮物濃度，g/L。

(2)采用上清液濁度和初始沉降速度作為煤泥水絮凝沉降的評價指標(biāo)。通過WGZ-1A型光電濁度儀測定煤泥水的上清液濁度，通過逐級計(jì)算平均初始沉降速度的方法來得到初始沉降速度。

2 煤泥水性質(zhì)

2.1 固相性質(zhì)

2.1.1 粒度組成

煤泥的粒度組成在很大程度上決定了煤泥水固液分離和凈化處理的難易程度，對煤泥水的沉降效果起決定作用。通常煤泥粒度越細(xì)，煤泥水沉降越困難[11]。后所煤礦選煤廠的煤泥粒度組成如表1所示。

表1 煤泥粒度組成Table 1 Size composition of coal slurry %

由表1可知：隨著粒級的持續(xù)減小，各粒級產(chǎn)率不斷增大，各粒級灰分呈先減小后增大趨勢；<0.125 mm粒級的產(chǎn)率和灰分均呈增大趨勢，<0.045 mm粒級的產(chǎn)率和灰分增幅最大；<0.045 mm粒級的灰分高達(dá)67%，說明高灰細(xì)泥含量大，這對煤泥水的沉降效果有重要影響。灰分越高礦物含量越大，粘土含量越多，煤泥水體系越穩(wěn)定，煤泥水沉降越困難[12]。

2.1.2 礦物組成

采用D/Max-RA型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對煤泥的礦物組成進(jìn)行分析，煤泥的X射線衍射圖譜如圖1所示。

圖1 X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern

由圖1可知：

(1)煤泥中的粘土礦物含量很高，平均含量約占礦物總量的60%～80%[3]，主要包括高嶺石、伊利石、伊/蒙混層，其中高嶺石含量最多；氧化礦物為石英，含量僅次于粘土礦物；硫酸鹽礦物為方解石、白云石，含量較少；硫化礦物為黃鐵礦，含量也較少；其他礦物含量均很少。

(2)氧化礦物、硫酸鹽礦物的性質(zhì)穩(wěn)定，在水中易沉降，對煤泥水沉降過程影響不大；此外，硫酸鹽礦物易使溶液產(chǎn)生酸性，能促進(jìn)鹽類礦物在水中的溶解，有助于微細(xì)顆粒的沉降。由于其他礦物含量很少，對煤泥水沉降影響不大[13]。

(3)由于粘土礦物在水中易膨脹泥化，表面電荷多，比表面積大，離子交換吸附能力強(qiáng)，不但能使煤泥水分散體系穩(wěn)定存在，而且自身具有強(qiáng)化機(jī)制。粘土礦物泥化后產(chǎn)生較大的表面，一方面直接使其表面電荷增加，另一方面通過加強(qiáng)礦物表面的離子交換吸附來降低水中高價離子的含量，進(jìn)一步使其表面電荷增多，從而使顆粒不易聚集而以懸浮狀態(tài)存在。這種現(xiàn)象的存在進(jìn)一步加劇了泥化作用，使整個懸浮液體系在更高層次上穩(wěn)定存在，并不斷重復(fù)上述過程直至達(dá)到動態(tài)平衡，宏觀上形成大量難沉降的泥質(zhì)物料，這些物料在系統(tǒng)中循環(huán)積聚，進(jìn)而形成高泥化煤泥水。這與煤泥粒度組成分析結(jié)果一致。

2.2 液相性質(zhì)

后所煤礦選煤廠煤泥水液相性質(zhì)分析結(jié)果如表2所示。

表2 煤泥水液相性質(zhì)Table 2 Liquid-phase properties of coal slurry

由表2可知：

(1)煤泥水中SO2-4、Na+、Cl-的含量較高，Ca2+、Mg2+的含量較低。SO2-4、Na+含量高說明煤泥中含有可溶性的硫酸鹽礦物和鈉鹽礦物，Cl-含量高可能與目前使用的PAC有關(guān)，Ca2+、Mg2+含量低與煤泥水中粘土礦物的離子交換吸附有關(guān)。

(2)濃度較高，硬度較大，不利于煤泥水沉降；pH值為中性偏弱酸性，理論上有利于煤泥水的沉降；ζ電位較高，說明膠體顆粒帶有較多的負(fù)電荷，煤泥水難沉降。

3 煤泥水沉降特性

3.1 自然沉降試驗(yàn)

為全面了解煤泥水的沉降特性，采用沉降柱進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)，測定其在自然沉降狀態(tài)下的沉降速度分布，結(jié)果如圖2所示。

圖2 自然沉降速度分布曲線Fig.2 Distribution curve of free settling velocity

由圖2可知：煤泥水極難沉降，自然沉降速度很慢，上清液中殘余懸浮物的百分率很高，不可能通過自然沉降獲得澄清的上清液。當(dāng)懸浮顆粒沉降速度為2 cm/min時，殘余懸浮物的百分率仍高達(dá)75%。

3.2 加藥沉降試驗(yàn)

現(xiàn)場煤泥水采用PAC與PAM聯(lián)合添加的方式進(jìn)行處理，為檢驗(yàn)?zāi)蹌┑某两敌Ч謩e采用PAC和實(shí)驗(yàn)室的CaCl2進(jìn)行沉降對比試驗(yàn)，并將二者分別與PAM聯(lián)合使用。

3.2.1 凝聚沉降試驗(yàn)

采用PAC和CaCl2分別對煤泥水進(jìn)行沉降試驗(yàn)，探索二者的沉降效果及其最佳用量，結(jié)果如表3所示。

表3 凝聚沉降效果Table 3 Result of sedimentation test using coagulant

由表3可知：隨著凝聚劑用量的增大，上清液濁度逐漸降低，且降幅不斷減??；在上清液濁度相同時，CaCl2的用量遠(yuǎn)大于PAC的用量，這與鋁離子價位高、分子量小及PAC的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。綜合考慮藥劑用量和上清液濁度變化，PAC用量宜選用200 mg/L，CaCl2用量宜選用1 000 mg/L。

PAC的凝聚效果較好，但Al3+在pH值大于6時主要以氫氧化物沉淀的形式存在[14]，循環(huán)水中溶解鋁的總量幾乎小于1 mg/L，投放的鋁鹽大部分隨濃縮機(jī)底流流失[2]，不能在煤泥水系統(tǒng)中循環(huán)。CaCl2用量較大，但Ca2+可以在煤泥水系統(tǒng)中循環(huán)，從而減少后續(xù)凝聚劑的用量，Mg2+也有相同的作用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以考慮將PAC與鈣鎂離子類凝聚劑混合使用，以降低藥劑成本。

3.2.2 凝聚-絮凝聯(lián)合沉降試驗(yàn)

以PAC、PAM分別作為凝聚劑和絮凝劑，PAC用量為200 mg/L，在此條件下進(jìn)行凝聚-絮凝聯(lián)合沉降試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 PAC與PAM聯(lián)合沉降試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Result of sedimentation test using PAC and PAM

由表4可知：隨著PAM用量的增大，上清液濁度逐漸降低，初始沉降速度逐漸增大，煤泥水沉降效果不斷改善。綜合考慮上清液濁度和初始沉降速度，PAM用量宜選用9 mg/L。

在煤泥水濃度為86.76 g/L時，分別以PAC、PAM作為凝聚劑和絮凝劑，對其進(jìn)行凝聚-絮凝聯(lián)合沉降，當(dāng)PAC用量為200 mg/L，PAM用量為9 mg/L時，煤泥水沉降效果最好，上清液濁度為41.90 NTU，初始沉降速度為8.13 cm/min。

4 結(jié)論

通過煤泥水性質(zhì)分析、自然沉降試驗(yàn)、加藥沉降試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

(1)粘土礦物含量很高是煤泥難沉降的直接原因。氧化礦物、硫酸鹽礦物的性質(zhì)穩(wěn)定，在水中易沉降，對煤泥水沉降過程影響不大。硫酸鹽礦物易使溶液產(chǎn)生酸性，能促進(jìn)鹽類礦物在水中的溶解，有助于微細(xì)顆粒的沉降。其他礦物含量很少，對煤泥水沉降影響不大。

(2)濃度較高，硬度較小，ζ電位較高，不利于煤泥水沉降；pH值為中性偏弱酸性，有利于煤泥水的沉降。

(3)該廠煤泥水為極難沉降煤泥水，自然沉降速度很慢，實(shí)際生產(chǎn)中不可能獲得自然澄清的上清液。在煤泥水濃度為86.76 g/L時，分別以PAC、PAM作為凝聚劑和絮凝劑，對其進(jìn)行凝聚-絮凝聯(lián)合沉降，當(dāng)其用量分別為200、9 mg/L時，煤泥水沉降效果最好。

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Research on sedimentation characteristics of difficult settling coal slurry from Housuo mine coal preparation plant

LENG Xiao-shun

(Yunnan Housuo Coal Mine, Fuyuan, Yunnan 655500, China)

In order to find effective sedimentation methods of difficult settling coal slurry in Housuo mine coal preparation plant, free settling test, settling test using coagulant and this test using coagulant & flocculants are made on the basis of coal slurry properties.The result shows: the reason of difficult settling for coal slurry is caused by high content of clay mineral, water with small hardness and high concentration, strong electronegativity on the surface of particle; remarkable settling result of coal slurry can be improved by using coagulant & flocculants, what's more, the best settling result is obtained at dosage of 200 mL coagulant and 9 mL flocculants, with supernatant liquor of 41.90 NTU turbidity and initial settling velocity of 8.13 cm/min.

difficult settling coal slurry; sedimentation characteristics; associated settling using coagulant & flocculants

1001-3571(2015)03-0008-04

TD946.2

A

2015-04-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.03.003

冷小順(1961—)，男，云南省宣威市人，工程師，從事煤炭洗選加工管理工作。

E-mail:2390302880@qq.com Tel：13887474917