段明海
(鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)
煤炭洗選后會產(chǎn)生大量的煤泥水,煤泥水直接排放會造成資源浪費和環(huán)境污染,需要對其進行針對性的處理。隨著采煤機械化程度的進步,煤泥水中細(xì)粒煤的含量越來越高,這些微細(xì)顆粒成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致煤泥水的沉降和壓濾效果一般,影響選煤生產(chǎn)工藝管理,給選煤廠帶來很大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。因此研究煤泥水的高效沉降技術(shù),對提高選煤廠的經(jīng)濟效益和管理水平具有重要意義[1-4]。
研究煤泥水沉降技術(shù)和工藝,不僅需要考察絮凝劑和凝聚劑的種類和用量,加藥的順序和方法,同時應(yīng)該關(guān)注水力條件對煤泥沉降效果的影響。煤泥水體系混合反應(yīng)過程中水力條件主要是通過GT值來表征,G值代表攪拌平均速度梯度(s-1),T值代表混合反應(yīng)時間(s),在加藥制度一定的情況下,分別調(diào)整G值和T值,會得到沉降效果最優(yōu)時的GT值,即煤泥水體系混合反應(yīng)過程中最佳水力條件[4-6]。本文以內(nèi)蒙古國源公司選煤廠煤泥水為研究對象,通過出水濁度、沉降速度影響指標(biāo),研究不同煤泥水濃度下GT值對絮凝沉降效果的影響規(guī)律。通過四因素三水平正交試驗,得出不同煤泥水濃度下主要影響絮凝沉降效果的因素,同時對GT值影響煤泥絮凝沉降效果機理進行了分析,從而得出煤泥水體系混合反應(yīng)過程中最佳水力條件,對于提高煤泥水沉降效果和選煤廠的經(jīng)濟效益具有一定的指導(dǎo)意義[7-10]。
1.1.1 煤泥粒度組成
濃縮機入料煤泥水中煤泥的粒度組成見表1。
表1 煤泥水中煤泥的粒度組成
由表1可知,隨著粒級的減小,產(chǎn)率逐漸增加,-0.075mm粒級產(chǎn)率達(dá)86.11%,從粒度組成角度而言,該粒級是不利于沉降的。水樣中細(xì)粒煤泥含量很高,其中-0.045mm煤粒的灰分值最高,說明存在嚴(yán)重泥化現(xiàn)象,在煤泥水沉降過程中應(yīng)該注意微細(xì)顆粒對煤泥水澄清的影響。
1.1.2 煤泥礦物質(zhì)組成
試驗采用X射線衍射光譜儀(XRD)和X射線熒光光譜儀(XRF),對煤泥樣品礦物成分進行檢測分析,確定其礦物組成及化學(xué)成分。XRD檢測結(jié)果如圖1所示和XRF結(jié)果見表2。
圖1 煤泥樣品XRD圖譜
表2 煤泥樣品XRF檢測結(jié)果
由圖1可知,2θ在27°、50°、60°附近出現(xiàn)衍射峰,說明煤泥中可能含有石英;12°、21°、25°附近出現(xiàn)衍射峰,說明煤泥中可能含有高嶺石;28°、42°附近出現(xiàn)衍射峰,說明煤泥中可能含有累托石;20°、35°、62°附近出現(xiàn)衍射峰,說明煤泥中可能含有蒙脫石。
石英的主要成分是SiO2,高嶺石中主要元素有Si、Al,累托石的主要元素有Si、Al、K、Na,蒙脫石的主要元素有Si、Al、Mg,由XRF檢測結(jié)果表2可知,煤泥樣品中SiO2含量高達(dá)54.93%,Al2O3含量為17.24%,K2O 含量為3.299%,Na2O含量為0.903%,MgO含量為0.86%,結(jié)合XRD圖譜可知,該煤泥中含有石英、高嶺石、累托石、蒙脫石等礦物雜質(zhì)。
高嶺石以土狀集合體產(chǎn)生,易吸水。蒙脫石、累托石具很強的吸附力和陽離子交換性能,吸水性很強,吸水后其體積膨脹而增大幾倍至十幾倍。高嶺石、累托石和蒙脫石都屬于粘土類礦物,在水中極易泥化,且表面帶有較高的負(fù)電荷,使煤泥顆粒間產(chǎn)生靜電斥力作用,在煤泥水中形成均一、穩(wěn)定的懸浮液,影響煤泥水的沉降。
本所用煤泥水試驗樣品來自內(nèi)蒙古國源公司選煤廠,該廠煤泥水具有高泥化、難沉降的特點,采用單一投加PAM的方式處理煤泥水效果并不理想?,F(xiàn)場實際運行結(jié)果表明:該廠的煤泥水處理作業(yè),應(yīng)采用聯(lián)合加藥制度,當(dāng)投加順序為CaCl2→NPAM-7100,并且NPAM-7100以3∶7的比值進行分步投加時,煤泥水不僅沉降速度快、出水濁度低,而且節(jié)省了藥劑用量;同時也確定了不同煤泥水濃度所投加NPAM-7100的最佳用藥量:即S=35g/L時NPAM-7100投藥量為2mL;S=65g/L時NPAM-7100投藥量為4mL;S=85g/L、NPAM-7100投藥量為6mL。投加藥劑方案是煤泥水沉降效果重要的影響因素,但煤泥水體系混合反應(yīng)過程中水力條件的影響也不可忽視,本論文主要研究不同煤泥水濃度下GT值對絮凝沉降效果的影響規(guī)律。
當(dāng)煤泥水濃度S=35g/L時,NPAM-7100投藥量為2mL,根據(jù)現(xiàn)場實際運行狀況,攪拌速度梯度G分別選取185s-1、262s-1、365s-1,在不同的混合時間條件下進行試驗,試驗結(jié)果如圖2所示。
圖2 S=35g/L時渾濁液面沉降速度與GT值關(guān)系曲線
由圖2可知,S=35g/L、NPAM-7100投藥量為2mL時,隨著G值增加,沉降速度變慢,出水濁度相對與G=185s-1時明顯增加,絮凝沉降效果惡化。主要原因是G值增加,攪拌強度增大,若攪拌時間過長,大絮團容易被攪碎成細(xì)小的顆粒,而細(xì)小顆粒較難沉淀,導(dǎo)致絮凝效果降低。當(dāng)G=365s-1時,隨著攪拌時間的增加,絮凝沉降速度降低,出水濁度呈先降后升的趨勢,最佳GT值為3650,此時沉降速度達(dá)到9.03mm/s,出水濁度達(dá)到0.458‰;當(dāng)G=262s-1時,隨著攪拌時間的增加,絮凝沉降速度降低,出水濁度呈先降后升的趨勢,最佳GT值為3930,此時沉降速度達(dá)到9.3mm/s,出水濁度達(dá)到0.537‰;當(dāng)G=185s-1時,隨著攪拌時間的增加,絮凝沉降速度降低,出水濁度呈先降后升的趨勢,當(dāng)GT值為3700左右時,沉降速度達(dá)到11mm/s,出水濁度達(dá)到0.130‰,與前兩者相比,渾液面沉速最快,出水濁度最低,此時煤泥水絮凝沉降效果最為理想。
當(dāng)煤泥水濃度為65g/L時,NPAM-7100最佳投藥量為4mL,攪拌速度梯度G分別選取185s-1、262s-1、365s-1,在不同的混合時間條件下進行試驗,試驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 S=65g/L時GT值與渾濁液面沉降速度關(guān)系曲線
由圖3可知,煤泥水S=65g/L、NPAM-7100投藥量為4mL時,隨著G值增加,沉降速度變慢,出水濁度明顯增加,絮凝沉降效果惡化。主要原因是G值增加,攪拌強度增大,若攪拌時間過長,大絮團容易被攪碎成細(xì)小的顆粒,而細(xì)小顆粒較難沉淀,導(dǎo)致絮凝效果降低。不同的G值下,隨著攪拌時間的增加,絮凝沉降速度基本都呈先升后降的趨勢,出水濁度基本都呈先降后升的趨勢。當(dāng)G=185s-1時,最佳GT值為3700左右,沉降速度達(dá)到10mm/s,出水濁度達(dá)到0.180‰,與前兩者相比渾液面沉速最快,出水濁度最低,此時煤泥水絮凝沉降效果最為理想。
當(dāng)煤泥水濃度S=85g/L時,NPAM-7100最佳投藥量為6mL,攪拌速度梯度G分別選取185s-1、262s-1、365s-1,在不同的混合時間條件下進行試驗,試驗結(jié)果如圖4所示。
圖4 S=85g/L時渾濁液面沉速與GT值關(guān)系曲線
由圖4可知:S=85g/L、NPAM-7100為投藥量6mL時,隨著G值增加,沉降速度變慢,出水濁度明顯增加,絮凝沉降效果惡化。主要原因是G值增加,攪拌強度增大,若攪拌時間過長,大絮團容易被攪碎成細(xì)小的顆粒,而細(xì)小顆粒較難沉淀,導(dǎo)致絮凝效果降低。不同的G值下,隨著攪拌時間的增加,絮凝沉降速度基本呈先升后降趨勢,出水濁度都呈先降后升的趨勢。當(dāng)G=185s-1時,最佳GT值為3700時,沉降速度達(dá)到8.39mm/s,出水濁度達(dá)到0.200‰,與前兩者相比,渾液面沉速最快,出水濁度最低,此時煤泥水絮凝沉降效果最為理想。
為了確定影響煤泥水絮凝效果的主要因素,需將選用的煤泥水分別配置成35.0g/L、65g/L、85.0g/L三種濃度,且利用四因素三水平的正交試驗進行試驗統(tǒng)計。正交表選用L9(34),影響絮凝效果的影響因子分別為投藥量、平均速度梯度G、絮凝時間T。利用綜合評分的方式,以渾液面的沉降速度5mm/s為標(biāo)準(zhǔn),每提高1.0mm/s加10分,每下降1.0mm/s減10分;出水濁度以0.300‰為標(biāo)準(zhǔn),每下降0.010‰加1分,每提高0.100‰減1分。
1)煤泥水水樣濃度S=35.0g/L時,其正交試驗結(jié)果見表3、表4。
表3 正交試驗因素、水平表(S=35.0g/L)
表4 正交試驗記錄及分析表(S=35.0g/L)
由表3及表4可知,影響指標(biāo)的因子主次順序為:投藥量、T值、G值。即在S=35g/L時,投藥量對絮凝影響最大,其次為T值,G值影響最小,G值與T值兩因素的影響相對于投藥量小,且T值微高于G值。同時投藥量為3mL、GT值為3700(185×20)時為絮凝最佳條件。
2)煤泥水水樣濃度S=65.0g/L時,其正交試驗結(jié)果見表5、表6。
表5 正交試驗因素、水平表(S=65.0g/L)
表6 正交試驗記錄及分析表(S=65.0g/L)
由表5及表6可知,影響指標(biāo)的因子主次順序為:投藥量、G值、T值。在S=65g/L時,投藥量對絮凝影響最大,其次為G值,T值影響最小,G值與T值兩因素的影響相對于投藥量小,且G值微高于T值。同時投藥量為5mL、GT值為3700(185×20)時為絮凝最佳條件。
3)煤泥水水樣濃度S=85.0g/L時,其正交試驗結(jié)果見表7、表8。
表7 正交試驗因素、水平表(S=85.0g/L)
表8 正交試驗記錄及分析表 (S=85.0g/L)
由表7及表8可知,影響指標(biāo)的因子主次順序為:T值、投藥量、G值。在S=85g/L時,攪拌時間對實驗結(jié)果影響最大,但投藥量R=47.1,說明投藥量對其影響也較大,同時投藥量為7mL、GT=3700(185×20)時為絮凝最佳條件。
由以上試驗可得出:不同煤泥水濃度下的正交試驗與前述試驗結(jié)果基本吻合,且在水力條件作用下,藥劑用量會有所增加。
在煤泥水絮凝過程中,攪拌強度和作用時間是絮凝效果好壞的重要影響因素。為強化懸浮顆粒與藥劑的相互作用,可以設(shè)定G值進行攪拌,使煤泥水產(chǎn)生紊流,加快絮團的形成并使懸浮顆粒進行快速沉降[11-14]。
在攪拌過程中,絮凝劑高分子鏈會隨著水流紊動拉伸、取向、解纏繞等,使得煤泥顆粒與高分子鏈形成的絮團形成運動和松散[15,16]。當(dāng)攪拌強度增加,高分子絮凝劑發(fā)生降解,剪切機械能破壞了聚合物分子鏈之間的內(nèi)應(yīng)力,高分子鏈間的吸附點,甚至高分子鏈主干的C—C鍵會發(fā)生斷裂,產(chǎn)生更多更短的分子鏈,絮團會分解成小絮團或顆粒,影響了藥劑對粒子的吸附,從而影響了絮凝沉降效果,如圖5所示。時間T代表混合反應(yīng)時間的長短,攪拌速度梯度G與攪拌時間T的乘積為GT,當(dāng)G值較大,說明攪拌強度較大,而當(dāng)T值較大時,則要求混合容器體積足夠大。在絮凝過程中,會存在一個GT值,使絮凝效果達(dá)到最佳。本論文中在某一工況條件下,在煤泥水濃度和加藥量都保持不變的條件下,改變GT值,使煤泥水在沉降設(shè)備中絮凝沉淀,以渾液面沉降速度最快、上層澄清液的濁度最低時的GT值為最佳GT值。此GT值在生產(chǎn)實踐中具有重要指導(dǎo)意義,但實驗結(jié)果也僅限于本次實驗對象,即在煤泥水的濃度在35~85g/L之間波動時,得出的最佳水力條件。
圖5 剪切對絮凝劑的作用效果
針對某一特定濃度的煤泥水,隨著GT值的改變,其絮凝沉降效果出現(xiàn)明顯差異。GT值不應(yīng)過高,否則會破壞絮團的形成過程,對于本次試驗對象最佳GT值應(yīng)在3700左右。在生產(chǎn)實際中需采用自動化控制裝置實時監(jiān)測煤泥水濃度的變化,及時調(diào)整加藥量,并將GT值控制在最優(yōu)值附近,能夠使煤泥水快速沉淀澄清,實現(xiàn)洗水閉路循環(huán)。