張 磊,師亞文,康學(xué)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(shù)選煤廠運營的關(guān)鍵，也是運營的難點，針對煤泥水處理過程中遇到的問題，學(xué)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(chǎn)條件存在巨大差異，制定藥劑制度所實際發(fā)揮的效果有限。

目前，為保證煤泥水與藥劑充分混合，有關(guān)合理加藥點科學(xué)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(jié)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(shù)和加藥時間間隔對煤泥水沉降的影響，結(jié)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(yīng)根據(jù)試驗結(jié)果決定，具體加藥點應(yīng)結(jié)合煤泥水速度確定；為解決入選原煤質(zhì)量波動大、煤泥水系統(tǒng)不穩(wěn)定、煤泥水處理較差的問題，陶亞東等[3]通過工業(yè)試驗，選取太原理工大學(xué)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(chuàng)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(tǒng)改造為加藥量與入選量、濃縮池扭矩相關(guān)聯(lián)的智能加藥系統(tǒng)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(jīng)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(jié)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(tǒng)，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(fā)揮效果，但現(xiàn)場存在加藥點選取較為隨意、缺乏理論依據(jù)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(fā)，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(tài)的基礎(chǔ)上，指出合理的加藥點位置，為加藥點的選取提供理論依據(jù)。

1 工藝流程及礦物組成對煤泥水性質(zhì)的影響

1.1 工藝流程對煤泥水性質(zhì)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(jīng)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(jīng)斗式提升機脫水后再由膠帶機輸送至熱電廠發(fā)電，精煤經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)2套末煤系統(tǒng)經(jīng)脫泥后由兩產(chǎn)品重介質(zhì)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(chǎn)品倉，矸石經(jīng)矸石脫介篩脫介脫水后排出系統(tǒng)，煤泥經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)脫泥后由重介淺槽分選，精煤經(jīng)雙層脫介篩脫介脫水，上層塊煤進入或經(jīng)破碎機破碎后進入精煤倉，下層經(jīng)精煤離心機脫水后進入精煤倉或混煤倉，煤泥經(jīng)分級旋流器分級，溢流進入濃縮池，底流經(jīng)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(jīng)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(tǒng)，因選前脫出大量末煤，煤泥水濃度黏度相對較低，末煤系統(tǒng)工藝因含有大量細粒級煤泥，且利用重介質(zhì)旋流器分選、兩段分級旋流器分級，產(chǎn)生大量次生煤泥，末煤系統(tǒng)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(zhì)旋流器分選工藝容易。

1.2 礦物組成對煤泥水性質(zhì)的影響

若煤泥水中礦物易泥化，在很大程度上會導(dǎo)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(jié)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(dǎo)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(wěn)定狀態(tài)的膠體。對該體系穩(wěn)定性解釋最成熟的是EDLVO理論，依據(jù)該理論，在煤泥水體系中界面極性力對煤泥水的穩(wěn)定起決定作用，顆粒之間是穩(wěn)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(dǎo)，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(fā)揮[10]；另外，實際生產(chǎn)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(huán)節(jié)流態(tài)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(tài)分可為2種：層流和湍流，層流是煤泥水流動時各個流體質(zhì)點之間互不干擾，僅向一個方向流動的狀態(tài)，湍流是煤泥水流動時各個質(zhì)點相互干擾、相互混摻，向各個方向均有運動的流動狀態(tài)，煤泥水在管道中流動狀態(tài)的判定依據(jù)是雷諾數(shù)，雷諾數(shù)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(shù)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(shù)，Pa·s。

雷諾數(shù)Re是一個無量綱數(shù)，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(shù)Re<2 000為層流，2 0004 000為湍流，明渠時，雷諾數(shù)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(shè)備，僅靠煤泥水自身流動達到與藥劑的混合，因此，加藥點應(yīng)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(tài)分析

要計算濃縮池入料管煤泥水流態(tài)，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(guān)，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(shù)，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(shù)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(shù)。

利用雷諾數(shù)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(shù)，判定流態(tài)，結(jié)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(shù)均小于2 000，流態(tài)均為層流。

表1 濃縮池入料管煤泥水流態(tài)

3.2 緩沖池入料管中煤泥水流態(tài)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(yīng)利用水力半徑計算雷諾數(shù)，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(jié)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(shù)均大于500，流態(tài)均為湍流。

表2 緩沖池入料管煤泥水流態(tài)

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(nèi)加藥外，末煤一期、末煤二期、大井均在濃縮池中心穩(wěn)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(tǒng)煤泥水進入緩沖池、濃縮池流態(tài)看，進入濃縮池的煤泥水為層流，不宜把加藥點設(shè)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(huán)境，濃縮池中心的穩(wěn)流桶水流一般較為平緩，也不宜把大量的藥劑加在穩(wěn)流桶中；加藥點應(yīng)設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)根據(jù)具體試驗決定，現(xiàn)場適合的加藥點位置有限，應(yīng)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(yīng)該增加聚合氯化鋁與煤泥水混合的時間，最好的方法應(yīng)在緩沖池與濃縮池入料管道之間設(shè)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。

5 結(jié) 論

1)凝聚劑絮凝劑與煤泥水作用機理要求充分的混合才能發(fā)揮藥效，加藥點的科學(xué)選擇，應(yīng)根據(jù)煤泥水的流態(tài)確定。

2)鑒于緩沖池入料管道流態(tài)為湍流，利于藥劑與煤泥水混合，適合作為加藥點，而濃縮池入料煤泥水流態(tài)為層流，不利于藥劑與煤泥水混合，不適合作為加藥點。

3)在緩沖池與濃縮池入料管道之間應(yīng)設(shè)置混合池或箱，或增設(shè)管道混合器等提供煤泥水與藥劑充分混合的條件，新建濃縮池應(yīng)充分考慮煤泥水與藥劑混合，不應(yīng)把加藥點簡單選定在濃縮池入料管道上。