選煤廠難沉降煤泥水原因分析及對策

王玉明，張愛青

(大同煤礦集團有限責任公司 環(huán)境保護處，山西 大同 037003)

0 引 言

大同煤礦集團(以下簡稱“同煤集團”)選煤廠多采用壓濾機回收煤泥中小于0.2 mm的細粒煤泥，以前基本上能滿足生產的需要，但是近幾年隨著井下機械化開采水平的不斷提高，開采深度和廣度不斷延伸，運輸環(huán)節(jié)增加，再加上礦井“一通三防”的防塵灑水，導致原煤中<8 mm的末煤含量增加。同時，由于部分原煤水分高、泥化現(xiàn)象明顯，造成篩分效率很低，部分塊度較小的原煤進入選煤系統(tǒng)，使選煤生產過程中經常因為洗水濃度高，使分選深度和分選精度下降[1]。不僅使精末煤中混入的細粒中煤和細粒矸石增加，高灰分的細粒煤污染精煤，增加精煤灰分，影響精煤質量，還使中煤和矸石帶煤增多，出現(xiàn)煤泥黏附中煤矸石現(xiàn)象，降低中煤矸石的灰分，造成煤炭資源浪費。因此難沉降煤泥水處理已成為制約選煤生產的瓶頸，提高煤泥水處理效果已迫在眉睫。

難沉降超細煤泥水由于受到煤變質程度、煤泥水中礦物組成及電荷特性等影響，國內外在處理此類廢水時，采用了不同處理方法，特別是在研制和選取凝聚劑和絮凝劑時做了大量工作[2-3]。本文采用先進的粒度分析儀和成分分析儀，對煤泥水極細顆粒粒度組成和煤巖成分進行測定,得到統(tǒng)計粒子直徑分布數(shù)據和高灰細煤泥的巖相成分，同時還對難沉降煤泥水的其他理化特性進行了全面分析，從而對同煤集團難沉降煤泥水的形成原因有了更全面、深入的認識。弄清了煤泥性質-加藥量-沉降特性的定性關系[4-6]，在此基礎上，通過大量試驗，找到了處理同煤集團難沉降煤泥水的對策。

1 煤泥水難沉降的原因分析

1.1 粒度分析

粒度大小是影響煤泥水沉降性能的主要因素[7]，將煤泥水過濾烘干后進行粒度分析，結果如圖1所示。可以看出，同煤集團難沉降煤泥水中0.5 μm以下的細小顆粒占23.58%，這些細小顆粒中又有很大一部分無法沉降而進入循環(huán)煤泥水中，不斷累加，濃度升高，因此細小顆粒是造成煤泥水難沉降的主要因素。

圖1 難沉降煤泥水粒度分布Fig.1 Particle size distribution of difficult sedimentation coal slurry

1.2 煤泥水礦物組成

為了對同煤集團難沉降煤泥水的礦物組成進行定量分析，得出各礦物的準確含量，將難沉降煤泥水過濾烘干后送到中國礦業(yè)大學分析測試中心進行X射線衍射分析。

1.2.1 定性分析

利用粉末衍射聯(lián)合會國際數(shù)據中心(JCPDS—ICDD)提供的各種物質標準粉末衍射資料，并按照標準分析方法進行對照分析。發(fā)現(xiàn)，樣品主體是非晶態(tài)物質(煤)，含有較多的高嶺石，有部分石英、伊利石、伊蒙混層和少量的方解石、白云石、黃鐵礦等礦物。

1.2.2 定量分析

按照GB 5225—1985《金屬材料定量相分析X射線衍射K值法》進行定量分析，結果見表1。可以看出，同煤集團難沉降煤泥水的礦物組成為:煤65%、高嶺石、伊利石等黏土礦物23%、石英等氧化物3.8%、方解石、白云石等硫酸鹽礦物2.2%。由于難沉降煤泥中高嶺石、伊利石等黏土礦物含量高達23%，影響煤泥水的沉降性能。由于黏土具有特殊的晶體結構，不僅自身難于沉降，而且惡化了水質條件，所以對煤泥水沉降性能產生顯著的負面影響。

表1難沉降煤泥水礦物組成定量分析結果
Table1Resultsofquantitativeanalysisofmineralcompositionofdifflcultsedimentationcoalslurry

名稱含量/%分子式非晶態(tài)物質(煤)65—高嶺石16.7Al4(OH)8Si4O10石英3.8SiO2方解石1.3CaCO3白云石0.6(Ca,Mg)CO3伊利石3.5KAl2(OH)(AlSi) 4O10伊蒙混層3.2伊利石/蒙皂石形成的混層礦物綠泥石2.1(Mg,Fe,Al)6(OH)8(Si,Al)4O10菱鐵礦0.3FeCO3黃鐵礦1.2FeS2長石0.5(Na,Ca)AlSi3O8 /(Na,K)AlSi3O8其他1.8—

1.3 循環(huán)煤泥水中礦物組成變化

通過實測，同煤集團難沉降煤泥水沿著煤泥水流向，固相組成相對含量不斷變化，主流向的灰分由15%增至60%，即高嶺石等黏土礦物的相對含量不斷提高，煤泥水的沉降性能越來越差。

1.4 煤泥水水質對沉降性能的影響

同煤集團循環(huán)煤泥水硬度變化見表2?？梢钥闯?，同煤集團選煤廠循環(huán)煤泥水硬度逐漸減小，原因是循環(huán)煤泥水中的黏土礦物吸附煤泥水中的鈣、鎂離子，使煤泥水中的鈣、鎂離子減少，造成循環(huán)煤泥水的硬度下降，細小煤泥顆粒的沉降性能變差。

1.5 補加清水水質對沉降性能的影響

同煤集團選煤廠補加清水總硬度為33 mg/L，總離子強度為1 280 mg/L，不利于煤泥水中細小顆粒的沉降。

表2循環(huán)煤泥水硬度變化
Table2Changeofhardnessofcirculatingslimewater

項目電導率/(mS·cm-1) 硬度/(mg·L-1)入料1.24144.40濃縮機底流1.23842.50循環(huán)水1.224 40.95

1.6 煤變質程度對絮凝效果的影響

同煤集團原煤多屬于中等變質程度以上的煤種，煤變質程度越高，煤泥水中顆粒越易凝聚，沉降性能越好，因此煤變質程度對同煤集團選煤廠煤泥水的沉降性能影響不大。

1.7 其他指標對煤泥水沉降性能的影響

同煤集團選煤廠煤泥水中的pH值、液固比和化學需氧量等指標都在正常范圍內，對煤泥水的沉降性能沒有顯著影響。

1.8 煤泥水處理系統(tǒng)不完善

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，同煤集團選煤廠煤泥水處理系統(tǒng)存在明顯的不足，主要表現(xiàn)為:① 沒有專設混合反應池,造成投加絮凝劑后，混合不均勻，反應時間不夠，大大影響了絮凝效果，對難沉降煤泥水的影響更為明顯。② 濃縮池去除負荷太高。同煤集團選煤廠煤泥水處理系統(tǒng)設置的濃縮池正常情況下能滿足要求，但若出現(xiàn)煤泥水難沉降時，細小煤泥不能有效去除，在煤泥水循環(huán)系統(tǒng)里不斷累積，懸浮物濃度增大，造成濃縮池去除負荷太高，無法正常運行。③ 濃縮池沉降時間偏短。由于難沉降煤泥水中0.5 μm以下的細小顆粒占比大，近1/4，按正常情況設計的濃縮池沉降時間不夠，導致大部分細小煤泥顆粒無法沉降，在煤泥水閉路循環(huán)中不斷累積，最后形成濃度很高的高灰細粒度煤泥水，嚴重影響精煤質量。

1.9 絮凝劑使用不當

1.9.1 絮凝劑類型選擇不當

難沉降煤泥水中的電荷以陰離子為主，若投加非離子和陰性有機高分子絮凝劑，處理效果較差。

1.9.2 絮凝劑使用單一

難沉降煤泥水中的細小顆粒偏多，如果只投加一種絮凝劑，只有在加藥量很大的情況下才能有處理效果，但處理成本高。

2 處理難沉降煤泥水的對策

1)增設混合反應池

增設混合反應池，分別設置混合段和反應段的主要參數(shù)。在實際改造過程中，將混合段速度梯度設置為900，混合時間設置為3 min，反應段速度梯度設置為80，反應時間設置為30 min，目的是提高混合段速度梯度，強化混合效果，降低反應段速度梯度，延長反應段反應時間，確保絮團增長。

2)降低濃縮池去除負荷

難沉降煤泥水濃度很高，去除負荷很大，遠超過原有濃縮池的處理能力，因此必須增加沉淀面積[8]。但同煤集團選煤廠煤泥水處理系統(tǒng)原有布置很緊湊，沒有場地用于新建豎流式或輻流式沉淀池。針對這一情況，增設斜管沉淀池，占地小，投資低，可大大降低煤泥水的去除負荷。

3)延長濃縮池水力停留時間

濃縮池水力停留時間短，0.5 μm以下的細小煤泥顆粒來不及沉降，為解決這一問題，增設效果更好的沉降處理設施，降低濃縮池的處理量，將濃縮池的沉降時間延長到1 h以上，可明顯提高細小煤泥顆粒的去除率。

4)煤泥水調質

由于鈣、鎂離子有利于細小煤粒的絮凝反應，因此有必要對難沉降煤泥水進行調質，增加其硬度。加鈣絮凝試驗結果見表3?？梢钥闯觯逾}既可以明顯提高難沉降煤泥水的處理效果，還可以節(jié)省絮凝劑投加量，在實際運行中鈣的投加量在1.5 mmol左右即可滿足要求。

表3加鈣絮凝試驗結果
Table3Additionofcalciumflocculationtestsituation

CaCl2加藥量/mLCa物質的量/mmolCa含量/mg絮凝情況濁度/NTU105.0200好7652.5100好15131.560較差32010.520 較差渾濁000差渾濁

5)精選絮凝劑

不同種類、不同廠家的絮凝劑技術指標和產品性能相差很大，對難沉降煤泥水的處理效果也不同。通過大量試驗研究發(fā)現(xiàn):對難沉降煤泥水，非離子和陰性有機高分子絮凝劑處理效果不好，除非增大加藥量，但會提高煤泥水的處理成本；陽性有機高分子絮凝劑對難處理煤泥水的處理效果最好，雙性次之。因此應優(yōu)先選用陽性有機高分子絮凝劑。

6)絮凝劑優(yōu)化組合

對難沉降煤泥水，如果單獨使用一種絮凝劑，即使是效果最好的陽性有機高分子絮凝劑，加藥量也很高，而如果對絮凝劑進行優(yōu)化組合，可減少絮凝劑用量，降低處理成本。通過反復試驗，發(fā)現(xiàn)采用雙性+陽性組合最好[9]，即先投加雙性有機高分子絮凝劑，1 min后再投加陽性有機高分子絮凝劑。

由此可見，采用2種絮凝劑組合可以實現(xiàn)強強聯(lián)合，優(yōu)勢互補，大大提高絮凝劑的綜合性能[10]。

3 結 論

1)同煤集團選煤廠難沉降煤泥水中細小煤泥顆粒約占1/4，高嶺石、伊利石等黏土礦物占25%，具有典型的高灰細粒度煤泥水的特征。

2)原有煤泥水處理系統(tǒng)是按正常情況設計的，沒有高效混合反應池、濃縮池去除負荷高、沉降時間偏短，不具備有效處理難沉降煤泥水的能力。

3)通過增設混合反應池、降低濃縮池去除負荷、延長濃縮池水力停留時間、對煤泥水進行調質、采用雙性+陽性有機高分子絮凝劑聯(lián)合加藥等措施后可使難沉降煤泥水達到閉路循環(huán)的水質要求。

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