小紀汗選煤廠煤泥水沉降性能試驗研究

郭峰亮，李凌月，張宇龍，周生倫，張世宏

(1.陜西華電榆橫煤電有限責任公司，陜西 榆林 719000； 2.華電電力科學研究院有限公司，北京 100070)

1 概 述

近年來，隨著煤礦機械化開采程度的快速提高，采出的煤炭中細顆粒所占比例不斷增加，進而增大了洗選過程中煤泥的含量[1]。選煤廠煤泥水的濃度也隨之增高，加大了煤泥水系統(tǒng)的處理量，再加上煤泥常有高灰、較難沉降等特性，導致煤泥水處理系統(tǒng)的壓力加大。煤泥水處理系統(tǒng)是選煤廠的重要環(huán)節(jié)，不但投資多、工藝復(fù)雜，并且管理困難、生產(chǎn)成本大，其處理效果對選煤廠的經(jīng)濟、社會效益具有重要影響[2-3]。對選煤廠的煤泥水進行有效處理，可以節(jié)省加藥量，減輕勞動強度，有利于選煤廠洗水的閉路循環(huán)，并對選煤廠其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生積極影響。因此，國內(nèi)外學者對高效的煤泥水處理技術(shù)開展了大量的研究工作[4-8]。

煤泥水處理的關(guān)鍵是如何使細粒煤泥得到快速沉降，處理方式是向煤泥水中加入一定濃度的絮凝劑和凝聚劑，從而使煤泥結(jié)為絮團，以較快的速度沉入濃縮池底部[9]。但是煤泥在濃縮池中的絮凝沉降過程非常復(fù)雜，具有不確定性、滯后性和大慣性的特點。煤泥沉降效果與煤泥水的沉降特性、絮凝劑和凝聚劑的濃度及添加比例等諸多因素都有關(guān)系，所以充分研究相關(guān)因素對絮凝沉降過程的影響規(guī)律，對實現(xiàn)煤泥水自動精準加藥具有重要意義[10]。為此，筆者采取小紀汗選煤廠的煤泥水樣品，進行了煤泥水沉降性能試驗研究。

2 試驗過程

試驗選用的小紀汗選煤廠煤泥水樣品濃度為75.12 g/L。首先采用激光粒度儀對煤泥的粒度組成進行測試，然后進行絮凝沉降性能試驗。試驗參數(shù)的選取：絮凝劑濃度為4 g/m3，6 g/m3，8 g/m3，10 g/m3，12 g/m3；凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比分別為0∶1，3∶1，6∶1，9∶1，12∶1。試驗采用50 mL量筒作為沉降試驗的器皿，選取初始沉降速度為評價絮凝沉降效果的指標。初始沉降速度v為：

式中：v——澄清界面的初始沉降速度，cm/min；

Ti——某一累計時刻(i=0、1、2、3，…，n)，s；

Hi——對應(yīng)于Ti的澄清界面累計下降距離，mm；

A——直線段首端型值點順序號；

B——直線段末端型值點順序號；

M——直線段A到B的型值點的累計個數(shù)，M=B-A+i。

煤泥水絮凝沉降試驗的設(shè)計及結(jié)果見表1。其中，絮凝劑濃度和凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比分別以A、B代表。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別采用以下4種模型對初始沉降速度同絮凝劑濃度、凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比的關(guān)系進行了擬合。

線性模型(Y=k1A+k2B)；

2FI模型(Y=k1A+k2B+k3AB)；

二次方模型(Y=k1A+k2B+k3A2+k4B2+k5AB)；

立方模型(Y=k1A+k2B+k3A2+k4B2+k5AB+k6A3+k7B3+k8AB2+k9A2B)。

表1 煤泥水絮凝沉降試驗設(shè)計及結(jié)果

3 結(jié)果與討論

為了有效制定煤泥水的加藥策略，對煤泥水的粒度特性進行了分析，建立了初始沉降速度的數(shù)學模型，并分析了絮凝劑濃度、凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比對初始沉降速度的影響。

3.1 煤泥水粒度特性分析

在煤泥水中，煤泥顆粒的性質(zhì)決定了煤泥水的性質(zhì)，其中，煤泥顆粒的粒度組成會對煤泥水處理的難易程度產(chǎn)生很大影響，粒度組成的變化會引起固液兩相之間相對運動速度的變化。隨著顆粒粒度的增大，沉降速度也會加快，從而產(chǎn)生更好的分離效果；如果顆粒的粒度很小，將會較難進行分離，這是由于煤泥中細粒比例增大時，將加劇顆粒的布朗運動，增加顆粒間表面電荷斥力，使煤泥水具有某些膠體的性質(zhì)，增加了煤泥水的粘度，從而對煤泥水的沉降產(chǎn)生不利影響。

小紀汗選煤廠煤泥水粒度分布結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，給入濃縮池的煤泥水顆粒粒度很細，小于0.05 mm粒級約占總量的80%，小于0.01 mm粒級也占到總量的36%。根據(jù)斯托克斯公式，顆粒的沉降速度與其粒徑的平方成正比，顆粒的沉降速度會隨著粒徑的減小而變慢；另外，由于重力作用會隨著顆粒粒度的減小而變小，這會使得布朗運動造成的影響越來越顯著，從而促使顆粒處于懸浮狀態(tài)。由于該煤泥水中微細顆粒較多，需要對其進行有效的絮凝沉降。

圖1 煤泥水粒度分布示意

3.2 初始沉降速度數(shù)學關(guān)聯(lián)式的建立

根據(jù)初始沉降速度試驗數(shù)據(jù)，對4種模型進行了R2綜合分析，見表2。由表2可見，4種模型中，二次方模型的標準偏差和預(yù)測殘差平方和均較小，R2和R2預(yù)測值均較大，因此決定采用二次方模型進行試驗結(jié)果的模擬及分析。對二次方模型的模型參數(shù)進行了方差分析，見表3。

采用F值檢驗法對模型參數(shù)的顯著性進行了檢驗，其中，當模型參數(shù)的“Prob>F”大于0.1時，說明該參數(shù)不顯著，當“Prob>F”小于0.05時，說明該參數(shù)顯著。從表3可以看出，模型中的A、A2因素顯著。通過模擬得出了初始沉降速度v與A、B兩因素的數(shù)學關(guān)聯(lián)式：

v(cm/min)=-141.85+47.33A+2.27B-

2.29A2-0.20B2+0.11AB

基于初始沉降速度數(shù)學關(guān)聯(lián)式，對預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果進行了對比分析。學生化殘差的正態(tài)分布見圖2，實驗值和預(yù)測值的對比見圖3?？梢钥闯觯瑢W生化殘差基本符合正態(tài)分布，試驗值和預(yù)測值吻合度較高。

表2 R2綜合分析(初始沉降速度)

表3 二次方模型參數(shù)的方差分析(初始沉降速度)

圖2 初始沉降速度學生化殘差的正態(tài)分布

圖3 初始沉降速度實驗值和預(yù)測值的對比

3.3 絮凝劑濃度和凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比對初始沉降速度的影響

圖4為絮凝劑濃度和凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比對初始沉降速度的影響。由圖4可知，凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比一定時，隨著絮凝劑濃度的增加，初始沉降速度先增大后減小，當絮凝劑濃度為10 g/m3時，初始沉降速度最大。這是因為隨著絮凝劑濃度的增大，單位面積的絮凝劑分子增多，與絮凝劑分子接觸的煤泥水顆粒也越來越多，使得煤泥水顆粒更容易形成絮團，并以較快的速度下沉；但是當絮凝劑的濃度過高時，煤泥水顆粒的表面會全部被絮凝劑分子包住，這會對煤泥水顆粒的絮凝產(chǎn)生不利影響，使顆粒間產(chǎn)生斥力，形成分離狀態(tài)。從圖4中還可以看出，絮凝劑濃度一定時，初始沉降速度隨著凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比的增加逐步增大，但變化幅度較小。

圖4 絮凝劑濃度和凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比對初始沉降速度的影響

4 結(jié) 語

(1)小紀汗選煤廠煤泥水中微細顆粒較多，0.05 mm以下的物料約占總量的80%，0.01 mm以下的物料占到總量的36%。

(2)影響初始沉降速度的顯著因素為絮凝劑濃度。隨著絮凝劑濃度的增加，初始沉降速度先增大后減??；當絮凝劑濃度為10 g/m3時，初始沉降速度最大。

(3)建立了初始沉降速度與各影響因素間的數(shù)學關(guān)聯(lián)模型。

(4)在試驗選定比例范圍內(nèi)，絮凝劑濃度一定時，凝聚劑與絮凝劑質(zhì)量比越大，煤泥水沉降速度越快。