李陽選煤廠煤泥水沉降試驗(yàn)研究

田軍章

(中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450007)

李陽選煤廠隸屬于潞安集團(tuán)李陽煤業(yè)有限公司，位于山西省和順縣，是設(shè)計(jì)能力為1.20 Mt/a的礦井型選煤廠。礦井位于沁水煤田的東北部，沁水煤田是陷落柱較多的煤田[1]。錢文溥提出的“膏溶說”認(rèn)為：奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r中，有厚度在30 m以上的硬石膏，遇水形成石膏，石膏溶解速度快，上覆巖層塌陷就形成陷落柱。山西省沁水盆地石油普查鉆探也證實(shí)了這種觀點(diǎn)[2-3]。小型陷落柱與煤層一同開采，對原煤煤質(zhì)和煤炭分選有較大影響[4]。當(dāng)李陽煤礦礦井遇到陷落柱時(shí)，入選原煤中細(xì)粒含量增加，煤泥水組成發(fā)生變化，選煤廠的生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)分選密度不穩(wěn)、介耗高、循環(huán)水濃度增加、浮選效果差、精煤產(chǎn)率低等一系列問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。為保證正常生產(chǎn)，李陽選煤廠對煤泥水的組成進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了煤泥水沉降試驗(yàn)，采用不同的藥劑添加配比，通過對比沉降效果，得到了有效的煤泥水處理方案。

1 煤泥性質(zhì)

1.1 煤泥粒度組成

當(dāng)李陽選煤廠入選礦井開采陷落柱原煤時(shí)，在選煤廠濃縮機(jī)入料處，按照GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定采取煤泥水樣品[5]，按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》的規(guī)定對該樣品進(jìn)行小篩分試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 李陽選煤廠煤泥小篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：該煤泥灰分中等，灰分隨粒度變化不大。但煤泥中<0.045 mm粒級產(chǎn)率達(dá)49.81%，細(xì)粒級含量高，這是煤泥難于沉降的主要原因。

1.2 煤泥水自然沉降

自然沉降是指無外加藥劑、無絮凝傾向或弱凝結(jié)傾向的固體顆粒在懸浮液中自然地離散沉降,特點(diǎn)是顆粒之間不發(fā)生黏附，其形狀、粒度等都保持不變。自然沉降試驗(yàn)是在250 mL的細(xì)頸量筒中進(jìn)行的，試驗(yàn)操作步驟為：① 用攪拌器將煤泥水?dāng)嚢杈鶆?；②在攪拌過程中，用燒杯取樣并倒入細(xì)頸量筒至滿刻度；③將裝滿煤泥水的細(xì)頸量筒加蓋后，雙向翻轉(zhuǎn)5次后靜置；④每隔5 min記錄一次沉淀層下降體積。根據(jù)煤泥水中沉淀層體積變化數(shù)據(jù)和對應(yīng)時(shí)間，繪出煤泥水自然沉降曲線。李陽選煤廠煤泥水自然沉降曲線如圖1所示。

圖1 李陽選煤廠煤泥水自然沉降曲線

由圖1可知：煤泥水在35 min后基本完成了自然沉降，沉降完成后，上清液較渾濁。這與生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的濃縮池沉降效果差，循環(huán)水濃度高的情況下是一致的，說明煤礦過陷落柱時(shí)的原煤煤泥水不易自然沉降。

2 煤泥水沉降試驗(yàn)

2.1 絮凝沉降試驗(yàn)

煤泥水中部分細(xì)粒顆粒的沉降速度極慢，表面帶有很高的負(fù)電性，阻止顆粒間相互接近，使細(xì)顆粒不能凝聚成較大的顆粒，導(dǎo)致煤泥水長時(shí)間不沉降。為加速顆粒沉降，可以通過投加絮凝劑來破壞煤泥水體系的穩(wěn)定狀態(tài)。絮凝是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，首先是膠體顆粒脫穩(wěn)并形成細(xì)小的凝聚體，然后在絮凝劑分子結(jié)構(gòu)的活性基團(tuán)橋連作用下使顆粒形成大面積的絮團(tuán)，從而加快沉降速度[6-8]。

試驗(yàn)時(shí)，在燒杯中加入500 mL煤泥水，并加入一定劑量的絮凝劑溶液，利用攪拌器在100 r/min的攪拌強(qiáng)度下攪拌 20 s，然后迅速將煤泥水移入500 mL量筒中 ，沉降 1 min后測定煤泥沉降速度。沉降速度的計(jì)算公式為：

V= (h1-h2)/t，

(1)

式中：V為沉降速度，cm/min；h1為量筒中煤泥水的總高度，cm；h2為沉降一定時(shí)間后沉淀層的高度，cm；t為沉降時(shí)間，min。

聚丙烯酰胺是一種有機(jī)高分子聚合物，其作用機(jī)理主要有吸附、橋架及電性中和作用[9]，可以吸附水中的懸浮顆粒，使細(xì)顆粒形成比較大的絮團(tuán)，加快沉降的速度。聚丙烯酰胺按其側(cè)鏈所帶的官能團(tuán)的不同可以分為非離子、陰離子和陽離子等類型，因自身性質(zhì)不同，在處理不同的煤泥水時(shí)效果亦不同。試驗(yàn)選用了非離子型聚丙烯酰胺(分子量1 000萬)、陽離子型聚丙烯酰胺(分子量1 000萬)和陰離子型聚丙烯酰胺(分子量1 200萬)，三種藥劑配制成質(zhì)量濃度為 0.1% 的溶液。向500 mL煤泥水中分別加入1、2、3、4、5 mL絮凝劑溶液，即各自對應(yīng)添加2、4、6、8、10 g/m3絮凝劑，沉降 1 min后，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。煤泥沉降速度與藥劑用量的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知：隨著加藥量的增加，加入三種聚丙烯酰胺時(shí)煤泥水的沉降速度都是先增大后減小，當(dāng)添加藥量分別是2、4、6、8、10 g/m3時(shí)，添加陽離子型聚丙烯酰胺的沉降速度對應(yīng)是：35.6、36.4、37.5、36.5、34.9 cm/min；添加陰離子聚丙烯酰胺的沉降速度對應(yīng)是：34.8、35.5、36.1、35.3、34.4 cm/min；添加非離子聚丙烯酰胺的沉降速度對應(yīng)是：34.2、34.5、35.5、34.4、33.8 cm/min。當(dāng)絮凝劑的用量過多時(shí)會導(dǎo)致絮體重新變成穩(wěn)定的膠體，絮凝效果反而下降。經(jīng)對比，相同加藥量條件下，陽離子型聚丙烯酰胺的沉降效果比陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺效果好。雖然陽離子型聚丙烯酰胺比陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺沉淀速度稍快，但總體沉降速度依然緩慢，最高速度僅為37.5 cm/min，且沉降完成后上清液較渾濁，澄清效果差。

圖2 煤泥沉降速度與藥劑用量關(guān)系曲線

2.2 凝聚沉降試驗(yàn)

煤泥水中微小的顆?？梢暈槟z體，膠體微粒之間具有范德華力與靜電力[10]。范德華力是引力，對顆粒的聚集有利，靜電力是斥力，對顆粒的聚集不利[11]。正常情況下，二力是平衡的，若減小顆粒間的斥力，就會打破平衡，發(fā)生凝聚。向懸浮液中加入電解質(zhì)，電解質(zhì)會電離出帶正電的離子，而煤泥顆粒一般帶負(fù)電荷，二者中和，就發(fā)生顆粒聚集， 煤泥水中微粒就會沉降，這就是凝聚原理[12-14]。

根據(jù)選煤廠選用凝聚劑情況和煤泥水的性質(zhì)，選擇聚合氯化鋁和氯化鈣兩種凝聚劑進(jìn)行凝聚沉降試驗(yàn)。試驗(yàn)中， 兩種藥劑都配制成質(zhì)量濃度為 1% 的溶液。煤泥水凝聚沉降試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 煤泥凝聚沉降試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知：單獨(dú)使用氯化鈣的沉降效果比單獨(dú)使用聚合氯化鋁要好，但兩種凝聚劑都不能使上清液澄清，因此應(yīng)考慮凝聚劑和絮凝劑混合使用。

3 混凝沉降試驗(yàn)

混凝沉降是將凝聚劑和絮凝劑按照一定的順序投加到懸浮液中，通過電性中和、壓縮雙電層作用、吸附架橋作用和沉析物網(wǎng)捕作用等將水體中的顆粒聚合形成更大的顆粒，最終達(dá)到沉降的目的?；炷两翟趯?shí)驗(yàn)室或工程上經(jīng)常被應(yīng)用，從前述的試驗(yàn)結(jié)果可知，單獨(dú)使用絮凝劑或凝聚劑對煤泥水沉降都有一定效果，但效果均不理想。為探索有效的煤泥水處理方法，需要進(jìn)行混凝沉降試驗(yàn)。

目前，國內(nèi)有許多相關(guān)的試驗(yàn)與報(bào)道，先加凝聚劑攪拌后再加絮凝劑的效果較好[15]。這是因?yàn)槊耗嗨械念w粒荷負(fù)電荷，而凝聚劑加入后會電離出正離子，這樣就會在煤泥水系統(tǒng)中發(fā)生電中和反應(yīng)，壓縮煤泥水中的顆粒表面雙電層。此時(shí)再加入絮凝劑進(jìn)行絮凝，顆粒就能進(jìn)行很好地沉降。

確定了加藥順序后，采用聚合氯化鋁、氯化鈣分別與陽離子型、非離子型、陰離子型聚丙烯酰胺做交叉混凝沉降試驗(yàn)，通過多次正交試驗(yàn)結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)：在用三種絮凝劑單獨(dú)做絮凝沉淀試驗(yàn)時(shí)，陽離子型聚丙烯酰胺沉降效果最好；而與凝聚劑配合做混凝沉降試驗(yàn)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)陰離子型聚丙烯酰胺沉降效果最好，而且氯化鈣做凝聚劑效果優(yōu)于氯化鋁。因此在混凝試驗(yàn)時(shí)，凝聚劑選用氯化鈣，絮凝劑選用陰離子型聚丙烯酰胺。采用不同劑量的陰離子型聚丙烯酰胺與氯化鈣做混凝沉降試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰離子型聚丙烯酰胺用量為6 g/m3時(shí)，沉降效果最佳。

按照GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能試驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)[5]。采用氯化鈣作凝聚劑，充分?jǐn)嚢韬螅偌尤? g/m3陰離子型聚丙烯酰胺進(jìn)行混凝沉降試驗(yàn)，混凝沉降試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 煤泥混凝沉降試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：對比絮凝沉降試驗(yàn)初始沉降最高速度為37.5 cm/min、凝聚沉降試驗(yàn)初始沉降最高速度為8.5 cm/min，混凝沉降試驗(yàn)的初始沉降速度有了很大提高，最高達(dá)到72.84 cm/min，而且混凝沉降試驗(yàn)上清液比絮凝、凝聚沉降試驗(yàn)上清液清晰，沉降速度快，混凝沉降效果明顯優(yōu)于絮凝沉降和凝聚沉降試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在生產(chǎn)中按照按400 g/m3的凝聚劑(氯化鈣)添加量，攪拌均勻后加入浮選尾礦，按6 g/m3的絮凝劑(陰離子型聚丙烯酰胺)的添加量加入濃縮池。生產(chǎn)實(shí)踐表明：煤泥水可快速沉降，循環(huán)水由黑變清，循環(huán)水的固體濃度由28 g/L降到1 g/L；噸干煤泥浮選藥劑用量由2.5 kg降到1.3 kg;介耗由1.9 kg/t降到1.1 kg/t；精煤產(chǎn)率由56%上升到61%，取得良好效益。

4 結(jié)論

(1)礦井過陷落柱時(shí)的原煤煤泥水很難自然沉降，是因煤泥中細(xì)顆粒含量高，<0.045 mm粒級的顆粒占本級的百分比達(dá)到49.81%，這些細(xì)粒懸浮在水中，難以沉降。

(2)選用非離子型、陽離子型、陰離子型聚丙烯酰胺單獨(dú)做絮凝劑，都有一定的沉降效果，其中陽離子型聚丙烯酰胺的絮凝效果優(yōu)于其他兩種，但總體速度較慢，最高才達(dá)到37.5 cm/min，沉降效果不明顯，上清液中懸浮細(xì)顆粒較多。

(3)聚合氯化鋁或氯化鈣單獨(dú)做凝聚劑，都有沉降效果，其中氯化鈣凝聚效果優(yōu)于聚合氯化鋁，但沉降速度慢。當(dāng)氯化鈣用藥量高達(dá)400 g/m3時(shí)，速度才達(dá)到8.50 cm/min，且上清液也有渾濁現(xiàn)象，總體沉降效果不理想。

(4)混凝沉降試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)條件是先加400 g/m3的凝聚劑(氯化鈣)，攪拌30 s后，再加6 g/m3的絮凝劑(陰離子型聚丙烯酰胺)，沉降速度最快，達(dá)到72.48 cm/min，而且能獲得清的上清液。