煤泥水沉降特性試驗研究

馮岸岸，周 偉，朱金波，張 勇

(安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤泥水是濕法選煤工藝中主選作業產生的尾煤廢水[1]，由于部分煤泥顆粒具有粒度細、灰分高和易泥化等特點，采用常規處理方法無法取得預期效果，需通過一定技術手段[2-5]強化處理效果，國內外學者針對煤泥水的處理方法展開了大量研究[6-10]。Gong等[11]將微生物試劑與有機高分子絮凝劑聯用進行煤泥水沉降試驗，并解釋了二者協同作用的微觀機理。王會平等[12]研究了礦物性質、pH值及藥劑對含煤系高嶺土煤泥沉降效果的影響，表明在弱堿性條件下可以加快該類煤泥水的沉降。劉云霞等[13]研究了添加絮凝劑后不同粒度煤泥所形成絮團的微觀特性和沉降效果，得到絮凝劑用量對絮團大小、強度的影響規律，表明絮團尺寸是影響煤泥水沉降效果的重要因素。陳軍等[14]研究了季銨鹽類藥劑對高泥化煤泥水沉降效果的影響，表明季銨鹽類藥劑能降低顆粒表面的電負性，提高顆粒疏水團聚的效果，且季銨鹽的烷基鏈越長，用量越大，對煤泥的沉降效果越好。林喆等[15]研究了煤泥水的礦物組成和藥劑特性對煤泥水沉降效果的影響，表明黏土礦物會減緩煤泥水沉降速度，且藥劑種類不同對黏土礦物的沉降效果也不同。

本文以徐州地區三河尖選煤廠的濃縮機入料煤泥作為研究對象，通過小篩分試驗、工業分析和XRD分析煤泥性質，通過條件試驗和正交試驗尋找適合煤泥水沉降的最佳方案組合，并分析煤泥水濃度、凝聚劑和絮凝劑用量對煤泥水沉降效果的影響，以期提高選煤廠的煤泥水沉降效果。

1 試 驗

1.1 煤泥來源及粒度組成

試驗所用煤泥樣品來源于徐州地區三河尖選煤廠經壓濾后的濃縮機入料餅狀含水煤泥，將煤泥放入鼓風干燥箱中在100～106 ℃烘干，按照GB/T 474—2008《煤樣的制備方法》對煤泥樣品進行縮分和制樣。煤泥小篩分試驗的結果見表1。

表1煤泥粒度組成
Table1Particlesizecompositionofcoalslime

粒度/mm產率/%灰分/%累計產率/%平均灰分/%0.50～0.2518.2920.6818.2920.680.250～0.12510.9123.1729.221.610.125～0.07443.2529.0172.4526.03<0.07427.5536.9710029.04合計10029.04

由表1可知，粒度0.125～0.074 mm煤泥占比最大，產率為43.25%，灰分為29.01%，而<0.074 mm煤泥產率為27.55%，灰分達36.97%，表明該粒級煤泥粒度細、灰分高。煤泥粒度較細時，布朗運動加劇，加上懸浮顆粒之間的靜電排斥作用，使煤泥顆粒趨向于均勻分散在煤泥水懸浮液中，很難自然沉降，增加煤泥水處理難度。

1.2 煤泥工業分析

該煤種Mad為1.62%，FCad為45.87%，Vad為30.72%，為中高揮發分;St為0.99%，為中硫分;Aad為21.79%，為中灰煤，因此該煤種為中高揮發分、中灰、中硫煙煤。由于煙煤的變質程度較低，礦物雜質較多，會對煤泥水處理產生影響。

1.3 煤泥礦物組成

煤的礦物組成極其復雜，主要有石英、高嶺石、方解石和其他黏土礦物等，原煤中黏土礦物會增加煤泥水處理難度。對煤泥做XRD衍射試驗，采用JADE軟件對XRD圖譜進行物相分析，確定煤泥中主要礦物組成。煤泥XRD分析結果如圖1所示。

圖1 煤泥XRD衍射分析Fig.1 XRD diffraction pattern of coal slime

由圖1可知，煤泥礦物組成中除石英外，還有大量高嶺土、地開石等黏土礦物。石英硬度大，在原煤破碎加工過程中很難破碎，對煤泥水沉降過程影響不大。而黏土礦物具有親水性、易泥化等特點，使煤泥顆粒泥化成幾十微米甚至幾微米，導致煤泥水黏度增加，增大煤泥水處理難度。

1.4 試驗藥劑及儀器

絮凝劑通常具有鏈狀大分子結構，通過分子鏈的“架橋作用”將煤泥水中懸浮顆粒聚集成體積大的絮團，從而加速煤泥沉降。本文選用相對分子質量分別為500萬和1 000萬的聚丙烯酰胺(PAM)作為絮凝劑，為了充分發揮藥劑的絮凝效果，把絮凝劑顆粒配制成質量濃度為0.1%的水溶液。

凝聚劑可以電離出陽離子，通過中和膠體顆粒表面的負電荷使懸浮液體系失穩，達到使懸浮顆粒聚沉的目的。本文選用聚合氯化鋁(PAC)和熟石灰作為凝聚劑。試驗中將藥劑分別配制成質量濃度為3%的PAC溶液和3%的石灰乳懸濁液。

試驗儀器:500 mL量筒、移液管、燒杯、磁力加熱攪拌器、秒表、WZS-185型濁度計

1.5 試驗方法

參照GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能試驗方法》進行煤泥水沉降試驗，具體方法為:用實驗室自來水將煤泥顆粒配制成一定濃度的煤泥水懸浮液，轉移至帶有刻度的量筒中；用移液管移取定量藥劑加入量筒中，蓋緊蓋子后將量筒上下倒置翻轉5次(翻轉速度以每次翻轉時氣泡上升完畢為止)，使煤泥和藥劑充分混合；量筒放置到桌面的瞬間開始計時，澄清界面每下降1 cm記錄1次時間，直至壓縮層高度不再發生明顯變化為止；最后取上層清液測其濁度值。本試驗將煤泥沉降速度和上清液濁度作為考察指標。

2 試驗結果與討論

2.1 凝聚劑單獨沉降試驗

煤泥水質量濃度為80 g/L，分別加入PAC和石灰乳懸濁液進行沉降試驗，靜置30 min后測其上清液濁度值。由于凝聚劑處理煤泥水時，煤泥沉降速度非常緩慢，因此將上清液濁度作為凝聚劑單獨沉降試驗的評價指標。不同凝聚劑沉降試驗結果如圖2所示。

圖2 不同凝聚劑沉降試驗結果Fig.2 Settlement experiment results of different coagulants

由圖2可知，隨著凝聚劑用量的增加，澄清區煤泥水濁度逐漸下降，PAC最佳用量為840 g/t，石灰乳懸濁液最佳用量為960 g/t，此時若繼續增加凝聚劑的用量，煤泥水濁度變化不大甚至出現回升的現象。對比發現PAC沉降效果更好且用量較少，因此考慮選擇PAC為合適的凝聚劑。

2.2 絮凝劑單獨沉降試驗

煤泥水質量濃度為80 g/L，加入不同相對分子質量的PAM進行沉降試驗，煤泥水的上清液濁度和沉降速度隨PAM投加量的變化如圖3所示。

圖3 不同絮凝劑沉降試驗結果Fig.3 Settlement experiment results of different flocculants

由圖3可知，隨著絮凝劑用量的增加，煤泥水上清液的濁度逐漸降低，且煤泥沉降速度加快。絮凝劑用量達到最佳時，繼續增加藥劑用量，煤泥水沉降效果無明顯改善，出現沉降速度下降、濁度回升的現象，這是因為絮凝劑分子發生了結構化，影響煤泥正常沉降。綜合考慮上清液濁度和沉降速度，500萬、1 000萬分子量PAM最佳用量分別為12、14 g/t。由于2者用量差別不大，綜合考慮，選擇1 000萬分子量的PAM為合適的絮凝劑。

2.3 藥劑復配正交試驗

以煤泥水濃度、凝聚劑和絮凝劑用量為試驗因素進行三因素三水平正交試驗，選用L9(34)正交試驗表。煤泥水質量濃度分別為70、80、90 g/L，凝聚劑PAC用量分別為780、840和900 g/t，絮凝劑1 000萬分子量PAM用量分別為13、14和15 g/t。正交試驗因素水平表見表2。配制好所需濃度的煤泥水，按照先加凝聚劑后加絮凝劑的順序進行沉降試驗，將沉降速度和煤泥水上清液濁度作為考察指標。

表2三因素三水平試驗方案
Table2Testofthreefactorsandthreelevels

水平因素A煤泥水濃度/(g·L-1)因素BPAC用量/(g·t-1)因素CPAM用量/(g·t-1)170780132808401439090015

實踐證明，過度追求煤泥水上清液澄清度，不僅會增加藥耗，還會增加煤泥水處理難度，因此對2個指標進行“加權平均綜合評分”，綜合評分=透光率×0.8-沉降速度×1.2，用直觀分析法和方差分析法對試驗結果進行分析，試驗結果和直觀分析見表3，方差分析見表4。

1)直觀分析:綜合評分越低越好。由表3可知，5號試驗綜合評分最低，即煤泥水的綜合沉降效果最好，此時煤泥水上清液濁度為21 NTU，沉降速度為11.76 cm/min。

表3正交試驗結果與直觀分析
Table3Orthogonaltestresultsandintuitionisticanalysis

試驗編號A1B2C3空白列4濁度/NTU沉降速度/(cm·min-1)綜合評分11(70)1(780)1(13)12310.345.99212(840)2(14)2319.6813.18313(900)3(15)32712.047.1542(80)123267.8911.33522312111.762.6962312308.7013.5673(90)1322410.177.0083213289.2311.3293321367.2620.09k18.788.1110.299.59k29.199.0714.8711.25T=92.31k312.8013.605.619.94R4.035.499.261.66

注:k1、k2、k3分別為l、2、3水平試驗結果(綜合評分)的平均值；R為極差；T為綜合評分的加和。

表4方差分析
Table4Varianceanalysis

方差來源偏差平方和S自由度f平均偏差平方和VF值臨界值顯著性A29.415214.7086.416F0.10(2,2)=9無顯著影響B51.659225.82511.267F0.05(2,2)=19顯著影響C128.516264.25828.031F0.01(2,2)=99顯著影響誤差e4.58522.292總和214.7158

2)極差分析:極差R反映了該因素對試驗指標的重要程度，極差越大，說明該因素的水平變化對試驗指標的影響越顯著。由表3可知，影響煤泥水沉降因素的主次順序為:C(絮凝劑用量)、B(凝聚劑用量)、A(煤泥水濃度)，根據綜合評分越低越好，可得最優水平組合方案為C3B1A1。

3)方差分析:F值可以說明該因素對試驗指標的影響程度，并且F值與對應臨界值的差距越大，這種影響就越顯著。由表4可知，絮凝劑用量對煤泥水沉降效果有顯著影響，凝聚劑用量對煤泥水沉降效果有一定影響，而煤泥水濃度小范圍變化對煤泥水沉降效果無顯著影響。由F值的大小可確定試驗因素的主次順序為:C、B、A，驗證了極差分析的正確性，確定最優方案為C3B1A。由于因素A的水平改變對于試驗指標無顯著影響，可根據實際情況而定，結合極差分析結果，試驗優選方案為C3B1A1。

經極差分析和方差分析得到的最優方案為A1B1C3，由于該試驗方案不包含在9個試驗中，因此需進一步的驗證試驗。以煤泥水濃度70 g/L、凝聚劑用量780 g/t和絮凝劑用量15 g/t為條件進行試驗，此時煤泥水上清液濁度為18 NTU，沉降速度為11.16 cm/min，綜合評分為1.01。與5號試驗的綜合評分對比，不難發現方案A1B1C3的試驗結果更好，因此可以得出A1B1C3組合為最優試驗方案。

3 結 論

1)對于原煤變質程度低、易泥化的煤泥水體系，單獨添加絮凝劑或凝聚劑的沉降效果不佳，而藥劑復配試驗證明凝聚劑和絮凝劑聯用不僅能取得更好的沉降效果，還能在一定程度上減少藥耗。

2)絮凝劑和凝聚劑的添加量會影響煤泥水沉降效果，而煤泥水濃度小范圍變化對處理效果無明顯影響。因此實際應用中，要選擇合理的藥劑制度，注意監測煤泥水濃度變化，以減少成本，提高煤泥水的處理效果。

3)煤泥水濃度為70 g/t時，凝聚劑和絮凝劑聯用的煤泥水沉降最好，凝聚劑PAC最佳用量為780 g/t，絮凝劑1 000萬分子量PAM最佳用量為15 g/t，此時煤泥水的上清液濁度為18 NTU，沉降速度為11.16 cm/min。

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