選煤廠難沉降煤泥水特性及影響因素分析

周圓圓

（山西霍州煤電集團辛置礦選煤廠，山西 霍州 031412）

選煤廠煤泥水作為選煤工藝的關鍵環節，其處理效果直接影響著選煤效率，而難沉降煤泥水是選煤過程中煤泥水處理形成閉路循環最大的難題。因此，本文擬從難沉降煤泥水的組成及特性，分析影響煤泥水難沉降的因素，以期對解決難沉降煤泥水的難題提供有益參考。

1 選煤廠難沉降煤泥水的組成及特性

1.1 難沉降煤泥水的組成

選煤是我國潔凈煤技術的基本手段，煤泥水是濕法選煤過程中產生的工業廢水，其沉降循環利用是選煤工藝系統中的關鍵環節之一。而難沉降煤泥水是指在自然沉降條件下，數天都無法澄清的煤泥水，難沉降的煤泥水嚴重影響著選煤系統的正常運轉，為了實現煤泥水的高效處理，需要研究煤泥水的成分組成。

煤泥水是煤和多種礦物顆粒及其水解后形成的復雜懸浮物，其還包含少量的金屬離子和選煤藥劑等，具有礦物粒度分布范圍大、溶液化學組分復雜的特性[3]。以煤泥水物質來源為基礎，分析煤泥水的主要組成：（1）根據所選原煤的變質炭化程度可以把煤分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤，按宏觀煤巖結構的不同可分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤，不同的煤質對煤泥水特性的影響差異較小；（2）通過XRD衍射成分分析，一般煤中礦物質組成主要包括黏土礦物、氧化礦物、碳酸鹽礦物、硫化礦物、硫酸鹽礦物及少量其他礦物質，其中黏土礦物是含量最多的礦物，如山西大同和陽泉礦區煤樣中粘土礦物含量分別為41.02%和85.64%，常見粘土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石[4]。常見的氧化礦物多以石英為主，且其含量也較大，碳酸鹽礦物主要為方解石，硫化礦物主要是與煤炭資源伴生的黃鐵礦，硫酸鹽礦物的含量較少，如石膏等；（3）針對選煤廠的用水，主要有地表水、淺層地下水、礦井水、深層地下水幾種來源，不同水的水質也有一定差異，但都有自然水中的基本離子（陽離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+， 陰 離 子 Cl-、 SO42-、HCO3-），但不同來源的水含有的各離子差異較大，地表水的礦化程度低，相對硬度也低，淺層地下水礦化度和硬度都有一定增加，且隨著深度的增加均增大，而礦井水的礦化度與硬度一般都較低。

1.2 難沉降煤泥水的特性

難沉降煤泥水的性質與其物質組成密切相關，且受到各個物質間的相互影響作用。由于組分的差異，難沉降煤泥水的性質也不相同，但也存在一些共同特性，如煤泥水的濃度高、細粒煤和細泥含量高、黏度大、水的硬度低等。煤泥水的性質直接影響沉降的效果，而難沉降煤泥水不易沉降的原因主要包括以下幾個方面的性質。

（1）難沉降煤泥水中含有大量的細顆粒物質，比表面積很大，且表面具有較高的負電性。細顆粒物之間的電荷產生的靜電斥力大，使細顆粒呈現分散狀態，不易形成大顆粒聚合物沉降。煤泥水中的親水氧化物容易形成膠體，Zeta電位是用來評價膠體體系穩定性的重要指標，其是通過膠體粒子的帶電特性判斷膠體的穩定性，Zeta電位越大，表明細顆粒間的靜電斥力越大，膠體越穩定。圖1為某選煤廠細粒煤和細泥表面Zeta電位與pH值的關系[5]，由圖可知，細泥的Zeta電位負值比細粒煤大，因此煤泥水中細泥含量越高，煤泥水越穩定，越難沉降。

圖1 細粒煤、細泥顆粒表面電位與pH值的關系

（2）煤泥水不僅有懸浮液的性質，還具有膠體的性質，由于煤泥水中細顆粒物的重量輕，顆粒無規則的布朗運動速度大，在水中呈穩定懸浮狀態，僅以自身重力作用下沉難以達到理想的沉降效果。煤泥水中細顆粒物的干擾沉降速度Vg可以用利亞申柯公式表示，即：

式中：

vg-顆粒在煤泥水中的干擾沉降速度，cm/s；

δ-細顆粒物的密度，g/cm3；

d-細顆粒的粒度，cm；

R-煤泥水的液固比。

從式（1）可知，煤泥水中顆粒物的沉降速度vg與顆粒粒度d成二次正比關系，顆粒粒度的分布對沉降速度的影響很大，即顆粒粒度越細，越容易懸浮，煤泥水越不容易沉降，因此細泥和細煤粉難于沉降。

（3）由于煤泥水中細顆粒物的表面存在未補償的鍵能，使水分子在其周圍定向排列，形成水化膜，阻止顆粒間相互接觸生成大顆粒沉降。另外，有些顆粒還與周圍水分子發生水化反應，形成阻止細顆粒聚合的水化膜，使煤泥水出現難沉降現象。

2 煤泥水難沉降的影響因素分析

（1）礦物的泥化作用

泥化性主要是由礦物的微觀結構所決定，在水中易于泥化的是軟質粘土礦物。粘土礦物具有很強的吸水膨脹性，在水中容易軟化崩解成比其他礦物粒度小、質量輕的微米級顆粒，使溶液泥化不易沉降，且粘土礦物在水中停留的時間越長，泥化作用越嚴重，煤泥水的粘度越大，增加了煤泥水的處理難度。而在選煤過程中，不同變質程度的煤都不易泥化，煤層中存在的矸石也不易泥化。不易于泥化的礦物在洗選過程中，由于不會因為水的浸泡和機械破碎作用而形成幾十微米以下的極細顆粒，因而較容易沉降，不會形成難沉降煤泥水。

（2）礦物顆粒聚合穩定性

煤泥水中的顆粒在溶液中受重力和布朗運動的作用，當礦物顆粒的粒徑大于十幾微米時，重力作用大于布朗運動，顆粒自由沉降，且沉降速度符合Stokes定律，即顆粒在溶液中的下沉速度與其半徑成正比，半徑越小，沉降越緩慢。而顆粒大小的形成，需要考慮顆粒之間的聚合和分散作用，根據EDLVO理論，煤泥水中礦物顆粒總勢能為[6]：

式中：

VW-礦物顆粒間的范德華力相互作用能；

VE-礦物顆粒間的靜電作用能；

[VH]-礦物顆粒間極化作用，排斥或吸引勢能。

礦物顆粒總勢能VT值的正負決定了顆粒間的聚合和分散，VT大于0時，礦物顆粒間相互排斥，顆粒處于分散狀態，不易沉降；小于0時，相互吸引，顆粒聚合，形成大顆粒沉降。而且粘土礦物顆粒常帶負電荷，容易吸附煤泥水中的陽離子，但由于靜電作用能和布朗運動，只有一部分吸附在顆粒表面，另一部分散布于溶液與顆粒之間形成了顆粒與離子間的擴散雙電層模型。在離子電場作用下，粘土顆粒與溶液間產生相對移動的“滑動面”與本體之間的電勢差為ζ電位，其大小決定了煤泥水的沉降難易程度，ζ電位越大，礦物顆粒間產生的靜電斥力越大，阻止礦物顆粒的聚合，礦物顆粒越難沉降；ζ電位越小，煤泥水越容易沉降。

（3）選煤水的水質

選煤水作為煤泥水的重要組成，不僅是選煤的重要介質，也給煤泥水的形成提供了條件。不同地區選煤廠的水質差別較大，水中離子的含量和水的硬度也相差懸殊，其水質與煤泥水的沉降難易程度密切相關。離子的含量高、硬度大的選煤水一般不需要特殊處理就能實現煤泥水循環澄清，而離子含量低、硬度小的選煤水極易形成難沉降煤泥水。另外，由于現代選煤廠的大型化，空間利用集約化，使煤泥水的循環流量很大，而且循環的周期較短，因此在受限的空間和時間也極大地影響了煤泥水的沉降。

3 結語

通過對煤泥水難沉降影響因素的分析表明，軟質粘土的泥化作用是煤泥水難沉降的直接因素；煤泥水中礦物顆粒粒度越小，越難沉降；ζ電位越大，礦物顆粒間產生的靜電斥力越大，煤泥水越難沉降；離子含量低、硬度小的選煤水極易形成難沉降煤泥水，受限的空間和時間也是影響煤泥水難沉降的重要因素。