微細粒浮選精煤絮凝脫水試驗研究

王亞健，趙 翔，張嘉云，申 杰，杜 軍，花曉中，王鵬輝，徐宏祥，黃 根

(1.山西潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 064100；2.中國礦業大學(北京)化環學院 礦山與城市固廢資源化工程研究中心，北京 100083)

浮選精煤脫水是選煤廠煤泥水處理的一個重要工藝環節，其合理與否直接影響全廠的工藝系統、分選效率及周圍環境。隨著原煤開采機械化程度的提高，選煤廠入選原煤中小于0.5 mm粒級煤泥含量不斷增加，浮選精煤粒度也越來越細，給細粒精煤脫水帶來了困難[1-3]。

目前，選煤廠浮選精煤通常采用精煤壓濾機和加壓過濾機脫水，濾布孔徑一般為160～200目，由于浮選精煤中微細顆粒含量增多，產品水分往往偏高且不穩定，從而導致總精煤水分較高[4]；并且微細顆粒在壓濾過程中透過濾布進入濾液，造成大量浮選精煤損失。同時含微細顆粒較多的濾液進入煤泥濃縮池，造成煤泥量增加，也造成濃縮池中煤泥顆粒沉降壓濾困難，使得煤泥灰分升高。這些問題都會給選煤廠造成經濟損失，增加運營成本。因此減少微細粒浮選精煤的損失對于選煤企業意義重大。

為了減少微細粒浮選精煤的損失，本文提出浮選精煤絮凝壓濾工藝，即采用高分子絮凝劑和凝聚劑作用于浮選精煤絮凝沉降過程，研究絮凝劑種類及用量、凝聚劑種類及用量對浮選精煤絮凝沉降效果的影響，探索浮選精煤絮凝壓濾工藝的脫水效果。

1 試 驗

1.1 試驗材料和試劑

浮選精煤煤樣取自山西長治市屯留縣余吾選煤廠，測得煤樣總灰分為7.32%，通過浮選精煤的X-射線衍射(XRD)分析(如圖1)表明，煤中主要含無機物高嶺石、部分黃鐵礦和石英。煤樣粒度分析見表1。

由表1可以看出，隨著粒度的減小，各粒級產率逐漸增加，其中細粒級(小于0.074 mm)顆粒占主導，含量高達71.75%；并且隨著粒度的減小，各粒級的灰分呈現先降低后增加的趨勢，表明煤質均勻性差，微細粒級的煤含量較多且灰分較高，對后續的浮選精煤壓濾脫水工藝影響較大。

圖1 煤樣X-射線衍射(XRD)圖譜

粒度/mm產率/%灰分/%0.5～0.39.967.420.3～0.253.487.210.25～0.12515.726.520.074～0.12522.646.630.045～0.07423.716.72<0.04524.499.04合計100.007.32

試驗所用的化學試劑為氯化鈣(CaCl2)、明礬、聚合氯化鋁(PAC)、陰離子型絮凝劑(分子量分別為1 000萬、600萬和300萬)、陽離子型絮凝劑(陽離子度分別為20%、30%)。以上試劑均為化學純，試驗用水均為去離子水。

將CaCl2、明礬、PAC配制成濃度為5%的溶液，陰離子型絮凝劑、陽離子型絮凝劑配制成濃度為0.1‰的溶液，各100 mL，備用。

1.2 絮凝劑類型對浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗

取5個250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同類型的絮凝劑4 mL；在沉降時間30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s、300 s和600 s時，記錄沉降界面高度；并在沉降時間5 min、10 min、30 min和60 min時取出上清液樣品，利用濁度計(WZS-186型，下同)測試樣品濁度。

1.3 絮凝劑用量對浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗

在確定了最佳絮凝劑種類后，取5個250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同用量的絮凝劑，在沉降時間 30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s、300 s和600 s時，記錄沉降界面高度，并在沉降時間5 min、10 min、30 min和60 min時取出上清液樣品，利用濁度計測試樣品濁度。

1.4 凝聚劑類型對浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗

取若干個250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同類型的凝聚劑，投加量均為800 mg/L。由于凝聚劑對溶液沉降速度影響較小，在前期試驗中三種絮凝劑沉降界面的高度基本無差別，因而試驗主要通過溶液濁度的變化來評價凝聚劑效果。在沉降時間5 min、10 min、30 min和60 min時取出上清液樣品，利用濁度計測試樣品濁度。

1.5 凝聚劑用量對浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗

在確定最佳凝聚劑種類后，取5個250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同用量的凝聚劑，在沉降時間5 min、10 min、30 min和60 min時取出上清液樣品，利用濁度計測試樣品濁度。

1.6 絮凝劑和凝聚劑協同作用對浮選精煤絮凝效果的影響

在最佳的絮凝劑和凝聚劑類型和用量條件下，取1個250 mL具塞量筒，稱取37.5 g煤樣放入其中，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，加入凝聚劑和絮凝劑，在沉降時間5 min、10 min、30 min和60 min時取出上清液樣品，利用濁度計測試樣品濁度。

1.7 浮選精煤絮凝壓濾脫水試驗

在絮凝劑和凝聚劑的最優種類和最佳用量條件下，進行浮選精煤絮凝壓濾脫水試驗。取2個900 mL燒杯，分別稱取100 g煤樣放入杯中，加入去離子水，配制成500 mL浮選精煤溶液，充分潤濕后，在1號燒杯中加入前期實驗結果中最佳用量的凝聚劑和絮凝劑，2號燒杯中不加藥劑。設置相同壓濾條件進行壓濾試驗，對比二者濾餅水分和濾液濃度。

2 試驗結果與討論

2.1 絮凝劑類型對浮選精煤絮凝沉降效果的影響

2.1.1 絮凝劑種類對浮選精煤絮凝沉降界面高度的影響

絮凝劑類型對浮選精煤絮凝沉降界面高度的影響如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑種類與沉降界面高度之間的關系

從圖2可以看出，在相同時間(0～300 s)內，浮選精煤絮凝沉降界面下降速度最快的是分子量為1 000萬的陰離子型絮凝劑，其次是陽離子度為30%的陽離子型絮凝劑；而分子量600萬、300萬以及陽離子度為20%的絮凝劑效果較差，且這3種絮凝劑的效果相近。在沉降時間達到600 s時，所有絮凝劑各自作用后的煤漿最后沉積物高度相近，為6～8 cm。

2.1.2 絮凝劑類型對浮選精煤絮凝沉降后上清液濁度的影響

絮凝劑類型對上清液濁度影響試驗結果如圖3所示。

圖3 絮凝劑種類與煤漿上清液濁度的關系

從圖3可以看出，在浮選精煤溶液中加入絮凝劑后，隨著時間的增長，煤漿上清液濁度逐漸降低。在相同時間內效果最好的為分子量1 000萬的陰離子型絮凝劑，其次為陽離子度為30%的陽離子型絮凝劑，其他絮凝劑的效果均不理想。這是因為分子量大的絮凝劑擁有更長的分子鏈，含有更多的基團，陰離子絮凝劑在煤粒表面為環式或尾式吸附，易于在煤粒間產生架橋作用，能夠在分子鏈上粘連更多的微細煤炭顆粒，并且對煤粒表面的雙電層有壓縮作用，易于形成更大、更緊實的絮團，使得煤漿絮凝沉降更快，煤漿上清液中固體含量減少，濁度更低[6-7]；陽離子型絮凝劑的分子鏈上含有陽離子，而煤炭顆粒在水中表面呈負電性，陽離子能中和這些顆粒表面的負電性，減少顆粒表面斥力，有利于顆粒聚集和絮凝。在絮凝作用初期，陽離子型絮凝劑中的陽離子能夠更快的中和煤顆粒表面電荷，促進煤顆粒的聚集和絮凝，使得陽離子型絮凝劑在初期降低濁度的效果比陰離子型絮凝劑更好。但是陽離子型絮凝劑的分子量相較于陰離子型絮凝劑相差懸殊，較難形成大而緊實的絮團，沉降速度慢，同時較短的分子鏈對微細顆粒的吸附能力較弱，使得煤漿上清液中微細顆粒含量增多，濁度增加[8]。

綜合考慮沉降速度和上清液濁度的試驗結果，確定最佳絮凝劑為分子量1 000萬的陰離子型絮凝劑。

2.2 絮凝劑用量對浮選精煤絮凝沉降速度的影響

絮凝劑用量對浮選精煤絮凝沉降界面高度的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 絮凝劑用量與沉降界面高度的關系

從圖4可以看出，隨著絮凝劑用量的增加，煤漿沉降速度先增大后減小。當絮凝用量為1.6 mg/L時，沉降速度達到最大。這主要是當絮凝劑用量不足時，絮凝體為絮團和自由體，絮體粒徑較小，導致沉降速度緩慢；隨著用量的逐漸增加，絮體結構變得緊實，煤漿中自由體減少，絮團體積逐漸變大，沉降速度加快；當絮凝劑用量超過最佳用量后，結構上未飽和的支鏈相互排斥、擁擠而向空間伸展，導致絮體的孔隙率增大，含水率升高，在膠體顆粒周圍形成水化外殼，使得絮凝沉降效果惡化，沉降速度下降[9-10]。

2.3 凝聚劑類型對浮選精煤絮凝沉降上清液濁度的影響

凝聚劑類型對浮選精煤絮凝沉降上清液濁度的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 凝聚劑種類與上清液濁度的關系

從圖5可以看出，在相同凝聚劑用量和相同沉降時間的條件下，對上清液濁度影響最大的是氯化鈣和明礬，且沉降效果比較相近；而PAC的效果最差。因此，根據實驗結果排除凝聚劑PAC，后續考察氯化鈣和明礬兩種凝聚劑用量對上清液濁度的影響。

2.4 凝聚劑用量對浮選精煤絮凝沉降上清液濁度的影響

明礬和氯化鈣的用量對煤漿上清液濁度的影響如圖6所示。從圖6可以看出，在相同沉降時間下，上清液濁度隨著氯化鈣用量的增加先降低后增加。其中凝聚劑最佳用量為600 mg/L，濁度最低能夠達到119 NTU。在相同沉降時間下，隨著明礬用量的增加，煤漿上清液濁度先降低后增加，其中明礬最佳用量為400 mg/L，濁度最低能夠達到118.2 NTU。其作用原理為：當凝聚劑用量較少時，凝聚劑壓縮雙電層的效果較弱，ζ電位降低較為緩慢，故此時凝聚劑效果較差；隨著凝聚劑用量的增加，凝聚劑壓縮雙電層能力逐漸增強，ζ電位快速降低，凝聚劑效果逐漸變好，上清液中微細顆粒減少，濁度降低[11]。當凝聚劑使用過量時，會使得煤漿中的煤顆粒再次帶電，顆粒之間產生靜電斥力，降低顆粒凝聚概率，從而使得凝聚劑效果反而變差[12]。綜合兩種凝聚劑對上清液濁度的影響以及用量條件試驗結果，確定最佳凝聚劑為明礬。

圖6 凝聚劑用量與上清液濁度的關系

2.5 絮凝劑和凝聚劑協同作用對浮選精煤絮凝沉降效果的影響

絮凝劑和凝聚劑協同作用時對浮選精煤絮凝效果的影響如圖7所示。

圖7 絮凝劑和凝聚劑共同作用時的濁度變化

從圖7可知，在分子量1 000萬陰離子型絮凝劑和明礬的共同作用下，浮選精煤溶液的上清液濁度隨時間的增加而逐漸降低，濁度最低能夠達到16.81 NTU，相較于絮凝劑或者凝聚劑單獨使用時，上清液濁度大幅降低，絮凝沉降效果增強。

2.6 浮選精煤絮凝沉降壓濾脫水試驗

按照上述實驗得出的結果進行浮選精煤絮凝壓濾試驗[5]，并設置空白試驗進行效果對比。試驗結果如表2所示。

表2 浮選精煤絮凝沉降壓濾脫水試驗結果

根據壓濾脫水試驗可知，在相同壓濾條件下，入料前加入凝聚劑—絮凝劑處理的煤漿壓濾精煤回收率比未加藥的煤漿精煤回收率提升8.9個百分點，微細顆粒精煤損失減少61.49%，濾餅水分降低1.67個百分點，說明對浮選精煤在壓濾脫水前進行絮凝處理對減少微細顆粒精煤損失的效果顯著。

3 結 論

對浮選精煤絮凝效果最好的分別是分子量1 000萬的陰離子型絮凝劑以及凝聚劑明礬。當浮選精煤溶液濃度為150 g/L時，最佳用量分別是絮凝劑1.6 mg/L和凝聚劑400 mg/L；最佳條件下浮選精煤絮凝沉降上清液濁度能夠降低到16.81 NTU，上清液中微細顆粒的含量大幅減少。

在最佳藥劑種類和用量條件下，浮選精煤絮凝壓濾脫水的精煤回收率比浮選精煤直接壓濾脫水提升8.9個百分點，微細粒精煤損失減少61.49%，濾餅水分降低1.67個百分點，表明浮選精煤絮凝脫水工藝對減少浮選精煤壓濾環節細粒精煤的損失具有很好的改善效果。