煤泥水絮凝沉降過程影響因素的顯著性評價分析

趙光輝,曹艷軍,王冬

(國家能源集團準格爾能源有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 010300)

煤炭是我國能源結構中占比最大的能源,同時也是重要的工業原料,長期以來為我國的能源與化學工業的穩定發展提供了重要的保障[1]。煤炭在使用前通常需要經過選煤廠洗選加工,將煤中伴生的矸石除去,從而降低煤炭的灰分和硫分等雜質礦物,滿足下游產業對煤炭品質的需求[2]。我國大部分的選煤廠均采用濕法洗選工藝。在濕法選煤的工藝過程中會產生大量的泥煤水,這不僅會造成嚴重的環境污染,還增大了水資源的大量浪費。因此,對選煤過程中產生的泥煤水進行妥善處理對環境及資源問題的解決具有重要意義[3]。影響泥煤水絮凝的因素有很多,從煤泥的角度包括:煤的變質程、度煤泥的粒度、煤泥中主要的灰分礦物——黏土礦物的種類及其含量及煤泥水的固體物濃度等[4-5];從沉降的物理環境上主要是合適的水力條件;從溶液化學環境來有水的硬度、pH值及混凝過程中添加的藥劑等[6-8]。通常煤泥粒度越小越難沉降[9],而相同藥劑條件下,黏土礦物的含量越高沉降速度越慢[10]。王光輝、張明青[11-12]等通過實驗驗證煤泥濃度越高,煤泥水的沉降速度越低,兩者基本呈線性關系,且煤的變質程度越大,煤顆粒表面的疏水性越強,越有利于沉降。張濤[13]等人以聚丙烯酰胺(陰離子)為單一絮凝劑研究pH值對煤泥水沉降的影響,結果表明堿性環境比酸性環境具有更好的沉降效果,當煤泥水pH值=8.5時,濁度值最小。

綜上所述,盡管有很多學者研究了各個因素對煤泥水澄清效果的作用,但在眾多影響因素中,哪些占主導作用尚不明確。而在煤泥水處理環節的智能化建設中,篩選出主要影響因素進行監測和調控,是必要的基礎工作。為此,以批次絮凝沉降實驗中的沉降速度和上清液層濁度為評價指標,利用正交實驗考察煤泥水中的黏土礦物種類及其含量、煤泥水濃度、凝聚劑與絮凝劑的種類及其含量等因素對煤泥水絮凝沉降效果的影響,篩選出對煤泥水絮凝沉降影響顯著的因素,可作為煤泥水濃縮環節智能化調控的主要參考依據和調節手段。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與藥劑

實驗用材料和絮凝劑的性質見表1所列。所用的凝聚劑氯化鋁、氯化鐵和氯化鈣均為分析純試劑。

表1 實驗試劑

對原煤進行破碎和沉浮后得到浮物,烘干后進一步破碎得到粒度小于200目(粒徑0.15 mm)的煤樣,其灰分為1.91%,可視為純煤,平均粒度18.9 μm。實驗用煤泥水即使用該煤樣與高嶺石等灰分礦物按實驗設計的比例混合配成煤泥水樣。

1.2 煤泥水絮凝沉降實驗及其評價指標

1.2.1 實驗方法

煤泥水絮凝沉降以上清液濁度和沉降速度作為評價指標,依據《MT-188選煤廠煤泥水沉降實驗方法》進行。實驗過程如下:根據設計的配比稱取煤樣與黏土配制為煤泥水懸浮液;實驗時根據設定濃度取適量移入具塞量筒中,加入去離子水稀釋為實驗用濃度的煤泥水,定容為100 mL;塞好瓶塞翻轉三次混勻;加入設定的凝聚劑和絮凝劑,再次翻轉10次;翻轉結束后將量筒放置于光源前并開始計時。30 s內,每5 s鐘記錄一次沉降界面高度,之后每30 s記錄一次界面高度,持續5 min。停止沉降記錄后,在液面下50 mm處取10 mL上清液,用WGZ-1A型濁度計測定濁度。

1.2.2 沉降速度

沉降速度使用以下公式進行計算:

(1)

式中:V,0 s時刻清渾界面的沉降速度,cm/min;

Ti,計時時刻編號(i=0,1,2,3……n),s;

Hi,Ti時刻清渾界面的下降距離,mm;

A,沉降曲線直線段起點對應的計時時刻編號;

B,沉降曲線直線段終點對應的計時時刻編號;

M,直線段內記錄的數據點個數。M=B-A+1。

1.3 煤泥水絮凝沉降影響因素的顯著性評價

1.3.1 藥劑用量范圍單因素探索

為保證正交實驗所用的藥劑量在合理的加藥范圍內,正交實驗前需對凝聚劑和絮凝劑的用量范圍進行單因素實驗探索。實驗條件為:以高嶺石為灰分礦物,占總煤泥量的40%;配制煤泥水的固體物濃度為40 g/L;分別使用氯化鐵和陰離子聚丙烯酰胺(PHP)作為凝聚劑和絮凝劑。單因素實驗中,探索凝聚劑用量的影響時,PHP用量固定為30 mg/L(按煤泥水體積添加,下同),探究絮凝劑用量時,氯化鐵用量固定為300 mg/L。

1.3.2 煤泥水絮凝沉降影響因素正交實驗

選取影響煤泥水絮凝沉降的7個影響因素——煤泥水濃度、黏土種類、黏土含量、凝聚劑種類、凝聚劑用量、絮凝劑種類和絮凝劑用量,進行7因素3水平正交實驗,實驗各因素的水平取值參考前述探索實驗及實際煤泥水的質量濃度和黏土礦物含量范圍,具體見表2。實驗考慮藥劑種類和用量的交互影響,使用L27(313)的正交表進行試驗設計。

表2 正交實驗因素和水平

2 實驗結果及討論

2.1 凝聚劑與絮凝劑的用量范圍

從圖1左可以看出,凝聚劑用量范圍在100～600 mg/L時,隨著凝聚劑用量的增加,煤泥水上清液濁度在200 mg/L處迅速降低,在200～400 mg/L時相對穩定,繼續增大則會使濁度升高;沉降速度則沒有明顯變化。由于凝聚劑的主要作用是壓縮雙電層,通常與絮體大小無關,對沉降速率無顯著影響,因此凝聚劑用量以濁度為主進行評價。上述范圍內,濁度的變化有最小值,說明藥劑用量范圍合理,可作為正交實驗取值范圍。圖1右顯示,當絮凝劑用量范圍在10～60 mg/L時,隨著絮凝劑用量的增加,煤泥水上清液濁度先降低再升高,然后趨于穩定;沉降速度則先升高再降低然后趨于穩定。在實驗范圍內,均出現了明顯的拐點,因此絮凝劑的用量確定為10～60 mg/L的范圍內。

圖1 不同絮凝劑用量下澄清指標曲線

2.2 影響因素的顯著性評價

表3為正交實驗的具體方案及實驗結果。后續分別以清渾界面的沉降速度和煤泥水上清液濁度為指標對各因素的影響效果進行分析。

表3 正交實驗設計及結果

2.2.1 界面沉降速度為指標

圖2為直觀分析數據,在實驗考察的各因素中,極差最大者為凝聚劑用量,其次為黏土礦物含量和絮凝劑用量。表4的方差分析表明,凝聚劑用量(F)具有高度顯著性,黏土礦物含量和絮凝劑含量的F值均超過10,表現顯著,其他因素中,煤泥水濃度、黏土礦物種類、凝聚劑種類和用量的交互表現顯著,其他不顯著。通過界面沉降速度的直觀分析和方差分析,可對實驗范圍內各個因素對沉降速度的影響進行排序,按其主次順序為:凝聚劑用量D>黏土礦物含量C>絮凝劑用量E>煤泥水濃度A>黏土礦物種類B>絮凝劑種類G>凝聚劑種類D。

K1,K2,K3分別為表2所列各因素的三個水平實驗指標總和,R為極差。

表4 沉降速度方差分析

2.2.2 以上清液濁度為指標

圖3中,黏土礦物含量的極差最大,其次為凝聚劑用量、絮凝劑用量、凝聚劑種類和絮凝劑種類。表5方差分析結果顯示,黏土礦物種類與含量、凝聚劑和絮凝劑的種類及用量均對上清液濁度具有顯著性影響。綜合上述實驗結果進行分析,可以得出各個因素對評價指標的影響順序為:黏土礦物含量C>凝聚劑用量F>絮凝劑用量E>凝聚劑種類D>黏土種類B>絮凝劑種類G>煤泥水濃度A。

K1,K2,K3分別為表2所列各因素的三個水平實驗指標總和,R為極差。

表5 上清液濁度方差分析

對比兩個評價指標下的數據,黏土礦物的含量對上清液濁度的影響處于各因素中最重要的地位,而凝聚劑用量則是影響沉降速度的首要因素。從影響機理的角度分析:

(1)凝聚劑的影響。凝聚通常是絮凝的基礎,因此凝聚劑對沉降有顯著影響。自然條件下,煤泥水中固體物顆粒表面表現為電負性。當凝聚劑用量合適時,凝聚劑中電離的陽離子可以吸附在固體顆粒表面,起壓縮雙電層作用,降低其負電性,使同為負電性的煤泥顆粒間排斥力減小,從而易于互相黏附凝聚;當過量使用時,顆粒表面由負電轉為正電,使顆粒間的排斥力增大,不易凝聚。

(2)黏土礦物的影響。黏土礦物對沉降速度的影響可由兩個方面引起:一是黏土礦物密度比煤大,成功絮凝后會有較大的沉降速率;二是黏土礦物的表面電負性通常高于煤顆粒,同等條件下比煤顆粒難以凝聚。

(3)絮凝劑的影響。絮凝劑是通過吸附電中和、架橋和網捕作用等使凝聚的細顆粒進一步長大為大絮體,加速沉降過程的。但用量不合適時,絮凝劑分子鏈上的荷電基團有可能與凝聚劑形成競爭關系,或在顆粒表面形成保護層,削弱絮凝效果。

3 結論

從綜合影響程度來看,凝聚劑用量是影響煤泥水絮凝沉降過程最重要的因素,黏土礦物含量和絮凝劑用量次之,建議實際工程中調控煤泥水絮凝沉降工藝時,重點監控這三個因素。此外,煤泥水濃度不同,按體積基準加藥時,單位干煤泥量的藥劑量會受到影響,這在實際生產控制中需要考慮。實驗用常見的三種黏土礦物中,高嶺石為煤泥水中最常見的組分,蒙脫石最易泥化,對煤泥水絮凝沉降影響很大,需要重視。