含蒙脫石煤泥水的凝聚沉降效果評價與加藥預測

劉利明，李志軍，劉倉，張琦

（國家能源集團準能集團有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

我國絕大多數選煤廠采用濕法選煤來提高煤質，產生的大量煤泥水需要進行處理以循環使用。煤泥水處理不好，會影響上下游工藝，甚至需要停產處理，可以說煤泥水處理技術直接影響著選煤廠運行效率[1]。煤泥水處理的一般工藝是沉降濃縮后壓濾脫水，其中沉降濃縮環節容易出現濃縮機溢流濃度高、底流濃度低等沉降效果不理想的問題[2]，其主要原因是由于煤泥水通常是高懸浮物濃度、細微粒小且表面帶負電荷的類膠體體系，可以在水中穩定懸浮，不易沉降。因此，為提高生產效率和保護環境，需要研發高效的煤泥水沉降與澄清技術，以提高煤泥水處理效率。加藥是加速煤泥水中顆粒沉降的主要方法[3]，其中凝聚劑通常被用于改變煤泥顆粒表面的電性，從降低煤泥水顆粒間的斥力，使之易于聚沉，而加入絮凝劑可以通過網捕等作用使煤泥粘附為大絮體，加速沉降。凝聚與絮凝的效果決定了絮體顆粒的大小及其沉降效率，因此，研究煤泥水的沉降分離，重點之一在于研究煤泥的絮凝過程[4]。

絮凝過程的影響因素很多，包括煤泥水濃度、絮凝劑的種類、絮凝劑用量、黏土礦物含量等都會對絮凝過程產生影響[5]。如前所述，凝聚劑可以使煤泥水中的負電荷被中和、靜電斥力減小，加快煤泥水澄清速度，其離子的種類和用量往往決定了溢流水的濁度。粘土礦物中，高嶺石可以與體系中凝聚劑電離出的正電荷發生靜電作用，加之自身的高密度，混合式凝聚有利于煤泥水的沉降；但是當高嶺石含量超出一定范圍，煤泥水體系中粒子間的斥力隨著正電荷含量的提高而增加，更加不利于煤泥水沉降澄清[6-8]。如何依據煤泥水中粘土礦物的含量來進行合理加藥，一直是煤泥水處理的重要研究內容。近年來，選煤廠智能化建設[9-10]如火如荼，煤泥水處理也是重要的一環。煤泥水的智能加藥控制模型是智能化控制的核心，了解煤泥水濃度、礦物組成和加藥量的關系，建立不同條件下的煤泥水沉降效果的預測方法，是實現煤泥水加藥智能化的重要途徑。這加劇了研究加藥量與煤泥性質的定量關系的緊迫性。

為此，本文圍繞煤泥水本身的物化性質尋找影響其沉降的本質，以蒙脫石作為矸石礦物代表，設計正交實驗，考察煤泥水的固體物濃度、蒙脫石在煤泥中的百分含量和不同凝聚劑種類及用量對煤泥水沉降速率及上清液濁度的影響，建立藥劑添加與煤泥水濃度和蒙脫石含量的關系模型，以期達到預測含蒙脫石煤泥水實際生產中的加藥沉降效果，為煤泥水濃縮加藥的智能化控制提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

（1） 煤樣。研究所用煤樣為選煤廠洗選精煤，經過大浮沉試驗深度脫灰處理，得到直徑0.045 mm 以下，灰分為3.79%的試驗煤樣。

（2） 蒙脫石。實驗使用的蒙脫石購自浙江三鼎科技有限公司，為鈣基蒙脫石，XRD 分析結果顯示其含蒙脫石達92.3%，可認為是純蒙脫石。

（3） 試驗用凝聚劑。氯化鋁(結晶AlCl3·6H2O，分析純)；氯化鈣（分析純）。

1.2 實驗方法

（1） 凝聚沉降實驗。

首先根據試驗設計稱量一定量的煤和蒙脫石，將稱量好的樣品倒入500 mL 的燒杯中，加入200 mL 去離子水，用電動攪拌器攪拌5 min 至充分分散懸浮。之后將煤泥水轉移至250 mL 的具塞量筒內，加水至250 mL 刻度線。用移液管準確量取設定的藥劑量加入量筒，塞上瓶塞，迅速上下翻轉量筒五次后立即將量筒置于日光燈前，即刻開始計時并觀察沉降界面的變化。每沉降30 s 記錄清渾界面（沉降界面） 高度。沉降5 min 后，記錄界面高度，并用膠頭滴管探入自由液面下1 cm 處，吸取上層清液，用WGZ-1A 型光電濁度儀測濁度。

（2） 正交實驗。

套用3 因素5 水平正交試驗表格，考察凝聚劑用量、煤泥水的固體物濃度和煤泥中的蒙脫石含量對煤泥水沉降速率和上清液濁度的影響，試驗因素水平見表1。

表1 試驗因素水平表Table 1 Test factor level table

2 實驗結果與討論

分別以AlCl3和CaCl2為凝聚劑進行正交實驗，設計表格及相關試驗結果見表2。其中，沉降速度1 和濁度1 表示以氯化鋁為凝聚劑，沉降速度2 和濁度2 表示以氯化鈣為凝聚劑。

表2 以AlCl3 和CaCl2 為凝聚劑的正交試驗設計及結果Table 2 Orthogonal experimental design and results with AlCl3 and CaCl2 as coagulants

表2 數據顯示，在凝聚劑AlCl3作用下，以沉降速度為指標時，因素A 取2 水平（煤泥水濃度為40 g/L），因素B 取1 水平（蒙脫石含量為5%），因素C 取4 水平（加藥量為0.8 g/L） 時效果最好；以上清液濁度為指標時，最優組合為A4B1C5。以CaCl2為凝聚劑時，沉降速度遠小于使用AlCl3時的條件，以濁度為指標時的最優組合條件也是A4B1C5，和使用AlCl3相同。這些結果說明，凝聚劑的種類對凝聚效果的影響遠大于藥劑用量，而粘土礦物蒙脫石的含量低時有利于沉降。

2.1 各因素對沉降速度的影響規律

（1） 直觀分析。

在使用AlCl3為凝聚劑時，實驗考察的3 個影響因素的極差大小排序為RA＞RC＞RB，即對于沉降速度的影響，煤泥水濃度大于凝聚劑加藥量，凝聚劑加藥量大于蒙脫石含量，如圖1（a） 所示。在凝聚劑CaCl2的作用下，得到與凝聚劑AlCl3作用下類似的結果，圖1（b） 所示。

圖1 各因素影響沉降速度的直觀分析Fig.1 Intuitive analysis of various factorsaffecting the settling velocity

（2） 方差分析。

表3 數據顯示，以沉降速度為指標時，按照F值排序，實驗考察的3 個因素影響程度由大到小分別為煤泥水濃度、凝聚劑加藥量和蒙脫石含量，與直觀分析結果一致。取置信度為0.05，則可以判定在凝聚劑AlCl3作用下，煤泥水濃度和凝聚劑加藥量均影響顯著；而對于凝聚劑CaCl2作用時，只有煤泥水濃度對沉降速度影響顯著。

表3 各因素影響沉降速度的方差分析Table 3 Analysis of variance of various factors affecting settling velocity

結合表2、表3 和圖2 數據可知，CaCl2對于促進顆粒凝聚成為較大顆粒的能力弱于AlCl3。一方面是鋁離子為3+價離子，電荷強度大于2+價的鈣離子，另一方面，鋁離子還能形成Al（OH）3膠團，其體積遠大于Ca2+，因而能夠吸附更多的表面帶負電荷的煤泥或粘土礦顆粒發生團聚，因此沉降速度得到顯著提升[11-12]。鈣離子由于電荷低，通過壓縮雙電層可以在一定程度上減小煤泥或粘土礦的電負性使之發生聚集，但互相粘附的顆粒數量不足，因而強化沉降速度的作用不明顯。此外，圖1（b） 顯示，雖然氯化鈣劑量影響沉降速度從絕對值上看不明顯，但從相對值來看有明顯的促進作用，可以判定若有絮凝劑參與時應有顯著改善。

圖2 各因素影響上清液濁度的直觀分析Fig.2 Visual analysis of the influence of various factors on the turbidity of supernatant

2.2 上清液濁度

（1） 直觀分析。

煤泥水沉降分離后上清液濁度越小，則殘留的微細粒煤泥越少，沉降效果越好。因此，由圖2（a） 可以得知，采用上清液濁度為指標進行評價時，極差最大者為凝聚劑氯化鋁的加藥量，而蒙脫石含量略小，煤泥水濃度的極差最小，可見實驗考察的3 個因素對沉降效果的影響依主次排序為：凝聚劑加藥量、蒙脫石含量和煤泥水濃度。圖2（b）的規律與之有所差別，極差最大者為蒙脫石含量，且其值與排第二位的氯化鈣加藥量相比要大得多，而氯化鈣加藥量影響的極差比煤泥水濃度略大。

（2） 方差分析。

表4 列出了實驗考察的3 個因素影響加藥凝聚后上清液濁度的方差分析的結果。程度來看，F 值排序與直觀分析結果吻合，即在氯化鋁體系下，加藥量影響最大，而氯化鈣體系下蒙脫石影響最強。從顯著性來看，以0.05 為置信值時，凝聚劑AlCl3作用下的煤泥水濃度、蒙脫石含量和凝聚劑加藥量均表現顯著，而在CaCl2作用下，只有蒙脫石含量為顯著因素。可見，對于上清液濁度而言，凝聚劑種類和劑量影響較大，尤其是使用氯化鋁時，增加凝聚劑的加藥量可以顯著降低濁度。而粘土礦物蒙脫石的含量是影響濁度的最顯著因素，應歸因于蒙脫石易泥化分散為極細顆粒而穩定懸浮的特征，而加大凝聚劑的用量可以有效解決蒙脫石帶來的影響。

表4 各因素影響沉降速度的方差分析Table 4 Analysis of variance of various factors affecting settling velocity

綜合前述結果可知，粘土礦物的含量對煤泥水沉降后的上清液濁度影響最大，在工業上表現為對濃縮機溢流水濁度的影響，而沉降速率主要受煤泥水濃度的影響，在實際運行中要考慮入料濃度與濃縮機的設計處理能力匹配性的問題。選用高離子價態的凝聚劑能夠有效影響煤泥水的凝聚沉降效果，而價態較低的藥劑作用不明顯。

2.3 加藥預測模型

以氯化鋁為凝聚劑時的實驗數據為基礎，在預測沉降速度時，忽略蒙脫石含量變化的影響，在預測上清液濁度時，不考慮煤泥水濃度變化，通過SPSS Statistics 軟件分別以沉降速度和上清液濁度為評價指標對上述正交試驗進行逐步回歸線性分析，可以得到相應的回歸方程式：

式中：u 表示煤泥水界面的沉降速度，cm/min；Ci為煤泥水濃度，g/L；Co 為上清液濁度（溢流水濁度），NTU；xm表示煤泥中蒙脫石的含量，%；Qa為加藥量，g/L。擬合曲線的標準化殘差圖如圖3所示，具有較好線性度。

圖3 擬合曲線標準化殘差的標準P- P 圖Fig.3 Standard P-P plot of standardized residuals of fitting curve

在實際生產中，根據濃縮機設計參數可以確定一個理想的沉降速度值，根據循環水的濃度要求確定溢流濁度值，則式（1）、式（2） 中左側值均為常數，變換后即可得到加藥量與入料濃度和蒙脫石含量的關系式，即：

式中：u 和Co根據選煤廠設備和運行要求取某一定值，此時，若能夠通過直接或間接方法實時獲得粘土礦物含量和煤泥水的入料濃度，則式（3）、式（4） 可以用于指導煤泥水的實時藥劑添加量的智能調節。

3 結論

（1） 煤泥水濃度是沉降速度的首要影響因素，而煤泥中蒙脫石的含量是影響水質澄清效果的最主要因素。

（2） 三價陽離子凝聚劑AlCl3的凝聚沉降效果遠優于二價凝聚劑CaCl2，藥劑有效的情況下，凝聚劑對澄清效果的影響大于對沉降速度的影響。

（3） 通過正交實驗回歸分析，可以建立凝聚劑加藥量同煤泥水入料濃度、煤泥中粘土礦物的定量關系，在指定煤泥水沉降速率和溢流水濃度的情況下，可用于實時指導煤泥水濃縮沉降智能加藥。