王輝鋒 徐志強(qiáng) 裴大牛 蔡 斌
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)
濕法選煤要消耗大量的水(每洗選1t原煤,約需使用3m3水),因此煤泥壓濾就成為選煤廠至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。原煤經(jīng)過(guò)水洗后,原煤中粘土礦物會(huì)膨脹水化,其中以蒙脫石為代表的極易膨脹的粘土礦物表現(xiàn)最為明顯。在眾多的研究中都是加藥處理,促使煤泥快速沉降,但這種煤泥即使沉降后仍然難以壓濾。
本實(shí)驗(yàn)從抑制蒙脫石膨脹著手,通過(guò)采用鉀離子溶液洗煤,抑制其中粘土礦物的膨脹,使其顆粒不分解,從而使煤泥水盡可能不形成膠體狀態(tài),使得沉降性得以改善。
實(shí)際煤樣來(lái)自鐵法能源集團(tuán)小康煤礦,該礦煤種為長(zhǎng)焰煤,煤層中均含有較多的泥巖、頁(yè)巖和大量的油母頁(yè)巖,煤泥水均呈膠體形式存在,曾被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為“永不沉淀的煤泥水”(煤泥水原樣放入瓶中可保持?jǐn)?shù)月不分層),這樣的煤泥水特性無(wú)疑給洗煤生產(chǎn)尤其是后續(xù)的煤泥水處理工作帶來(lái)非常大的技術(shù)難度和管理難度。
煤泥樣品來(lái)自鐵法能源集團(tuán)小康煤礦,煤泥小篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 煤泥濕法篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用X射線衍射分析法對(duì)原煤樣品的礦物種類(lèi)和含量進(jìn)行分析,結(jié)果顯示該原煤中粘土礦物含量為36.3%,其中:含石英12.0%,鉀長(zhǎng)石0.7%,斜長(zhǎng)石1.8%,方解石1.8%,黃鐵礦1.7%,而非晶質(zhì)占到45.7%。粘土礦物中伊蒙混層含量較高,達(dá)到50%,高嶺石含量為40%。
實(shí)驗(yàn)所用蒙脫石為化學(xué)純,樣品的平均粒度為4.78μm,KCl為分析純。
實(shí)驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖1。過(guò)濾面積為19.6c m2。實(shí)驗(yàn)時(shí),先將濾布放入桶內(nèi)底部密封好,然后倒入料漿,封好頂部,之后通入壓力為0.8 MP a空氣,在壓力作用下,濾液穿過(guò)濾布留出,濾餅截留在濾布上,本實(shí)驗(yàn)以高壓氣流吹通濾餅為結(jié)束。測(cè)定整個(gè)高壓氣流壓濾時(shí)間和最終濾餅水分。
圖1 壓濾實(shí)驗(yàn)原理圖
取干燥的蒙脫石2.5g,分別用水、KCl溶液溶解,之后使用L S-C(1)激光粒度儀進(jìn)行粒度檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),水溶蒙脫石的平均粒度為4.78 μm,而KCl溶液溶解的蒙脫石平均粒度為23.58μm,說(shuō)明KCl溶液有效地抑制了蒙脫石的膨脹和水化。
取干燥的蒙脫石2.5g,分別用水和不同濃度的KCl溶液在250ml量筒中做靜沉降實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上清液透光率和沉積物高度來(lái)分析其沉降特性,確定最佳的鉀離子添加量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。
從圖2可以得出如下結(jié)論:
(1)蒙脫石遇水后形成膨脹乳狀液,靜置45 m in基本無(wú)分層。用KCl溶液溶解蒙脫石后,沉降效果有很大改善。
(2)以10g/L的KCl溶液對(duì)其沉降效果最好。
圖2 不同濃度KCl溶液對(duì)蒙脫石沉降的影響
為了了解不同蒙脫石含量對(duì)不同粒級(jí)煤泥壓濾的影響,將精煤分成不同粒級(jí),分別用不同粒級(jí)的精煤與蒙脫石配比,用水和KCl溶液(10g/L)分別溶解,配制成300g/L的煤泥水,之后進(jìn)行壓濾實(shí)驗(yàn)對(duì)比。
對(duì)于壓濾效果而言,過(guò)濾速度越快越好,濾餅水分越低越好,因此,本實(shí)驗(yàn)建立一個(gè)綜合指標(biāo),該綜合指標(biāo)S為:
式中:V——過(guò)濾速度,ml/s;
M——濾餅水分,%。
該綜合指標(biāo)數(shù)值越大,表明壓濾效果越好,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、圖3。
圖3 不同蒙脫石含量對(duì)不同粒級(jí)精煤壓濾影響效果
經(jīng)分析,可以得到如下結(jié)論:
(1)各粒度級(jí)的物料用KCl溶液均比用水溶液壓濾效果好,同等粒度下,前者的過(guò)濾速度是后者的3~8倍,前者的濾餅水分也比后者有所降低。
(2)隨著蒙脫石含量增加,壓濾效果迅速變差。
(3)用KCl溶液時(shí),各級(jí)物料均能被有效壓濾,傳統(tǒng)的用水溶解,當(dāng)蒙脫石含量達(dá)到50%時(shí)均不能被壓濾,當(dāng)粒度低于0.1mm時(shí),蒙脫石含量達(dá)到30%時(shí)均不能被壓濾。
(4)粒度越粗,壓濾效果越好。
取現(xiàn)場(chǎng)原煤磨碎后,分別用水和KCl溶液配成300 g/L的煤泥水,進(jìn)行壓濾實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。
表2 不同蒙脫石含量對(duì)不同粒級(jí)精煤壓濾的影響
表3 原煤加水壓濾與加KCl溶液壓濾效果對(duì)比
由表3可知:
(1)KCl溶液溶解后的原煤壓濾效果遠(yuǎn)優(yōu)于水溶解原煤壓濾效果,前者的過(guò)濾速度約是后者的9倍,濾餅水分明顯降低。
(2)由于小康礦煤中粘土礦物伊蒙混層最多,因此比較適合鉀離子溶液洗煤。
關(guān)于無(wú)機(jī)鹽抑制蒙脫石膨脹的研究多數(shù)集中在油田鉆井方面,用以配置防塌鉆井液。
目前普遍認(rèn)為,K+和NH4+抑制粘土水化的主要機(jī)理有以下兩點(diǎn):
一是這兩種離子的水化能低。K+和NH4+水化能均低于Li+、N a+、C a2+、M g2+和B a2+等陽(yáng)離子。由于粘土對(duì)陽(yáng)離子吸附具有選擇性,它優(yōu)先吸附水化能較低的陽(yáng)離子,因而K+、NH4+往往比N a+或C a2+優(yōu)先被粘土所吸附。此外,當(dāng)其被粘土吸附后,由于水化能低,會(huì)促使晶層間脫水,使晶層受到壓縮,形成緊密的構(gòu)造,從而能夠有效地抑制粘土水化。
二是K+、NH4+的直徑大小剛好可以進(jìn)入兩個(gè)氧六角環(huán)之間的空間。由于水化后的K+、NH4+離子半徑仍小于伊利石和蒙脫石的層間間隙,因而能進(jìn)入層間,其它離子(除C s+和R b+外)水化后的半徑都大于該間隙,因而不能進(jìn)入。當(dāng)K+失去吸附水化膜時(shí),稍微變小,相鄰晶層的四面體晶片互相靠近。隨著上述過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行,收縮作用迫使K+進(jìn)入裸露表面的自由空間,它立刻被牢固地保留在適當(dāng)位置上。由于K+形成鍵合,從而限制了相鄰硅酸鹽晶片的膨脹和分離。K+的這種作用稱(chēng)為K+的晶格固定作用,正是由于這種作用,使K+有可能盡量靠近相鄰晶層的負(fù)電荷中心,因而所形成的致密構(gòu)造不會(huì)在水中再發(fā)生較強(qiáng)的水化。這種構(gòu)造已經(jīng)過(guò)脫水、壓縮,所以K+很難再被置換。
(1)用鉀離子溶液進(jìn)行洗煤可以有效抑制煤中蒙脫石的膨脹和水化,最佳的加入量為10g/L。
(2)各粒度級(jí)的精煤用KCl溶液均比用水溶液壓濾效果好。同等粒度下,前者的過(guò)濾速度是后者的3~8倍,前者的濾餅水分也比后者有所降低。
(3)隨著蒙脫石含量的增加,壓濾效果迅速變差。用KCl溶液時(shí),各級(jí)物料均能被有效壓濾;傳統(tǒng)的用水溶解,當(dāng)蒙脫石含量達(dá)到50%時(shí)均不能被壓濾,當(dāng)粒度低于0.1mm時(shí),蒙脫石含量達(dá)到30%時(shí)均不能被壓濾。
(4)KCl溶液溶解后的原煤壓濾效果遠(yuǎn)優(yōu)于水溶解原煤壓濾效果,前者的過(guò)濾速度約是后者的9倍,濾餅水分明顯降低。
[1] 張明青,劉炯天,何偉等.煤泥水絮凝處理中絮凝體的分形特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2009(8)
[2] 劉炯天,張明青,曾艷.不同類(lèi)型黏土對(duì)煤泥水中顆粒分散行為的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010(1)
[3] 張明青,劉炯天,單愛(ài)琴等.煤泥水中C a2+在黏土礦物表面的作用[J].煤炭學(xué)報(bào),2005(5)
[4] 李秋華,舒毅.二塘選煤廠煤泥水處理中絮凝劑的合理應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(4)
[5] 王世民等,關(guān)于02#煤種難洗問(wèn)題的研究[J].山西焦煤科技,2005(2)
[6] 溫雪峰,李昌平,關(guān)嘉華等.浮選尾煤煤泥水特性及沉降藥劑的選擇性研究[J].煤炭工程,2004(2)
[7] 楊國(guó)軍.煤泥制備煤泥漿代煤燃用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].中國(guó)煤炭,2008(10)
[8] 王市委,陶秀祥,呂則鵬等.高灰難選細(xì)粒煤泥煤質(zhì)分析及其浮選工藝探討[J].中國(guó)煤炭,2010(11)
[9] 郭崇濤,周?chē)?guó)亮,朱謙等.臨渙選煤廠煤泥過(guò)濾性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭加工與利用,2006(3)
[10] 黃春.黏土礦物抑制性和黏土礦物熱穩(wěn)定性研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2003
[11] 丁銳.地層粘土水化的總體機(jī)理和影響因素[J].油田化學(xué),1998(2)