選煤廠煤泥水沉降效果試驗(yàn)研究

李敏恒，王先鵬，李凌月，張宇龍，周生倫

(1.陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100070)

1 概 述

煤泥水處理是選煤生產(chǎn)工藝中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果煤泥水處理不好，循環(huán)水質(zhì)量將無法滿足正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)不得不將煤泥水外排，從而造成經(jīng)濟(jì)效益下降、環(huán)境污染[1-3]。目前，在煤泥水的處理過程中，需要用到絮凝劑、凝聚劑等，藥劑的合理使用決定了煤泥水處理的難易程度[4-6]。

從各選煤廠的生產(chǎn)情況看，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，分選下限的降低，細(xì)粒煤所占比例逐漸增大。由于煤泥顆粒粒度細(xì)、灰分高和易泥化等特點(diǎn)，致使煤泥水沉降困難，大多數(shù)選煤廠的現(xiàn)有煤泥水處理方式都存在一些問題[7-10]。本文以小紀(jì)汗選煤廠不同濃度煤泥水為研究對(duì)象，通過對(duì)煤泥水進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，分析煤泥水濃度、凝聚劑種類及絮凝劑用量對(duì)煤泥水沉降效果的影響，以期提高選煤廠的煤泥水處理效果。

2 試 驗(yàn)

絮凝沉降性能試驗(yàn)參照《選煤用絮凝劑性能試驗(yàn)方法》(GB/T 18712—2002)[11]，采用聚丙烯酰胺(分子量1 200萬(wàn))作為絮凝劑，配置濃度為0.1%的聚丙烯酰胺溶液和濃度為1%的凝聚劑溶液。選取初始沉降速度、上澄清液濁度作為評(píng)價(jià)絮凝沉降效果的指標(biāo)。初始沉降速度為：

式中：v——澄清界面的初始沉降速度，cm /min；

Ti——某一累計(jì)時(shí)刻 (i=0，1，2，3，…，n)，s；

Hi——對(duì)應(yīng)于Ti的澄清界面累計(jì)下降距離，mm；

A——直線段首端型值點(diǎn)順序號(hào)；

B——直線段末端型值點(diǎn)順序號(hào)；

M——直線段A到B的型值點(diǎn)的累計(jì)個(gè)數(shù)，M=B-A+i。

圖1 不同煤泥水濃度和絮凝劑量條件下的沉降結(jié)果

圖2 不同煤泥水濃度條件下濁度隨絮凝劑量的變化

3 結(jié)果與討論

3.1 不同凝聚劑效果對(duì)比

為探索不同凝聚劑對(duì)煤泥水絮凝沉降效果的影響，選擇MgCl2、FeCl3、聚合氯化鋁和CaCl2為4種常用的凝聚劑。在煤泥水濃度為74 g/L條件下，添加分子量為1 200萬(wàn)的絮凝劑量為10 g/m3，凝聚劑：絮凝劑質(zhì)量比為3∶1，探索不同凝聚劑條件下的煤泥水沉降速度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1中可知，使用聚合氯化鋁時(shí)煤泥水沉降速度最快，主要因?yàn)榫酆下然X有吸附和電中和作用，也有網(wǎng)捕和橋聯(lián)作用，且?guī)в懈邇r(jià)陽(yáng)離子(Al3+)的凝聚劑更利于壓縮煤泥水中固體顆粒表面的雙電層。所以選用聚合氯化鋁作為凝聚劑效果最佳。

表1 凝聚劑對(duì)煤泥水沉降效果的影響

3.2 不同煤泥水濃度沉降效果響應(yīng)面法分析

為分析煤泥水濃度和藥劑添加量對(duì)沉降效果的影響，采用響應(yīng)面法分析了2種因素對(duì)響應(yīng)值沉降速度和濁度的影響。

3.2.1 初始沉降速度響應(yīng)面法分析

根據(jù)初始沉降速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)Design-Expert推薦的4種模型進(jìn)行了R2綜合分析，見表2。結(jié)果表明，4種模型中，二次方模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差和預(yù)測(cè)殘差平方和均較小，R2和R2預(yù)測(cè)值均較大，因此決定采用二次方模型進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的模擬及分析。

表2 R2綜合分析(初始沉降速度)

對(duì)二次方模型的模型參數(shù)進(jìn)行了方差分析，見表3。采用F值檢驗(yàn)法對(duì)模型參數(shù)的顯著性進(jìn)行了檢驗(yàn)，其中，當(dāng)模型參數(shù)的“Prob>F”大于0.1時(shí)，說明該參數(shù)不顯著；當(dāng)“Prob>F”小于0.05時(shí)，說明該參數(shù)顯著。從表3中可以看出，模型中的X1、X2、X1X2、X12、X22因素顯著。通過模擬得出了初始沉降速度與X1、X22因素的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式：

初始沉降速度=82.55-153.80X1+171.81X2-201.38X1X2+76.97X12+84.19X22

式中：X1——煤泥水濃度，g/L；

X2——藥劑量，g/m3。

表3 二次方模型參數(shù)的方差分析(初始沉降速度)

基于初始沉降速度數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比見圖3，從圖中可以看出試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值吻合度較高。

圖3 初始沉降速度試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比

圖4為煤泥水濃度和絮凝劑量對(duì)初始沉降速度的影響。由圖4可知，煤泥水濃度一定時(shí)，隨著絮凝劑添加量的增加，初始沉降速度逐漸增加。當(dāng)絮凝劑添加量一定時(shí)，隨著煤泥水濃度的增加，初始沉降速度逐步減小。低濃度煤泥水對(duì)藥劑比較敏感，藥劑量增大后，初始沉降速度增加較快，而高濃度煤泥水存在一段沉降速度變化較小的區(qū)域，高于該區(qū)域的藥劑量后沉降速度變化較快。

圖4 絮凝劑量和煤泥水濃度對(duì)初始沉降速度的影響

3.2.2 上澄清液濁度響應(yīng)面法分析

根據(jù)上澄清液濁度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)Design-Expert推薦的4種模型進(jìn)行了R2綜合分析，見表4。結(jié)果表明，4種模型中，立方模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差和預(yù)測(cè)殘差平方和均較小，R2、R2校正值、R2預(yù)測(cè)值均較大，因此決定采用立方模型進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的模擬及分析。

表4 R2綜合分析(上澄清液濁度)

表5 立方模型參數(shù)的方差分析(上澄清液濁度)

對(duì)立方模型的參數(shù)進(jìn)行了方差分析，見表5，采用F值檢驗(yàn)法對(duì)模型參數(shù)的顯著性進(jìn)行了檢驗(yàn)，其中，當(dāng)模型參數(shù)的“Prob>F”大于0.1時(shí)，說明該參數(shù)不顯著；當(dāng)“Prob>F”小于0.05時(shí)，說明該參數(shù)顯著。從表5中可以看出，模型中的X1、X2、X1X2、X12、X22、X12X2、X1X22、X13因素顯著，同時(shí)可以看出X1因素的顯著性高于X2因素。通過模擬得出了上澄清液濁度與X1、X22因素的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式：

上澄清液濁度=79.23-343.82X1+528.05X2-1733.77X1X2+558.48X12+1209.25X22+1300.42X12X2- 1643.06X1X22-262.97X13+389.42X23

基于上澄清液濁度數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比見圖5，從圖中可以看出試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值吻合度較高。圖6為絮凝劑量和煤泥水濃度對(duì)煤泥水濁度的影響。

圖5 上澄清液濁度試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比

圖6 絮凝劑量和煤泥水濃度對(duì)煤泥水濁度的影響

由圖6可知，煤泥水濃度一定時(shí)，隨著絮凝劑添加量的增加，上澄清液濁度先減小后增加。當(dāng)絮凝劑添加量一定時(shí)，隨著煤泥水濃度的增加，上澄清液濁度反而減小。因?yàn)槊耗嗨疂舛仍黾?，煤泥的沉降速度減慢，聚丙烯酰胺有機(jī)高分子有更多的時(shí)間將細(xì)顆粒相互連接，液固界面明顯，因此濃度高時(shí)反而濁度會(huì)降低。在上述試驗(yàn)范圍內(nèi)，濁度的變化也可近似指數(shù)函數(shù)描述。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)聚合氯化鋁凝聚效果優(yōu)于MgCl2、FeCl3、CaCl2。

(2)掌握了不同濃度煤泥水、絮凝劑添加量在絮凝沉降過程中初始沉降速度和上澄清液濁度的變化規(guī)律。

(3)低濃度煤泥水對(duì)藥劑比較敏感，藥劑量增大后，初始沉降速度增加較快，而高濃度煤泥水存在一段沉降速度變化較小的區(qū)域，高于該區(qū)域的藥劑量后沉降速度變化較快。

(4)煤泥水濃度一定時(shí)，隨著絮凝劑添加量的增加，上澄清液濁度先減小后增加；當(dāng)絮凝劑添加量一定時(shí)，隨著煤泥水濃度的增加，上澄清液濁度反而減小。