段明海

(鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

煤炭洗選后會(huì)產(chǎn)生大量的煤泥水，煤泥水直接排放會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的處理。隨著采煤機(jī)械化程度的進(jìn)步，煤泥水中細(xì)粒煤的含量越來越高，這些微細(xì)顆粒成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致煤泥水的沉降和壓濾效果一般，影響選煤生產(chǎn)工藝管理，給選煤廠帶來很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此研究煤泥水的高效沉降技術(shù)，對(duì)提高選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益和管理水平具有重要意義[1-4]。

研究煤泥水沉降技術(shù)和工藝，不僅需要考察絮凝劑和凝聚劑的種類和用量，加藥的順序和方法，同時(shí)應(yīng)該關(guān)注水力條件對(duì)煤泥沉降效果的影響。煤泥水體系混合反應(yīng)過程中水力條件主要是通過GT值來表征，G值代表攪拌平均速度梯度(s-1)，T值代表混合反應(yīng)時(shí)間(s)，在加藥制度一定的情況下，分別調(diào)整G值和T值，會(huì)得到沉降效果最優(yōu)時(shí)的GT值，即煤泥水體系混合反應(yīng)過程中最佳水力條件[4-6]。本文以內(nèi)蒙古國(guó)源公司選煤廠煤泥水為研究對(duì)象，通過出水濁度、沉降速度影響指標(biāo)，研究不同煤泥水濃度下GT值對(duì)絮凝沉降效果的影響規(guī)律。通過四因素三水平正交試驗(yàn)，得出不同煤泥水濃度下主要影響絮凝沉降效果的因素，同時(shí)對(duì)GT值影響煤泥絮凝沉降效果機(jī)理進(jìn)行了分析，從而得出煤泥水體系混合反應(yīng)過程中最佳水力條件，對(duì)于提高煤泥水沉降效果和選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益具有一定的指導(dǎo)意義[7-10]。

1 煤泥水沉降試驗(yàn)

1.1 煤泥性質(zhì)

1.1.1 煤泥粒度組成

濃縮機(jī)入料煤泥水中煤泥的粒度組成見表1。

表1 煤泥水中煤泥的粒度組成

由表1可知，隨著粒級(jí)的減小，產(chǎn)率逐漸增加，-0.075mm粒級(jí)產(chǎn)率達(dá)86.11%，從粒度組成角度而言，該粒級(jí)是不利于沉降的。水樣中細(xì)粒煤泥含量很高，其中-0.045mm煤粒的灰分值最高，說明存在嚴(yán)重泥化現(xiàn)象，在煤泥水沉降過程中應(yīng)該注意微細(xì)顆粒對(duì)煤泥水澄清的影響。

1.1.2 煤泥礦物質(zhì)組成

試驗(yàn)采用X射線衍射光譜儀(XRD)和X射線熒光光譜儀(XRF)，對(duì)煤泥樣品礦物成分進(jìn)行檢測(cè)分析，確定其礦物組成及化學(xué)成分。XRD檢測(cè)結(jié)果如圖1所示和XRF結(jié)果見表2。

圖1 煤泥樣品XRD圖譜

表2 煤泥樣品XRF檢測(cè)結(jié)果

由圖1可知，2θ在27°、50°、60°附近出現(xiàn)衍射峰，說明煤泥中可能含有石英；12°、21°、25°附近出現(xiàn)衍射峰，說明煤泥中可能含有高嶺石；28°、42°附近出現(xiàn)衍射峰，說明煤泥中可能含有累托石；20°、35°、62°附近出現(xiàn)衍射峰，說明煤泥中可能含有蒙脫石。

石英的主要成分是SiO2，高嶺石中主要元素有Si、Al，累托石的主要元素有Si、Al、K、Na，蒙脫石的主要元素有Si、Al、Mg，由XRF檢測(cè)結(jié)果表2可知，煤泥樣品中SiO2含量高達(dá)54.93%，Al2O3含量為17.24%，K2O 含量為3.299%，Na2O含量為0.903%，MgO含量為0.86%，結(jié)合XRD圖譜可知，該煤泥中含有石英、高嶺石、累托石、蒙脫石等礦物雜質(zhì)。

高嶺石以土狀集合體產(chǎn)生，易吸水。蒙脫石、累托石具很強(qiáng)的吸附力和陽離子交換性能，吸水性很強(qiáng)，吸水后其體積膨脹而增大幾倍至十幾倍。高嶺石、累托石和蒙脫石都屬于粘土類礦物，在水中極易泥化，且表面帶有較高的負(fù)電荷，使煤泥顆粒間產(chǎn)生靜電斥力作用，在煤泥水中形成均一、穩(wěn)定的懸浮液，影響煤泥水的沉降。

1.2 試驗(yàn)方法

本所用煤泥水試驗(yàn)樣品來自內(nèi)蒙古國(guó)源公司選煤廠，該廠煤泥水具有高泥化、難沉降的特點(diǎn)，采用單一投加PAM的方式處理煤泥水效果并不理想?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該廠的煤泥水處理作業(yè)，應(yīng)采用聯(lián)合加藥制度，當(dāng)投加順序?yàn)镃aCl2→NPAM-7100，并且NPAM-7100以3∶7的比值進(jìn)行分步投加時(shí)，煤泥水不僅沉降速度快、出水濁度低，而且節(jié)省了藥劑用量；同時(shí)也確定了不同煤泥水濃度所投加NPAM-7100的最佳用藥量：即S=35g/L時(shí)NPAM-7100投藥量為2mL；S=65g/L時(shí)NPAM-7100投藥量為4mL；S=85g/L、NPAM-7100投藥量為6mL。投加藥劑方案是煤泥水沉降效果重要的影響因素，但煤泥水體系混合反應(yīng)過程中水力條件的影響也不可忽視，本論文主要研究不同煤泥水濃度下GT值對(duì)絮凝沉降效果的影響規(guī)律。

2 不同煤泥水濃度下GT值對(duì)絮凝沉降效果的影響

2.1 煤泥水濃度S=35g/L

當(dāng)煤泥水濃度S=35g/L時(shí)，NPAM-7100投藥量為2mL，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況，攪拌速度梯度G分別選取185s-1、262s-1、365s-1，在不同的混合時(shí)間條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 S=35g/L時(shí)渾濁液面沉降速度與GT值關(guān)系曲線

由圖2可知，S=35g/L、NPAM-7100投藥量為2mL時(shí)，隨著G值增加，沉降速度變慢，出水濁度相對(duì)與G=185s-1時(shí)明顯增加，絮凝沉降效果惡化。主要原因是G值增加，攪拌強(qiáng)度增大，若攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，大絮團(tuán)容易被攪碎成細(xì)小的顆粒，而細(xì)小顆粒較難沉淀，導(dǎo)致絮凝效果降低。當(dāng)G=365s-1時(shí)，隨著攪拌時(shí)間的增加，絮凝沉降速度降低，出水濁度呈先降后升的趨勢(shì)，最佳GT值為3650，此時(shí)沉降速度達(dá)到9.03mm/s，出水濁度達(dá)到0.458‰；當(dāng)G=262s-1時(shí)，隨著攪拌時(shí)間的增加，絮凝沉降速度降低，出水濁度呈先降后升的趨勢(shì)，最佳GT值為3930，此時(shí)沉降速度達(dá)到9.3mm/s，出水濁度達(dá)到0.537‰；當(dāng)G=185s-1時(shí)，隨著攪拌時(shí)間的增加，絮凝沉降速度降低，出水濁度呈先降后升的趨勢(shì)，當(dāng)GT值為3700左右時(shí)，沉降速度達(dá)到11mm/s，出水濁度達(dá)到0.130‰，與前兩者相比，渾液面沉速最快，出水濁度最低，此時(shí)煤泥水絮凝沉降效果最為理想。

2.2 煤泥水濃度S=65g/L

當(dāng)煤泥水濃度為65g/L時(shí)，NPAM-7100最佳投藥量為4mL，攪拌速度梯度G分別選取185s-1、262s-1、365s-1，在不同的混合時(shí)間條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 S=65g/L時(shí)GT值與渾濁液面沉降速度關(guān)系曲線

由圖3可知，煤泥水S=65g/L、NPAM-7100投藥量為4mL時(shí)，隨著G值增加，沉降速度變慢，出水濁度明顯增加，絮凝沉降效果惡化。主要原因是G值增加，攪拌強(qiáng)度增大，若攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，大絮團(tuán)容易被攪碎成細(xì)小的顆粒，而細(xì)小顆粒較難沉淀，導(dǎo)致絮凝效果降低。不同的G值下，隨著攪拌時(shí)間的增加，絮凝沉降速度基本都呈先升后降的趨勢(shì)，出水濁度基本都呈先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)G=185s-1時(shí)，最佳GT值為3700左右，沉降速度達(dá)到10mm/s，出水濁度達(dá)到0.180‰，與前兩者相比渾液面沉速最快，出水濁度最低，此時(shí)煤泥水絮凝沉降效果最為理想。

2.3 煤泥水濃度S=85g/L

當(dāng)煤泥水濃度S=85g/L時(shí)，NPAM-7100最佳投藥量為6mL，攪拌速度梯度G分別選取185s-1、262s-1、365s-1，在不同的混合時(shí)間條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 S=85g/L時(shí)渾濁液面沉速與GT值關(guān)系曲線

由圖4可知：S=85g/L、NPAM-7100為投藥量6mL時(shí)，隨著G值增加，沉降速度變慢，出水濁度明顯增加，絮凝沉降效果惡化。主要原因是G值增加，攪拌強(qiáng)度增大，若攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，大絮團(tuán)容易被攪碎成細(xì)小的顆粒，而細(xì)小顆粒較難沉淀，導(dǎo)致絮凝效果降低。不同的G值下，隨著攪拌時(shí)間的增加，絮凝沉降速度基本呈先升后降趨勢(shì)，出水濁度都呈先降后升的趨勢(shì)。當(dāng)G=185s-1時(shí)，最佳GT值為3700時(shí)，沉降速度達(dá)到8.39mm/s，出水濁度達(dá)到0.200‰，與前兩者相比，渾液面沉速最快，出水濁度最低，此時(shí)煤泥水絮凝沉降效果最為理想。

3 影響絮凝效果的主要因素

為了確定影響煤泥水絮凝效果的主要因素，需將選用的煤泥水分別配置成35.0g/L、65g/L、85.0g/L三種濃度，且利用四因素三水平的正交試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。正交表選用L9(34)，影響絮凝效果的影響因子分別為投藥量、平均速度梯度G、絮凝時(shí)間T。利用綜合評(píng)分的方式，以渾液面的沉降速度5mm/s為標(biāo)準(zhǔn)，每提高1.0mm/s加10分，每下降1.0mm/s減10分；出水濁度以0.300‰為標(biāo)準(zhǔn)，每下降0.010‰加1分，每提高0.100‰減1分。

1)煤泥水水樣濃度S=35.0g/L時(shí)，其正交試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 正交試驗(yàn)因素、水平表(S=35.0g/L)

表4 正交試驗(yàn)記錄及分析表(S=35.0g/L)

由表3及表4可知，影響指標(biāo)的因子主次順序?yàn)椋和端幜?、T值、G值。即在S=35g/L時(shí)，投藥量對(duì)絮凝影響最大，其次為T值，G值影響最小，G值與T值兩因素的影響相對(duì)于投藥量小，且T值微高于G值。同時(shí)投藥量為3mL、GT值為3700(185×20)時(shí)為絮凝最佳條件。

2)煤泥水水樣濃度S=65.0g/L時(shí)，其正交試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。

表5 正交試驗(yàn)因素、水平表(S=65.0g/L)

表6 正交試驗(yàn)記錄及分析表(S=65.0g/L)

由表5及表6可知，影響指標(biāo)的因子主次順序?yàn)椋和端幜俊值、T值。在S=65g/L時(shí)，投藥量對(duì)絮凝影響最大，其次為G值，T值影響最小，G值與T值兩因素的影響相對(duì)于投藥量小，且G值微高于T值。同時(shí)投藥量為5mL、GT值為3700(185×20)時(shí)為絮凝最佳條件。

3)煤泥水水樣濃度S=85.0g/L時(shí)，其正交試驗(yàn)結(jié)果見表7、表8。

表7 正交試驗(yàn)因素、水平表(S=85.0g/L)

表8 正交試驗(yàn)記錄及分析表 (S=85.0g/L)

由表7及表8可知，影響指標(biāo)的因子主次順序?yàn)椋篢值、投藥量、G值。在S=85g/L時(shí)，攪拌時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大，但投藥量R=47.1，說明投藥量對(duì)其影響也較大，同時(shí)投藥量為7mL、GT=3700(185×20)時(shí)為絮凝最佳條件。

由以上試驗(yàn)可得出：不同煤泥水濃度下的正交試驗(yàn)與前述試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，且在水力條件作用下，藥劑用量會(huì)有所增加。

4 GT值影響絮凝效果機(jī)理分析

在煤泥水絮凝過程中，攪拌強(qiáng)度和作用時(shí)間是絮凝效果好壞的重要影響因素。為強(qiáng)化懸浮顆粒與藥劑的相互作用，可以設(shè)定G值進(jìn)行攪拌，使煤泥水產(chǎn)生紊流，加快絮團(tuán)的形成并使懸浮顆粒進(jìn)行快速沉降[11-14]。

在攪拌過程中，絮凝劑高分子鏈會(huì)隨著水流紊動(dòng)拉伸、取向、解纏繞等，使得煤泥顆粒與高分子鏈形成的絮團(tuán)形成運(yùn)動(dòng)和松散[15，16]。當(dāng)攪拌強(qiáng)度增加，高分子絮凝劑發(fā)生降解，剪切機(jī)械能破壞了聚合物分子鏈之間的內(nèi)應(yīng)力，高分子鏈間的吸附點(diǎn)，甚至高分子鏈主干的C—C鍵會(huì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生更多更短的分子鏈，絮團(tuán)會(huì)分解成小絮團(tuán)或顆粒，影響了藥劑對(duì)粒子的吸附，從而影響了絮凝沉降效果，如圖5所示。時(shí)間T代表混合反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短，攪拌速度梯度G與攪拌時(shí)間T的乘積為GT，當(dāng)G值較大，說明攪拌強(qiáng)度較大，而當(dāng)T值較大時(shí)，則要求混合容器體積足夠大。在絮凝過程中，會(huì)存在一個(gè)GT值，使絮凝效果達(dá)到最佳。本論文中在某一工況條件下，在煤泥水濃度和加藥量都保持不變的條件下，改變GT值，使煤泥水在沉降設(shè)備中絮凝沉淀，以渾液面沉降速度最快、上層澄清液的濁度最低時(shí)的GT值為最佳GT值。此GT值在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要指導(dǎo)意義，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果也僅限于本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象，即在煤泥水的濃度在35～85g/L之間波動(dòng)時(shí)，得出的最佳水力條件。

圖5 剪切對(duì)絮凝劑的作用效果

5 結(jié) 論

針對(duì)某一特定濃度的煤泥水，隨著GT值的改變，其絮凝沉降效果出現(xiàn)明顯差異。GT值不應(yīng)過高，否則會(huì)破壞絮團(tuán)的形成過程，對(duì)于本次試驗(yàn)對(duì)象最佳GT值應(yīng)在3700左右。在生產(chǎn)實(shí)際中需采用自動(dòng)化控制裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤泥水濃度的變化，及時(shí)調(diào)整加藥量，并將GT值控制在最優(yōu)值附近，能夠使煤泥水快速沉淀澄清，實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)。