鉀離子溶液洗煤對(duì)煤泥壓濾的影響分析

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。

1 實(shí)驗(yàn)材料

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

1.1 原煤中礦物含量測(cè)定結(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%。

1.2 藥劑

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。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

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

2 壓濾實(shí)驗(yàn)

2.1 粒度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

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。

2.2 鉀離子溶液添加量實(shí)驗(yàn)

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

2.3 傳統(tǒng)壓濾與KCl溶液煤泥壓濾實(shí)驗(yàn)對(duì)比

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。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)原煤壓濾實(shí)驗(yàn)對(duì)比

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。

3 理論分析

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。

4 結(jié)論

（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。

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