高灰細粒煤泥壓濾中助濾劑的應用研究

胡鵬飛 徐初陽 周歡歡 邱 寧

（安徽理工大學材料科學與工程學院，安徽省淮南市，232001）

壓濾技術是選煤廠中細粒煤回收和實現煤泥水閉路循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，壓濾效果的好壞直接影響著選煤廠的各環(huán)保指標和經濟效益。隨著采煤機械化程度的提高、水力采煤技術的發(fā)展以及近年來我國原煤煤質的下降，選煤廠中細粒煤和超細粒煤的含量越來越多，灰分也有明顯上升。選煤廠煤泥水中高灰細粒煤泥含量的增加使壓濾環(huán)節(jié)的處理變得十分困難，在壓濾入料中添加助濾劑可以解決壓濾困難的問題，這是一種不改變現有壓濾工藝流程的簡便而有效的方法。

本文探討了助濾劑的助濾機理，針對淮南礦業(yè)集團某選煤廠壓濾入料中高灰細粒煤泥含量高及壓濾困難等問題，采用添加助濾劑的方法來改善壓濾入料的性質以提高壓濾效果，最終實現了煤泥水閉路循環(huán)。

1 煤泥水的性質分析

采用GB／T19093-2003對煤泥粒度組成進行了分析，小篩分試驗結果見表1。對于粒度-0.045mm的煤泥采用島津SALD-7101型的激光粒度分析儀進行分析，結果見表2。

表1 小篩分試驗結果

表2 激光粒度分析結果

從表1和表2可知，該煤泥水中細微顆粒所占比例大、灰分高，煤泥灰分也高達59.20%。小篩分試驗結果中+0.045 mm 級的產率占81.30%，激光粒度分析結果中+17.416um 級的產率占77%。

粒度越小的粒群孔隙率越小，粒群的滲透性越差，即濾餅的阻力越大，易造成入料中心孔附近堵塞、不成餅和粘濾布，影響壓濾效果。同時細粒物料的比表面積大，易形成水化膜。此外，煤泥的灰分高表明其中含有大量的礦物成分，而礦物大都有很強的親水性，這會使微細顆粒表面水化膜的作用更大，而導致微細顆粒難以聚集，降低了壓濾速度，增大了濾餅水分。

采用日本島津X 射線衍射儀XRD-6000對煤泥進行分析，其結果如圖1所示。

圖1 煤泥XRD 分析圖

由圖1 可見，煤泥中的主要礦物成分為高嶺石、石英、綠泥石和方解石，其中石英和高嶺石的波峰最尖，說明石英和高嶺石的含量較多，而石英在很寬的pH 值范圍內都是強親水性的物質，這會使石英微細顆粒表面水化膜的作用增大，導致微細顆粒難以聚集成大顆粒。

2 試驗部分

2.1 藥劑的選擇

試驗中使用的助濾劑有氯化鈣、聚氯化鋁、硫酸鋁和聚丙烯酰胺。

2.2 試驗步驟

（1）量取100ml的煤泥水，使用注射器將所需藥劑一次性加入到煤泥水中。

（2）用玻璃棒進行攪拌，使煤泥水與藥劑充分接觸。

（3）將加藥后的煤泥水倒入真空過濾器的布氏漏斗中，開啟真空過濾器并開始計時。

（4）當漏斗下無濾液濾出時，關閉真空過濾器，記錄過濾時間。

（5）取出布氏漏斗中的濾餅，稱重后放入烘箱烘干，對干濾餅稱重并計算濾餅水分。

（6）最后以過濾時間和濾餅水分來評價助濾劑的效果。

煤泥水中顆粒的電動電位使用Zeta電位分析儀測得。

3 結果與分析

3.1 無機鹽凝聚劑對煤泥的助濾作用及分析

在煤泥水中分別添加不同用量的氯化鈣、硫酸鋁和聚氯化鋁進行過濾試驗，不同凝聚劑對過濾時間和濾餅水分的影響結果如圖2和圖3所示。

圖2 不同凝聚劑對過濾時間的影響

圖3 不同凝聚劑對濾餅水分的影響

由圖2和圖3 可見，隨著各凝聚劑用量的增大，煤泥水過濾時間不斷減少，濾餅水分不斷降低。對于本試驗中所使用的煤泥水而言聚氯化鋁的效果更好，不加藥劑時過濾時間為28 min，濾餅水分為35.6%。而當聚氯化鋁的用量增加到2100g／m3時過濾時間降為7.6 min，水分降為33.0%。

測定不同聚氯化鋁用量下煤泥水中顆粒的Zeta電位，試驗結果如圖4所示。

圖4 聚氯化鋁對Zeta電位的影響

由圖4可見，試驗用煤泥水中顆粒表面的Zeta電位較大，在加入聚氯化鋁之后，Zeta電位有了明顯降低，當聚氯化鋁用量為90g／m3時顆粒表面Zeta電位由-67.3mV 降低為-44.5mV。

綜合上述試驗結果可知，表面荷負電的煤泥顆粒之間相互排斥，在水中呈穩(wěn)定分散狀態(tài)，難以凝聚形成較大的顆粒。而凝聚劑能壓縮顆粒表面的雙電層，降低Zeta電位，提高顆粒之間的碰撞凝聚幾率，改善煤泥粒度，提高壓濾速度。試驗中聚氯化鋁的助濾效果最好，一方面是高價陽離子（Al3+）比相對低價的陽離子 （Ca2+）更利于壓縮固體顆粒表面雙電層，另一方面是聚氯化鋁能生成多核絡合物，能同時吸附捕捉到多個懸浮顆粒，從而形成松散絮團，提高了其助濾效果。

3.2 高分子絮凝劑對煤泥的助濾作用及分析

在煤泥水中分別添加了不同用量的陽離子型聚丙烯酰胺和陰離子型聚丙烯酰胺，分子量均為1000萬，不同離子型絮凝劑對過濾時間和濾餅水分的影響如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見，隨著聚丙烯酰胺用量的增大，煤泥水過濾的時間不斷減少，濾餅水分先降低再升高。高分子絮凝劑是長鏈狀的，鏈上有若干活性的基團，活性基團越多，其吸附能力也就越強，微細顆粒能形成更大的絮團，增大了過濾物料的粒度。但高分子絮凝劑產生的絮團蓬松，結構中央帶水，用量越大，濾餅中會含有越高的水分。陽離子型聚丙烯酰胺比陰離子型聚丙烯酰胺對降低過濾時間的效果更好，但助濾效果差別不大。

測定不同聚丙烯酰胺用量下煤泥水中顆粒的Zeta電位，試驗結果如圖7所示。

圖5 不同離子型絮凝劑對過濾時間的影響

圖6 不同離子型絮凝劑對濾餅水分的影響

圖7 不同離子型絮凝劑對Zeta電位的影響

由圖7 可見，在加入陽離子型聚丙烯酰胺之后，Zeta電位有所降低，當陽離子型聚丙烯酰胺用 量 為50 g／m3時，顆 粒 表 面Zeta 電 位 由-65.5mV降低為-61.0mV。而陰離子型聚丙烯酰胺對Zeta電位基本無影響。

綜合上述試驗結果可知，聚丙烯酰胺的水解產物絮凝時，當聚電解質所帶的電荷符號與煤泥水中顆粒帶電荷符號的相反時，聚丙烯酰胺除了橋聯作用外，還有一定的電性中和作用，在這種情況下，盡管分子量相同，帶相反電荷的聚丙烯酰胺具有更好的助濾效果。但在本試驗中陽離子型聚丙烯酰胺的助濾優(yōu)勢不是太明顯，考慮陽離子型聚丙烯酰胺價格高、不易獲得，不適合用于工業(yè)生產，故選取陰離子型聚丙烯酰胺為高分子絮凝劑。

3.3 凝聚劑與絮凝劑復配對煤泥的助濾作用分析

根據單因素試驗結果，試驗采用聚氯化鋁和分子量為1000萬的陰離子型聚丙烯酰胺復配進行過濾試驗。使用均勻試驗設計法，確定藥劑用量和試驗結果見表3。

表3 凝聚劑與絮凝劑復配試驗及結果

對試驗數據進行分析，利用數據處理軟件DPS中的二次逐步回歸分析，得到二次回歸方程，見式 （1）：

式中：Y——過濾時間，s；

X1——聚氯化鋁用量，g／m3；

X2——絮凝劑用量，g／m3。

二次回歸方程參數如表4所示。

表4 二次回歸方程參數

由表4可知，相關系數R=0.9818，相關；D-W=1.67為Durbin-Watson統計量，服從正態(tài)分布；總體的顯著性檢驗值F=26.7261＞F0.05（3，3）。綜上可知，回歸方程是顯著的，能真實反映煤泥過濾時間與助濾劑添加量之間的關系。

根據DPS 軟件得出因數間的最佳組合如下：在聚氯化鋁用量為1607.80g／m3、絮凝劑用量為70g／m3時，過濾時間能減少到345s。

為了驗證逐步回歸方程以及試驗方案優(yōu)化的可行性，在藥劑用量的最佳值條件下進行驗證試驗，測出過濾時間為405s，過濾時間是所有試驗中最短的。這說明用DPS數據處理軟件建立的方程和試驗數據的分析是準確的。

采用日立S-3000N 型掃描電鏡對空白試驗濾餅與最佳藥劑組合下的濾餅進行微觀電鏡掃描，掃描電鏡圖片見圖8和圖9。

圖8 空白試驗濾餅內部結構

圖9 最佳藥劑組合下濾餅內部結構

由圖8可知，空白試驗形成的濾餅結構緊密，細小顆粒緊密粘在一起，濾餅內的孔隙小，孔隙率低。由圖9可知，最佳藥劑組合下的濾餅結構非常疏松，內部有大量裂痕。

試驗證明，把凝聚劑和絮凝劑兩者配合起來使用將獲得較理想的效果。凝聚劑先把細小顆粒凝聚成較大一點的顆粒，這些顆粒的電性較小，容易參與絮凝劑的架橋作用，且顆粒與顆粒間的斥力小，產生的絮團比較緊密，水分較少。

4 工業(yè)性試驗

根據實驗室試驗結果，在該選煤廠壓濾車間進行工業(yè)性試驗，試驗條件與結果如表6所示。

由表6可知，在壓濾入料中添加聚氯化鋁與聚丙烯酰胺后，壓濾時間從空白試驗的85 min下降到60min，濾餅水分從29.5%下降到24.6%，且生產穩(wěn)定，實現了煤泥水閉路循環(huán)。

表6 工業(yè)性試驗條件及結果

5 結論

（1）煤泥水中高灰細粒煤泥含量高，顆粒表面荷負電較大，是煤泥過濾效率低的內在原因。在壓濾入料中添加助濾劑能夠改善壓濾入料的性質，提高壓濾效率。

（2）凝聚劑能壓縮顆粒表面雙電層，降低Zeta電位。聚氯化鋁還能生成多核絡合物，同時吸附捕捉到多個懸浮顆粒，從而形成松散絮團，比試驗中使用的其他凝聚劑有更好的助濾效果。

（3）陽離子聚丙烯酰胺除了橋聯作用外，還有一定的電性中和作用，在這種情況下，盡管分子量相同，帶相反電荷的聚丙烯酰胺具有更好的助濾效果。但考慮到陽離子型聚丙烯酰胺價格高且難獲取，本試驗中選取陰離子型聚丙烯酰胺。

（4）凝聚劑與絮凝劑配合使用比使用單一藥劑的助濾效果更好。

（5）由DPS數據處理軟件對復配試驗數據建立回歸方程，確定最優(yōu)藥劑配比，能更準確地找到最優(yōu)方案。

［1］ 李超，陳凱，李延峰等.影響正壓過濾脫水效果的試驗研究與分析 ［J］.中國煤炭，2010 （11）

［2］ 王月，都麗紅，呂待清等.助濾劑濾餅孔隙率的研究 ［J］.過濾與分離，2010（2）

［3］ 孫冬，樊民強，李志紅.復合型助濾劑與煤表面氧的作用規(guī)律 ［J］.煤炭學報，2009 （6）

［5］ 曾凡.礦物加工顆粒學 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1995

［6］ 劉鵬，劉國榮.濾餅顆粒物性對濾餅特性影響的分析 ［J］.過濾與分離，2009（2）

［7］ 閔凡飛，張明旭，朱金波.高泥化煤泥水沉降特性及凝聚劑作用機理研究 ［J］.礦冶工程，2011（4）

［8］ 李海軍.煤泥水綜合治理過程中絮凝劑選擇及實際應用 ［J］.煤炭技術.2013 （6）

［9］ 張英杰，鞏冠群 .細精煤壓濾脫水影響因素研究［J］.中國煤炭，2013 （2）

［10］ 郝亞洲，王金龍，張德宏.新集一礦選煤廠助慮劑的選擇與應用 ［J］.選煤技術，2011 （1）

［11］ 鹿克強，姬躍平，朱昆陽等.助濾劑在田莊選煤廠精煤過濾脫水中的應用 ［J］ .選煤技術，2008（3）

［12］ 志紅，杜兵，田毓仁等.化學助濾劑對微細粒煤泥的助濾作用研究 ［J］.選煤技術，2009 （2）

［13］ 鄧玉珍.選礦藥劑概論 ［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994

［14］ 范肖南，郜超.壓濾過程影響因素的試驗研究［J］.選煤技術，2010 （4）