騰慶選煤廠煤泥水絮凝沉降特性試驗(yàn)研究

李 飛，師文虎，杜煥銅，鄧啟蒙

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

騰慶選煤廠煤泥水絮凝沉降特性試驗(yàn)研究

李 飛1,2，師文虎1,2，杜煥銅1,2，鄧啟蒙1,2

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

為了提高騰慶選煤廠的煤泥水沉降效果，在對(duì)其性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，以不同離子類型的聚丙烯酰胺作為絮凝劑，以2109和2111作為凝聚劑，進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，研究煤泥水的沉降特性，探索不同藥劑的最佳組合，并確定其最佳用量與配比。試驗(yàn)結(jié)果表明：該選煤廠煤泥水中含有大量的高灰細(xì)泥，自然沉降難度較大；單加分子量為800萬(wàn)的陰離子聚丙烯酰胺，在其用量為8 g/m3時(shí)煤泥水絮凝沉降效果較好。

煤泥水；高灰細(xì)泥；自然沉降；絮凝沉降；藥劑配比

隨著煤礦開采機(jī)械化程度的提高，原煤中的細(xì)粒煤和超細(xì)粒煤所占比重越來(lái)越大，導(dǎo)致煤泥水中的細(xì)煤泥越來(lái)越多，煤泥水的有效處理成為選煤行業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。在選煤廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，煤泥水處理系統(tǒng)嚴(yán)重惡化時(shí)，將使整個(gè)洗選系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，甚至被迫停產(chǎn)，因此煤泥水必須經(jīng)過(guò)合理處理才能實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用或者外排。就現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況來(lái)看，解決煤泥水難處理的問題成為選煤廠正常生產(chǎn)的前提與保障，也是企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)的突破點(diǎn)[1-5]。

對(duì)于騰慶選煤廠來(lái)說(shuō)，當(dāng)過(guò)濾機(jī)入料中的微細(xì)粒(<0.038 mm)含量增多時(shí)，容易發(fā)生過(guò)濾介質(zhì)堵塞、濾餅致密或透氣性惡化等現(xiàn)象，進(jìn)而引起設(shè)備脫水速度降低、濾液濃度增高、濾餅產(chǎn)率下降、濾餅水分增高等嚴(yán)重影響生產(chǎn)或產(chǎn)品質(zhì)量的問題[6]。為此，在對(duì)該選煤廠煤泥水特性研究的基礎(chǔ)上，探索煤泥水處理的最佳藥劑使用方案，以提高煤泥水的沉降效果。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

1.1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要包括變速攪拌器，最大轉(zhuǎn)速為1 000 r/min；帶磨口塞的圓柱量筒，容量為500 mL，分度值為5 mL；注射器，容量分別為1、2、5、10、50 mL；計(jì)時(shí)器，量程為0.1～3 600 s；澄清度測(cè)定儀。

1.1.2 試驗(yàn)試劑

凝聚劑包括兩種，一種為聚合氯化鋁，編號(hào)為2109，為無(wú)機(jī)高分子黃色固體顆粒，密度為1.12 g/cm3；另一種為石灰，編號(hào)為2011，主要成分為氧化鈣，密度為1.35 g/cm3，使用前需將其配制成濃度為1%的溶液。絮凝劑選用9種不同分子量、不同離子類型的聚丙烯酰胺，使用前需將其配制成濃度為0.1%的溶液，絮凝劑的種類與屬性見表1。

表1 聚丙烯酰胺種類與屬性

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)參照GB/T 18712—2002 《選煤用絮凝劑性能試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行。將裝滿煤泥水的量筒雙向翻轉(zhuǎn)5個(gè)回合，用注射器取適量的絮凝劑溶液，加入量筒中煤泥水表面，雙向翻轉(zhuǎn)量筒5回合， 靜置。靜置量筒，可以觀察到上清液和絮團(tuán)清晰的界面，記錄界面通過(guò)量筒每 50 mL分度值的時(shí)間，測(cè)量50 mL分度值間距，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以初始沉降速度、沉淀物高度兩個(gè)指標(biāo)對(duì)煤泥水的沉降效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]，初始沉降速度計(jì)算方法是逐級(jí)對(duì)沉降速度進(jìn)行平均，選擇最大的沉降速度。沉降速度計(jì)算式為：

式中：vf為自由沉降速度，m/h；d為量筒50 mL分度值的間距，mm；t為界面通過(guò)量筒每50 mL分度值的時(shí)間，s。

2 煤泥水性質(zhì)

煤泥水是煤、水及其他雜質(zhì)的混合物，其性質(zhì)與各組分相關(guān)，受各物質(zhì)相互關(guān)系的影響。具體來(lái)說(shuō)，煤泥水的性質(zhì)隨煤種、采煤方法、運(yùn)輸方式、選煤手段、細(xì)粒含量、可溶性鹽類的種類和數(shù)量、用水性質(zhì)變化而變化，這些性質(zhì)直接影響煤泥水的沉降效果、絮凝性質(zhì)、過(guò)濾效果及產(chǎn)品水分等。要想徹底解決煤泥水的沉降問題，必須了解其性質(zhì)，為此就煤泥水的濃度、pH值、粒度組成進(jìn)行研究[9]。

2.1 pH值與濃度

煤泥水的pH值直接影響其中所含顆粒的表面性質(zhì)及凝聚劑(絮凝劑)在煤泥水中的存在形態(tài)，進(jìn)而影響顆粒與各藥劑的相互作用，從而影響煤泥水的絮凝(凝聚)效果。采用pH S-10B數(shù)字酸度計(jì)對(duì)煤泥水的pH值進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)重量法測(cè)定其濃度。檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 煤泥水的pH值與濃度測(cè)定結(jié)果

2.2 粒度組成

一般而言，顆粒粒度越大，沉降速度越快，煤泥水的澄清效果越好；反之，煤泥水不易處理。試驗(yàn)采用小篩分(濕法)分析法和激光粒度法測(cè)定煤泥水中的顆粒粒度組成，結(jié)果見表3。

表3 顆粒粒度組成

由表3可知：<0.45 mm粒級(jí)煤泥含量為74.97%，灰分為43.55%，說(shuō)明煤泥水中不但含有大量細(xì)泥，而且灰分較高，存在泥化現(xiàn)象。

根據(jù)斯托克斯公式，顆粒粒度越細(xì)，沉降速度越慢；同時(shí)，顆粒粒度越細(xì)，重力作用越小，布朗運(yùn)動(dòng)越顯著，顆粒越易保持懸浮狀態(tài)。因此，該煤泥水中的顆粒在較短時(shí)間內(nèi)單純依靠自身重力很難沉降，必需采用其他方法迫使其沉降[10]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單加絮凝劑的煤泥水沉降試驗(yàn)

為了考察不同藥劑對(duì)該選煤廠煤泥水沉降效果的影響，基于探索性試驗(yàn)的研究，以絮凝劑作為研究對(duì)象，在相同的煤泥水濃度(60 g/L)條件下，分別采用相同的藥劑用量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由表4可知：綜合比較初始沉降速度、壓縮層厚度及藥劑用量發(fā)現(xiàn)，添加分子量800萬(wàn)的陰離子聚丙烯酰胺的煤泥水沉降效果最好；在藥劑用量為8 g/m3時(shí)，初始沉降速度為108.36 cm/min，壓縮層厚度為21.50 mm。

3.2 添加絮凝劑與凝聚劑的煤泥水沉降試驗(yàn)

在相同的試驗(yàn)條件下，以2109和2111作為凝聚劑，分別與不同的聚丙烯酰胺聯(lián)合使用，觀察煤泥水的沉降效果，結(jié)果見表5、表6。

表4 絮凝劑單加沉降試驗(yàn)結(jié)果

表5 凝聚劑與絮凝劑用量均為8 g/m3的煤泥水沉降試驗(yàn)結(jié)果

表6 凝聚劑與絮凝劑用量均為16 g/m3的煤泥水沉降試驗(yàn)結(jié)果Table 6 5 Results of test on slurry sedimentation using coagulant and flocculant both at a dosage of 16 g/cm3

由表5、表6可知：綜合比較初始沉降速度、壓縮層厚度及藥劑用量發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)編號(hào)為8的試驗(yàn)結(jié)果最好，即分子量為800萬(wàn)的陰離子聚丙烯酰胺與2111聯(lián)合使用，絮凝沉降效果較好；在藥劑用量為16 g/m3時(shí)，初始沉降速度為107.40 cm/min，壓縮層厚度為34 mm。

3.3 藥劑使用方案的確定

通過(guò)表4、表5、表6數(shù)據(jù)，依據(jù)初始沉降速度、壓縮層厚度兩項(xiàng)指標(biāo)，可得出單加藥劑和聯(lián)合使用藥劑時(shí)煤泥水沉降效果最佳的四組方案，結(jié)果見表7。

表7 煤泥水沉降效果最佳的四組藥劑方案

為了更直觀地比較煤泥水沉降結(jié)果，依據(jù)表7數(shù)據(jù)繪制沉降時(shí)間-界面沉降距離關(guān)系曲線，結(jié)果如圖1所示。

圖1 沉降時(shí)間-界面沉降距離關(guān)系曲線

由表7、圖1可知：聯(lián)合使用凝聚劑和絮凝劑時(shí)，界面沉降距離更大，煤泥水沉降效果更好，但藥劑用量大幅增加，生產(chǎn)成本增加；此外，顆粒沉降速度降低，壓縮層厚度增加，顆粒沉降形成的絮團(tuán)松散，不利于后續(xù)脫水作業(yè)。

因此，對(duì)于該選煤廠煤泥水，建議單加分子量為800萬(wàn)的聚丙烯酰胺，其最佳用量為8 g/m3，此時(shí)，煤泥水絮凝沉降效果最好，且生產(chǎn)成本較低。

4 結(jié)論

基于對(duì)該選煤廠煤泥水性質(zhì)的分析，選用凝聚劑和不同類型的聚丙烯酰胺進(jìn)行沉降試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1)原煤存在泥化現(xiàn)象，煤泥水中細(xì)顆粒含量很高，且灰分較高，導(dǎo)致細(xì)顆粒自由沉降困難。

(2)在煤泥水中加入高分子絮凝劑聚丙烯酰胺，其分子鏈上活性基團(tuán)的“架橋”作用，能夠提高顆粒的沉降速度。

(3)單加聚丙烯酰胺和聯(lián)合使用藥劑都能提高煤泥水的沉降效果，但所提高的程度不同；綜合考慮，單加分子量為800萬(wàn)的陰離子聚丙烯酰胺，在其用量為8 g/m3時(shí)煤泥水絮凝沉降效果最好。

[1] 蓋春燕.高泥化煤泥水特性與處理工藝研究 [D].山西：太原理工大學(xué)，2006：1-5.

[2] 夏暢斌.新型助濾劑對(duì)細(xì)粒煤泥脫水的研究[J].煤炭技術(shù)，1996(2)：16-19.

[3] 董憲姝,姚素玲,劉愛榮,等.電化學(xué)處理煤泥水沉降特性的研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(5)：754-755.

[4] 許聯(lián)航.布爾臺(tái)選煤廠煤泥水沉降試驗(yàn)研究[J].陜西煤炭，2013(4)：20-21.

[5] 趙 燦,胡永春,樊玉萍,等.基于高效煤泥水處理藥劑的濃縮機(jī)工作效果分析[J].選煤技術(shù)，2012(6)：62-66.

[6] 李 滿，徐海宏，任守政.煤用助濾劑的研究狀況及發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30(5)：30-31.

[7] 閔凡飛,朱金波,張明旭.正交法在高泥化煤泥水沉降試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，30(4)：53-54.

[8] 柯紅霞. 鎮(zhèn)城底礦選煤廠泥質(zhì)煤泥水治理的藥劑選擇[J].選煤技術(shù)，2010(2)：34-37.

[9] 楊津靈. 灰色模糊PID算法在煤泥水絮凝沉降過(guò)程控制中的應(yīng)用研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2012：15-16.

[10] 陶亞東,趙厚增,樊玉萍,等.布爾臺(tái)選煤廠煤泥水系統(tǒng)藥劑制度優(yōu)化及應(yīng)用研究[J].選煤技術(shù)，2013(3):29-31.

Experimental study on sedimentation characteristics of flocculated coal slurry at Tengqing Coal Preparation Plant

LI Fei1,2, SHI Wen-hu1,2, DU Huan-tong1,2, DENG Qi-meng1,2

(1. Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Tangshan, Hebei 063012, China; 2. Tiandi (Tangshan) Mining Technology Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, CHina )

In order to quicken the slurry settling rate, a sedimentation test is made at the plant with the use of different types of polyacrylamides as flocculants and 2019 and 2011 as coagulants. The test made is directed toward the study of the sedimentation characteristics of the slurry as well as the optimum combination, dosage and proportioning of different agents. Test result indicates that the slurry water of the plant is high in content of high-ash coal fines and mud, making it rather hard to undergo natural sedimentation and when anionic polyacrylamide with a molecular weight of 8 million is used alone at a dosage of 8 g/cm3, a much better slurry settling effect can be expected.

coal slurry; high-ash fine slime; natural sedimentation; sedimentation of flocculated slurry; proportioning of agents

1001-3571(2016)05-0015-04

TD946.2

A

2016-09-11

10.16447/j.cnki.cpt.2016.05.004

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新青年基金項(xiàng)目(2014QN045)

李 飛(1985—)，男，江蘇省淮安市人，碩士，主要從事重介選煤工藝研究和選煤工程設(shè)計(jì)工作。

E-mail:aa198524@163.com Tel:13483561551

李 飛，師文虎，杜煥銅，等.騰慶選煤廠煤泥水絮凝沉降特性試驗(yàn)研究[J]. 選煤技術(shù)，2016(5)：15-18.