煤泥水絮凝沉降效果影響因素研究

沈 寧

(神華寧煤集團 太西洗煤廠，寧夏 石嘴山753000)

對于采用濕法分選的選煤廠而言，為了滿足各工藝環(huán)節(jié)對循環(huán)水質量的要求，經主選作業(yè)后產生的煤泥水必須經過一定的工藝處理才能在選煤廠循環(huán)使用。煤泥水系統(tǒng)是實現洗水閉路循環(huán)、確保清水選煤的關鍵環(huán)節(jié)，當煤泥水系統(tǒng)嚴重惡化時，整個選煤系統(tǒng)將無法正常運行[1-2]，甚至出現停產[3-4]。煤泥水內集中了原煤中最細、最難處理的顆粒，而這些顆粒粒度細、灰分高、粘性大、難以沉降，難于用常規(guī)的沉淀、回收、脫水設備與方法進行處理，必須選擇適當的煤泥水絮凝沉降工藝處理。鑒于煤泥水處理的重要性和復雜性，近年來國內外研究人員對煤泥水絮凝沉降展開了大量的研究[5-7]，但多數研究集中于對絮凝劑和凝聚劑種類及用量[8-9]、攪拌強度[10-11]等因素的考察，而忽略了煤泥水處理過程中流場環(huán)境(由流場型式及其能量輸入狀態(tài)決定)和藥劑作用時間的影響。因此，在對藥劑用量影響研究的基礎上，綜合流場類型和藥劑作用時間進行煤泥水沉降效果的多因素考察，對于煤泥水沉降理論體系的構建與完善，進一步優(yōu)化煤泥水的處理效果具有重要的理論與現實意義。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

選取陜西澄合礦區(qū)煤樣作為煤泥水沉降試驗原料，并將<0.5 mm粒級煤樣配成濃度為35 g/L的煤泥水。選用聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁作為絮凝劑和凝聚劑進行煤泥水絮凝沉降試驗。

1.2 試驗設備

構建試驗系統(tǒng)時，選用標準比例幾何尺寸攪拌槽作為試驗攪拌槽[13-14]：槽體直徑T=200 mm，葉輪直徑D=66.7 mm，葉輪離槽底的高度Hi=66.7 mm，葉輪葉片寬度w=13.2 mm，擋板數目為4個，擋板寬度Wb=20 mm。試驗過程中控制煤泥水液面高度H=T=200 mm。

為了廣泛考察流場類型這一因素的影響，流場形成元件——葉輪的選擇尤為重要[15-16]。試驗選取葉片數相同的徑流式葉輪、軸流式葉輪與混流式葉輪(圖1)構建徑流式、軸流式與混流式流場，并進行相應流場類型及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的研究。

圖1 三種葉輪型式

1.3 評價指標

試驗以煤泥水溢流濃度作為煤泥水沉降特性的評價標準。煤泥水攪拌均勻后，加入一定量凝聚劑和絮凝劑，攪拌、靜置4 min后，移取距液面10 cm處的上清液測定其濁度，并以此來判定煤泥水沉降效果[12]。

2 試驗結果與分析

2.1 藥劑用量對煤泥水沉降效果的影響

試驗時，凝聚劑用量為0.05 g，攪拌混合30 s后，添加絮凝劑，其加入量分別為0.005、0.01、0.05、0.10、0.15、0.25、0.50 g，攪拌1.5 min后，靜置取樣分析煤泥水絮凝沉降效果(圖2)；在同樣操作條件下，絮凝劑用量為0.05 g，改變凝聚劑用量，在用量為0.005、0.01、0.05、0.10、0.15、0.25、0.50 g條件下進行煤泥水絮凝沉降試驗，結果如圖3所示。

由圖2和圖3分析可知：無論是絮凝劑還是凝聚劑，當藥劑用量較少時，由于只有少部分煤泥顆粒與藥劑作用，大部分煤泥顆粒仍然懸浮在水中未能進行有效絮凝沉降，因此，上清液濁度較高；隨著藥劑用量的增加，煤泥顆粒絮凝沉降效果有所提升，當凝聚劑和絮凝劑用量分別為0.05 g和0.05 g時，煤泥水絮凝沉降可達到最佳效果；隨著藥劑用量的進一步增加，由于藥劑不能有效分散，因此，同煤泥顆粒有效作用的藥劑量減少，大部分煤泥顆粒懸浮在煤泥水上清液中不能有效絮凝沉降，致使煤泥水上清液濁度較高。

圖2 絮凝劑用量對煤泥水沉降效果的影響

圖3 凝聚劑用量對煤泥水沉降效果的影響

2.2 藥劑作用時間對煤泥水沉降效果的影響

為了實現煤泥水的有效沉降，藥劑在煤泥水體系中需要停留一定的時間，因此有必要考察凝聚劑和絮凝劑的作用時間對煤泥水絮凝沉降效果的影響。試驗時，固定凝聚劑與煤泥混合作用時間為30 s，絮凝劑與煤泥混合時間分別設定為0.25、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 min。煤泥水絮凝沉降效果如圖4所示。在同樣操作條件下，固定絮凝劑與煤泥混合作用時間為1.5 min，凝聚劑與煤泥顆?；旌蠒r間分別設定為15、30、45、60、90 s，煤泥水絮凝沉降試驗結果如圖5所示。

圖4 絮凝劑作用時間對煤泥水沉降效果的影響

圖5 凝聚劑作用時間對煤泥水沉降效果的影響

由圖4和圖5可以看出，隨著藥劑作用時間的增加，煤泥水絮凝沉降效果變化明顯：當絮凝劑作用時間為1.5 min時，上清液濁度最小為14.5 NTU；當凝聚劑作用時間為30 s時，上清液濁度最小為14.6 NTU。隨著藥劑作用時間的進一步增加，煤泥水絮凝沉降效果惡化。分析該過程可知：藥劑作用時間過短，意味著藥劑的分散程度及其與煤泥顆粒的接觸不充分；而藥劑作用時間過長，其自身的長鏈結構可能遭到破壞，部分已聚集成大顆粒的煤泥顆粒也遭到破壞。由此可見，藥劑作用時間同樣影響煤泥水絮凝沉降效果。

2.3 流場類型及流場能量輸入對煤泥水沉降效果的影響

2.3.1 徑流式流場及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響

選取徑流式葉輪作為攪拌葉輪，試驗時，攪拌轉速從200 r/min開始，每增加100 r/min設置一個試驗考察參數，直至轉速為1 000 r/min，加入0.05 g凝聚劑，攪拌30 s，再加入0.05 g絮凝劑，繼續(xù)攪拌1.5 min，靜置4 min后檢測上清液濁度。徑流式流場對煤泥水沉降效果的影響如圖6所示。

圖6 徑流式流場及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響

由圖6可以看出，在徑流式流場作用下，在較小的能量輸入狀態(tài)(即攪拌強度太低)時，藥劑與煤泥顆粒不能充分接觸，加之藥劑分布不均勻，煤泥顆粒與藥劑作用效果不好，導致煤泥水絮凝沉降效果較差。隨著攪拌強度的提高，藥劑分散效果得到改善，藥劑與煤泥顆粒充分接觸，煤泥水沉降效果提升；當攪拌強度為400 r/min時，煤泥水絮凝沉降效果最佳，此時上清液濁度為14.9 NTU。隨著攪拌強度進一步增加，煤泥水絮凝沉降效果下降，這是由于攪拌強度過于劇烈，破壞了藥劑的長鏈結構，導致藥劑與煤泥顆粒作用效果變差，同時，已經凝聚成大顆粒的煤泥被破碎成小顆粒，影響了煤泥水絮凝沉降。

2.3.2 軸流式流場及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響

在相同條件下，選取軸流式葉輪作為攪拌葉輪，能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響如圖7所示。由圖7可以看出，在軸流式流場作用下，隨著能量輸入的增加(即攪拌轉速增加)，對應煤泥水沉降效果同樣出現“先改觀、再惡化”的現象；當攪拌轉速為600 r/min時，煤泥水絮凝沉降效果最好，其對應上的清液濁度為32.7 NTU。

圖7 軸流式流場及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響

2.3.3 混流式流場及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響

進一步試驗，在相同操作條件下，選取混流式葉輪作為攪拌葉輪，能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響如圖8所示。

由圖8可知，在混流式流場作用下，隨著能量輸入的增加(即攪拌轉速增加)對應煤泥水沉降效果同樣出現“先改觀、再惡化”的現象；當攪拌轉速為500 r/min時，上清液濁度最小為31.1 NTU，為最佳試驗條件。

2.3.4 不同流場類型作用效果對比

徑流式葉輪在攪拌過程中會產生較強的剪切作用，當其低轉速運行時，有利于藥劑分散，實現藥劑與煤泥顆粒的有效作用；但在轉速過高時，較強的剪切力破壞藥劑結構與大顆粒煤泥聚團，使煤泥水絮凝沉降效果變差。

圖8 混流式流場及能量輸入狀態(tài)對煤泥水沉降效果的影響

軸流式葉輪在攪拌過程中剪切力很弱，因此最佳攪拌速度要比徑流式葉輪高才能提供合適的剪切條件；在高轉速條件下，由于以形成軸向循環(huán)流場為主，而剪切力作用較弱，因此對藥劑結構和煤泥大顆粒破壞作用也相對較輕，對應煤泥水絮凝沉降效果優(yōu)于徑流式葉輪。

由于混流式葉輪的剪切力介于徑流式葉輪和軸流式葉輪之間，因此，當低轉速運行時，藥劑分散效果比徑流式葉輪差但優(yōu)于軸流式葉輪；當高轉速運行時，對藥劑結構和大顆粒煤泥的破壞作用比軸流式葉輪強但弱于徑流式葉輪。

3 正交試驗與分析

綜合考慮藥劑用量、流場類型、攪拌強度以及藥劑混合時間對煤泥水絮凝沉降效果的影響，選取L18(37)正交表進行正交試驗設計。

正交試驗設計表與正交試驗結果見表1和表2。

表1 正交試驗設計表

由正交試驗結果可知，優(yōu)化工藝方案為A1B1C1D1E1F1。由各因素水平下的平均濁度值分析可知，凝聚劑用量0.15 g(A3)、絮凝劑用量0.15 g(B3)、徑流式流場(C1)、攪拌強度400 r/min(D1)、絮凝劑作用時間2.5 min(E2)、凝聚劑作用時間30 s(F1)，即A3B3C1D1E2F1也是較好的工藝條件，但由于這個條件不在正交試驗設計的18次試驗當中，所以補做試驗A3B3C1D1E2F1，并與工藝方案A1B1C1D1E1F1進行比較，結果見表3。最終確定優(yōu)化工藝方案為A1B1C1D1E1F1。

表2 正交試驗結果

表3 工藝方案A1B1C1D1E1F1與A3B3C1D1E2F1結果對比

利用極差來描述各因素中水平變化所引起的試驗指標離散程度，即可反映各因素所起作用的大小。由表2數據分析可知，在試驗范圍內，極差值由大到小對應的因素依次為：流場類型、攪拌強度、凝聚劑用量、絮凝劑用量、凝聚劑作用時間、絮凝劑作用時間，說明流場類型對煤泥水絮凝沉降效果的影響最大，攪拌強度次之，之后依次為凝聚劑用量、絮凝劑用量、凝聚劑作用時間，絮凝劑作用時間對煤泥水絮凝沉降效果影響最小。

4 結論

本文系統(tǒng)研究了藥劑用量、流場類型、流場能量輸入、藥劑作用時間等因素對煤泥水沉降效果的影響，主要結論如下：

(1)藥劑用量對煤泥水絮凝沉降有重要的影響，藥劑用量過少或過多都不利于藥劑分散及其與煤泥顆粒的充分接觸，都會影響煤泥水絮凝沉降效果。

(2)凝聚劑和絮凝劑作用時間過短，藥劑與煤泥顆粒不能充分作用；作用時間過長，會造成藥劑結構以及已聚集成大顆粒的煤泥顆粒的破壞。

(3)徑流式流場比軸流式流場和混流式流場更有利于煤泥水絮凝沉降，當徑流式葉輪攪拌轉速為400 r/min時，煤泥水絮凝沉降效果相對較好。不論何種流場作用，隨著能量輸入的增加，煤泥水絮凝沉降效果均出現“先改觀、再惡化”的現象。

(4)正交試驗極差分析可知，影響煤泥水絮凝沉降最主要的因素是流場類型、流場能量輸入(即攪拌強度)和藥劑用量，其次是藥劑作用時間；總體而言，流場類型和流場能量輸入是決定煤泥水沉降效果最關鍵的因素。