周圓圓
(山西霍州煤電集團(tuán)辛置礦選煤廠,山西 霍州 031412)
選煤廠煤泥水作為選煤工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其處理效果直接影響著選煤效率,而難沉降煤泥水是選煤過程中煤泥水處理形成閉路循環(huán)最大的難題。因此,本文擬從難沉降煤泥水的組成及特性,分析影響煤泥水難沉降的因素,以期對解決難沉降煤泥水的難題提供有益參考。
選煤是我國潔凈煤技術(shù)的基本手段,煤泥水是濕法選煤過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水,其沉降循環(huán)利用是選煤工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。而難沉降煤泥水是指在自然沉降條件下,數(shù)天都無法澄清的煤泥水,難沉降的煤泥水嚴(yán)重影響著選煤系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn),為了實現(xiàn)煤泥水的高效處理,需要研究煤泥水的成分組成。
煤泥水是煤和多種礦物顆粒及其水解后形成的復(fù)雜懸浮物,其還包含少量的金屬離子和選煤藥劑等,具有礦物粒度分布范圍大、溶液化學(xué)組分復(fù)雜的特性[3]。以煤泥水物質(zhì)來源為基礎(chǔ),分析煤泥水的主要組成:(1)根據(jù)所選原煤的變質(zhì)炭化程度可以把煤分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤,按宏觀煤巖結(jié)構(gòu)的不同可分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤,不同的煤質(zhì)對煤泥水特性的影響差異較??;(2)通過XRD衍射成分分析,一般煤中礦物質(zhì)組成主要包括黏土礦物、氧化礦物、碳酸鹽礦物、硫化礦物、硫酸鹽礦物及少量其他礦物質(zhì),其中黏土礦物是含量最多的礦物,如山西大同和陽泉礦區(qū)煤樣中粘土礦物含量分別為41.02%和85.64%,常見粘土礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石[4]。常見的氧化礦物多以石英為主,且其含量也較大,碳酸鹽礦物主要為方解石,硫化礦物主要是與煤炭資源伴生的黃鐵礦,硫酸鹽礦物的含量較少,如石膏等;(3)針對選煤廠的用水,主要有地表水、淺層地下水、礦井水、深層地下水幾種來源,不同水的水質(zhì)也有一定差異,但都有自然水中的基本離子(陽離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+, 陰 離 子 Cl-、 SO42-、HCO3-),但不同來源的水含有的各離子差異較大,地表水的礦化程度低,相對硬度也低,淺層地下水礦化度和硬度都有一定增加,且隨著深度的增加均增大,而礦井水的礦化度與硬度一般都較低。
難沉降煤泥水的性質(zhì)與其物質(zhì)組成密切相關(guān),且受到各個物質(zhì)間的相互影響作用。由于組分的差異,難沉降煤泥水的性質(zhì)也不相同,但也存在一些共同特性,如煤泥水的濃度高、細(xì)粒煤和細(xì)泥含量高、黏度大、水的硬度低等。煤泥水的性質(zhì)直接影響沉降的效果,而難沉降煤泥水不易沉降的原因主要包括以下幾個方面的性質(zhì)。
(1)難沉降煤泥水中含有大量的細(xì)顆粒物質(zhì),比表面積很大,且表面具有較高的負(fù)電性。細(xì)顆粒物之間的電荷產(chǎn)生的靜電斥力大,使細(xì)顆粒呈現(xiàn)分散狀態(tài),不易形成大顆粒聚合物沉降。煤泥水中的親水氧化物容易形成膠體,Zeta電位是用來評價膠體體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo),其是通過膠體粒子的帶電特性判斷膠體的穩(wěn)定性,Zeta電位越大,表明細(xì)顆粒間的靜電斥力越大,膠體越穩(wěn)定。圖1為某選煤廠細(xì)粒煤和細(xì)泥表面Zeta電位與pH值的關(guān)系[5],由圖可知,細(xì)泥的Zeta電位負(fù)值比細(xì)粒煤大,因此煤泥水中細(xì)泥含量越高,煤泥水越穩(wěn)定,越難沉降。
圖1 細(xì)粒煤、細(xì)泥顆粒表面電位與pH值的關(guān)系
(2)煤泥水不僅有懸浮液的性質(zhì),還具有膠體的性質(zhì),由于煤泥水中細(xì)顆粒物的重量輕,顆粒無規(guī)則的布朗運動速度大,在水中呈穩(wěn)定懸浮狀態(tài),僅以自身重力作用下沉難以達(dá)到理想的沉降效果。煤泥水中細(xì)顆粒物的干擾沉降速度Vg可以用利亞申柯公式表示,即:
式中:
vg-顆粒在煤泥水中的干擾沉降速度,cm/s;
δ-細(xì)顆粒物的密度,g/cm3;
d-細(xì)顆粒的粒度,cm;
R-煤泥水的液固比。
從式(1)可知,煤泥水中顆粒物的沉降速度vg與顆粒粒度d成二次正比關(guān)系,顆粒粒度的分布對沉降速度的影響很大,即顆粒粒度越細(xì),越容易懸浮,煤泥水越不容易沉降,因此細(xì)泥和細(xì)煤粉難于沉降。
(3)由于煤泥水中細(xì)顆粒物的表面存在未補償?shù)逆I能,使水分子在其周圍定向排列,形成水化膜,阻止顆粒間相互接觸生成大顆粒沉降。另外,有些顆粒還與周圍水分子發(fā)生水化反應(yīng),形成阻止細(xì)顆粒聚合的水化膜,使煤泥水出現(xiàn)難沉降現(xiàn)象。
(1)礦物的泥化作用
泥化性主要是由礦物的微觀結(jié)構(gòu)所決定,在水中易于泥化的是軟質(zhì)粘土礦物。粘土礦物具有很強的吸水膨脹性,在水中容易軟化崩解成比其他礦物粒度小、質(zhì)量輕的微米級顆粒,使溶液泥化不易沉降,且粘土礦物在水中停留的時間越長,泥化作用越嚴(yán)重,煤泥水的粘度越大,增加了煤泥水的處理難度。而在選煤過程中,不同變質(zhì)程度的煤都不易泥化,煤層中存在的矸石也不易泥化。不易于泥化的礦物在洗選過程中,由于不會因為水的浸泡和機械破碎作用而形成幾十微米以下的極細(xì)顆粒,因而較容易沉降,不會形成難沉降煤泥水。
(2)礦物顆粒聚合穩(wěn)定性
煤泥水中的顆粒在溶液中受重力和布朗運動的作用,當(dāng)?shù)V物顆粒的粒徑大于十幾微米時,重力作用大于布朗運動,顆粒自由沉降,且沉降速度符合Stokes定律,即顆粒在溶液中的下沉速度與其半徑成正比,半徑越小,沉降越緩慢。而顆粒大小的形成,需要考慮顆粒之間的聚合和分散作用,根據(jù)EDLVO理論,煤泥水中礦物顆??倓菽転閇6]:
式中:
VW-礦物顆粒間的范德華力相互作用能;
VE-礦物顆粒間的靜電作用能;
[VH]-礦物顆粒間極化作用,排斥或吸引勢能。
礦物顆??倓菽躒T值的正負(fù)決定了顆粒間的聚合和分散,VT大于0時,礦物顆粒間相互排斥,顆粒處于分散狀態(tài),不易沉降;小于0時,相互吸引,顆粒聚合,形成大顆粒沉降。而且粘土礦物顆粒常帶負(fù)電荷,容易吸附煤泥水中的陽離子,但由于靜電作用能和布朗運動,只有一部分吸附在顆粒表面,另一部分散布于溶液與顆粒之間形成了顆粒與離子間的擴(kuò)散雙電層模型。在離子電場作用下,粘土顆粒與溶液間產(chǎn)生相對移動的“滑動面”與本體之間的電勢差為ζ電位,其大小決定了煤泥水的沉降難易程度,ζ電位越大,礦物顆粒間產(chǎn)生的靜電斥力越大,阻止礦物顆粒的聚合,礦物顆粒越難沉降;ζ電位越小,煤泥水越容易沉降。
(3)選煤水的水質(zhì)
選煤水作為煤泥水的重要組成,不僅是選煤的重要介質(zhì),也給煤泥水的形成提供了條件。不同地區(qū)選煤廠的水質(zhì)差別較大,水中離子的含量和水的硬度也相差懸殊,其水質(zhì)與煤泥水的沉降難易程度密切相關(guān)。離子的含量高、硬度大的選煤水一般不需要特殊處理就能實現(xiàn)煤泥水循環(huán)澄清,而離子含量低、硬度小的選煤水極易形成難沉降煤泥水。另外,由于現(xiàn)代選煤廠的大型化,空間利用集約化,使煤泥水的循環(huán)流量很大,而且循環(huán)的周期較短,因此在受限的空間和時間也極大地影響了煤泥水的沉降。
通過對煤泥水難沉降影響因素的分析表明,軟質(zhì)粘土的泥化作用是煤泥水難沉降的直接因素;煤泥水中礦物顆粒粒度越小,越難沉降;ζ電位越大,礦物顆粒間產(chǎn)生的靜電斥力越大,煤泥水越難沉降;離子含量低、硬度小的選煤水極易形成難沉降煤泥水,受限的空間和時間也是影響煤泥水難沉降的重要因素。