馬倩倩
(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦,山西 霍州 031412)
隨著煤炭大規(guī)模的開發(fā)利用,細(xì)粒煤含量逐年增加,細(xì)粒煤含水量較大,在運(yùn)輸存儲過程中增加成本且污染環(huán)境,尤其在煉焦時(shí),細(xì)粒煤含水量的增加使得爐溫降低,增加了煉焦能耗,延長了煉焦時(shí)間,降低焦煤生產(chǎn)效率[1-2]。因此對細(xì)粒煤進(jìn)行脫水預(yù)處理是必不可少的步驟。傳統(tǒng)的細(xì)粒煤脫水后濾餅水分含量仍然較高,這就使得后續(xù)精煤在運(yùn)輸過程中煤泥水的滲漏污染環(huán)境,還造成了精煤的浪費(fèi),實(shí)際的開發(fā)利用不經(jīng)濟(jì)[2-4]。強(qiáng)化細(xì)粒煤脫水是煤炭高效利用的關(guān)鍵,本文通過添加不同價(jià)態(tài)的無機(jī)電解質(zhì),考察了電化學(xué)預(yù)處理前后,濾餅水分含量、過濾速度、礦漿pH值及電導(dǎo)率等的變化,探究了無機(jī)電解質(zhì)對強(qiáng)化細(xì)粒煤脫水的影響。
試驗(yàn)用到的無機(jī)鹽有NaCl、CaCl2和AlCl3,均購于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;試驗(yàn)用到的儀器有精密數(shù)顯電導(dǎo)率儀DDS-11A(上海康寧電光技術(shù)有限公司),單相電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)C027124(奉化溪口三和電機(jī)廠),微型電泳儀JS94H(上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司)。
水煤漿的制備:將一定比例的試驗(yàn)煤樣與水混合,攪拌均勻,制得一定濃度的水煤漿。
電化學(xué)預(yù)處理:設(shè)定好溫度及攪拌的機(jī)械強(qiáng)度,將制備好的水煤漿與無機(jī)電解質(zhì)混合,邊攪拌邊對煤漿進(jìn)行電化學(xué)處理。
取干凈的稱量瓶,準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量并記錄,準(zhǔn)確稱取一定量的煤樣置于稱量瓶中,稍微搖晃將煤樣平鋪于稱量瓶底部,并記錄兩者的質(zhì)量總和,將稱量瓶去蓋后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥煤樣2 h,取出的稱量瓶蓋好蓋子置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫,再次稱量其質(zhì)量并記錄。在干燥2 h過程中,每隔15 min稱量一次,監(jiān)測煤樣質(zhì)量的變化。
電化學(xué)處理后的煤樣,攪拌均勻后倒入布氏漏斗進(jìn)行過濾,打開真空泵調(diào)節(jié)活塞至一定真空度,煤漿開始過濾,記錄濾液達(dá)到相同體積的時(shí)間間隔,繼續(xù)過濾,直至濾餅表面的水分消失,停止過濾,計(jì)算過濾速度。
礦漿pH通過LIDA型pH值計(jì)測定,將復(fù)合電極頭插入到攪拌均勻礦漿后,待讀數(shù)穩(wěn)定后,記錄電化學(xué)前后礦漿的pH值。
礦漿的電導(dǎo)率通過精密數(shù)顯電導(dǎo)率儀DDS-11A測定,將電導(dǎo)電極頭插入到攪拌均勻的礦漿中,排空氣泡后測定電導(dǎo)率,并記錄礦漿電化學(xué)處理前后的電導(dǎo)率值,測量3次求得平均值。
本文采用微型電泳儀JS94H電泳儀測定礦漿經(jīng)電化學(xué)處理后的zeta電位值。將礦漿與電解質(zhì)混合后,充分?jǐn)嚢?。測量時(shí),每個(gè)電化學(xué)處理后的樣品測量3次,求取測量的平均值。
本文選用的是辛置礦的焦煤,采用了3種不同價(jià)態(tài)的陽離子無機(jī)鹽對煤漿進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理,其對電化學(xué)預(yù)處理后煤樣的濾餅水分含量的影響如圖1所示。
圖1 不同價(jià)態(tài)電解質(zhì)預(yù)處理后對煤漿濾餅水分含量的影響
從圖1可以看出,電解質(zhì)NaCl處理后,濾餅水分含量隨電解質(zhì)含量的增加而增大,且過濾速度減緩;經(jīng)CaCl2處理煤泥后,濾餅水分含量先降低后輕微增加,當(dāng)電解質(zhì)濃度為2 000 g/t時(shí),濾餅水分含量最低;添加電解質(zhì)AlCl3后,濾餅水分含量先降低后增加,在電解質(zhì)濃度為500~3 000 g/t的范圍內(nèi),濾餅水分含量一直保持較低狀態(tài);這說明添加NaCl不利于濾餅水分含量降低,CaCl2和AlCl3的添加可以很好得降低濾餅水分含量,有利于細(xì)粒煤脫水。同時(shí),AlCl3本身就是一種很好得凝聚劑[5],可以捕獲大量的細(xì)粒煤顆粒,從而有助于細(xì)粒煤脫水。
從圖2可以看出,添加NaCl后,水煤漿過濾速度隨著電解質(zhì)濃度的增加而降低,過濾速度減慢,濾餅水分含量增加,不利于脫水;添加CaCl2后,濾餅過濾速度先增加后減小,當(dāng)電解質(zhì)濃度為500 g/t時(shí),過濾速度最大,濾餅水分含量也最低,利于細(xì)粒煤脫水;添加AlCl3后,過濾速度增加,且相比于其余2種電解質(zhì)的添加,濾餅過濾速度最快,隨著AlCl3濃度的增加,濾餅過濾速度有所降低,但依然比添加NaCl后的過濾速度要快,說明AlCl3的添加也是有利于煤漿的脫水。
圖2 不同價(jià)態(tài)電解質(zhì)預(yù)處理后對煤漿過濾速度的影響
從圖3可以看出,添加電解質(zhì)預(yù)處理后,礦漿的pH值發(fā)生明顯得降低,這是因?yàn)椋S著電解質(zhì)濃度的增加,電解過程中陽極發(fā)生反應(yīng)[5]:
圖3 不同價(jià)態(tài)電解質(zhì)預(yù)處理后對煤漿pH的影響
氫離子移向負(fù)極,氫氧根離子移向正極,并消耗了大量OH-,平衡向右移動(dòng),pH下降,溶液呈弱酸性。
從圖4可以看出,添加電解質(zhì)后,礦漿中離子數(shù)目隨著電解質(zhì)濃度的增加而不斷增大,導(dǎo)電性增強(qiáng),減小能耗,利于增大礦漿的電導(dǎo)率。
圖4 不同價(jià)態(tài)電解質(zhì)預(yù)處理后對煤漿電導(dǎo)率的影響
為了進(jìn)一步探究電解質(zhì)陽離子對細(xì)粒煤脫水的影響,測定了不同電解質(zhì)在預(yù)處理后細(xì)粒煤表面的zeta值,通過雙電層理論解釋了電解質(zhì)對細(xì)粒煤脫水影響的實(shí)質(zhì)。細(xì)粒煤表面zeta電位值如圖5所示。
圖5 不同價(jià)態(tài)電解質(zhì)濃度與電動(dòng)電位的關(guān)系
從圖5可知,添加電解質(zhì)后,zeta電位值隨著電解質(zhì)濃度的增加而增大,這是因?yàn)殡娊赓|(zhì)的加入壓縮了雙電層,使得細(xì)粒煤表面的zeta絕對值增加。Na離子的半徑較小,極化率較低,對zeta電位值影響較小,添加NaCl后的zeta電位值明顯高于未經(jīng)電解質(zhì)處理的煤樣,不利于細(xì)粒煤脫水;Ca2+和Al3+的加入都會使得雙電層厚度變薄,zeta電位值增大,其作用后濾餅水分含量均低于未添加電解質(zhì)的,利于細(xì)粒煤脫水。這是因?yàn)闊o機(jī)電解質(zhì)本來就是常用的凝聚劑[6],當(dāng)電解質(zhì)電離出來的離子與周圍顆粒所帶離子的電性相反,且隨著電離離子的價(jià)態(tài)的增加,凝聚作用越強(qiáng)。所以經(jīng)AlCl3預(yù)處理,細(xì)粒煤脫水效果強(qiáng)于其他電解質(zhì)。同樣,根據(jù)DLVO理論[5],正離子的加入使得體系中負(fù)離子的濃度增加,在反粒子靜電斥力作用下,正離子被迫擠進(jìn)吸附層,電荷被中和,水化膜消失,促進(jìn)了顆粒的凝聚,有利于細(xì)粒煤脫水。
1)添加無機(jī)鹽NaCl,濾餅水分含量較高,過濾速度減緩,不利于細(xì)粒煤脫水。
2)添加電解質(zhì)CaCl2和AlCl3后,濾餅水分含量降低,過濾速度增加,有利于細(xì)粒煤的脫水。
3)Na+半徑較小,極化率較小,對zeta的影響較小,而Ca2+和Al3+的添加使得雙電層厚度變薄,zeta電位值增大,利于細(xì)粒煤脫水。
4)無機(jī)電解質(zhì)本來就是常用的凝聚劑,當(dāng)電解質(zhì)電離出來的離子與周圍顆粒所帶離子的電性相反,且隨著電離離子的價(jià)態(tài)的增加,凝聚作用越強(qiáng),故經(jīng)AlCl3作用細(xì)粒煤脫水效果。