平板陶瓷膜處理選煤廠煤泥水的試驗探索

杜振寶

(1.中國煤炭加工利用協(xié)會，北京 100013；2.北京《煤炭加工與綜合利用》雜志社有限公司，北京 100011)

目前我國原煤入選率超過了70%，其中除小部分采用干法分選工藝外，大部分采用濕法分選工藝。選煤廠分選工藝環(huán)節(jié)主要由塊煤分選、粗煤泥分選、細粒煤泥浮選、煤泥水處理等組成。目前絕大多數(shù)選煤廠都實現(xiàn)了選煤廠洗水閉路循，但煤泥水處理是選煤廠必不可少的環(huán)節(jié)，處理效果直接影響分選效率。

1 傳統(tǒng)的煤泥水處理工藝

目前，選煤廠對煤泥水的處理主要采用混凝沉淀法+壓濾處理法，根據(jù)最終進入沉淀池水質(zhì)的參數(shù)和溢流水水質(zhì)的要求，采用不同深度處理方法后回用?；炷ǖ幕驹硎窃谶M入沉淀池的煤泥水中投入絮凝劑，因絮凝劑為電解質(zhì)，在煤泥中里形成膠團，與煤泥水中的膠體物質(zhì)發(fā)生電中和，形成絨粒沉降。在絮凝劑的作用下，使煤泥水中的膠體和細微懸浮物凝聚成絮凝體，然后沉淀。高濃度的沉淀物進入壓濾環(huán)節(jié)，通過強力壓榨去除水分，形成含水率低的煤泥濾餅排放。沉淀池溢流水和壓濾機濾液水仍有一定的濃度。

1.1 煤泥水濃縮

在選煤廠生產(chǎn)過程中煤泥處理的重要工藝環(huán)節(jié)是煤泥水的分級、濃縮和澄清作業(yè)。但是由于各個選煤廠的原煤性質(zhì)不同，生產(chǎn)工藝不同，生產(chǎn)用水的水質(zhì)不同，最終造成各個選煤廠的煤泥水特性不同，導致每個選煤廠的濃縮作業(yè)工藝和設備選擇不同。但是，目前所有選煤廠的煤泥水濃縮作業(yè)環(huán)節(jié)的目的和所采用的原理是相同的，都是為了讓煤泥水中的固體物質(zhì)聚集，最終形成高濃度的固液沉積物，液體最終處理成為清液排出。

選煤廠中常見的煤泥水濃縮沉降設備主要有沉淀池、濃縮漏斗、深錐濃縮機、斜管沉淀池、角錐沉淀池、耙式濃縮機等濃縮設備，目前在現(xiàn)場應用較多的仍以耙式濃縮機為主。耙式濃縮機的工作原理仍然是以煤泥水中的固體顆粒自由沉降為主，在絮凝劑的作用下，加速固體顆粒的沉降，整個濃縮澄清過程沒有考慮水的因素，以固體顆粒自身的重力完成。圖1中A和E是濃縮后的產(chǎn)物，A是澄清液，濃度合格后返回工廠做循環(huán)水使用，E是高濃度煤泥水，經(jīng)渣漿泵給入壓濾機或過濾機進行進一步的脫水后形成最終產(chǎn)品。B、C、D三個區(qū)域是煤泥水中固體顆粒沉降區(qū)，由自由沉降至干擾沉降，最后是絮團沉降。[1]

圖1 傳統(tǒng)濃縮設備工作原理示意圖

選煤廠生產(chǎn)中煤泥水濃度通常采用固體質(zhì)量百分數(shù)(百分比濃度)表示，既煤泥水中固體煤泥質(zhì)量占煤泥水總質(zhì)量的百分數(shù)，常用C表示。

式中，T為煤泥水中固體煤泥質(zhì)量，g；W為煤泥水中水的質(zhì)量，g；Q為煤泥水總質(zhì)量，g，Q=T+W。

由式(1)及圖1可以看出，傳統(tǒng)煤泥水濃縮作業(yè)使煤泥濃度增加是以T值增大為主，在E區(qū)T達到最高峰，最終卸料口排出的高濃度物料是濃縮作業(yè)的最后產(chǎn)物。

1.2 傳統(tǒng)煤泥水濃縮環(huán)節(jié)存在的問題

傳統(tǒng)的煤泥水濃縮環(huán)節(jié)是利用煤泥水的固體顆粒自然沉降來完成濃縮澄清作業(yè)的，固體顆粒自身的物理特性對整個作業(yè)環(huán)節(jié)完成的效率具有直接影響，大部分選煤廠的濃縮作業(yè)都需要添加藥劑，加速整個濃縮作業(yè)的完成，同時保證連續(xù)作業(yè)，有些現(xiàn)場為了保證澄清液作為循環(huán)水使用，需要在濃縮環(huán)節(jié)添加其他輔助藥劑。

采用傳統(tǒng)煤泥水處理作業(yè)工藝的設備都具有明顯缺點：占地面積大、工藝運行復雜(需要投加藥劑)、管線較長、運行費用高、投資成本高(需要土建)、需要足夠的顆粒停留時間、水量的不穩(wěn)定性直接影響混凝效果，另外在北方地區(qū)還需考慮冬季保溫。

2 陶瓷膜

膜分離技術(shù)已被國際上歸入21世紀最具應用前景的高新技術(shù)行列，而陶瓷膜是膜技術(shù)的佼佼者，陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，20世紀80年代初期成功地在法國的奶業(yè)和飲料業(yè)推廣應用后，陶瓷膜分離技術(shù)和產(chǎn)業(yè)地位逐步確立。我國陶瓷膜的研究始于20世紀80年代初，進入90年代，原國家科委對無機陶瓷膜的工業(yè)化技術(shù)組織了科技攻關(guān)，推進了陶瓷微濾膜的工業(yè)化進程。國家“863”計劃也將“無機分離催化膜”項目列入其中[2]。

陶瓷膜主要分為平板、管式和多通道3種，管式膜由于其能耗成本高，運行復雜，大規(guī)模工業(yè)應用有一定的困難。而平板陶瓷膜以其過濾面積大、水通量大、化學穩(wěn)定性好、易于清洗再生、耐酸堿、耐高溫、抗微生物能力強、分離穩(wěn)定性高、機械強度大、使用壽命長等優(yōu)勢被廣泛應用。

2.1 處理煤泥水用陶瓷膜

選煤廠煤泥水具有其自身的特性，首先是量大，入選量1 000 t/h的選煤廠每小時需要處理的煤泥水量就達幾千立方米；其次，組成復雜，不僅固體顆粒組成復雜，而且液體組成也復雜。固體中的煤粉顆粒大小、表面性質(zhì)、硬度等指標都不是穩(wěn)定不變的；液體中不僅有水，還有各類油脂和生產(chǎn)中添加的其他藥劑。本次試驗采用大通量、高強度平板陶瓷膜，支撐體采用氧化鋁固態(tài)粒子燒結(jié)法制備，固態(tài)粒子燒結(jié)法是將氧化鋁粉料微小顆粒與適當?shù)慕橘|(zhì)混合分散成穩(wěn)定的懸浮液，成型后制成生坯，干燥后經(jīng)高溫(1 000～1 800 ℃)燒結(jié)處理得到陶瓷支撐體[3]。支撐體采用擠出成型法制造，即將煉好的塑性泥料放入螺桿擠出機中，在壓力作用下泥料經(jīng)過擠出頭模具時被擠壓成型。通過空心設計，可擠出多個流體通道管，如圖2所示。

圖2 平板陶瓷膜支撐體結(jié)構(gòu)

膜孔主要是由很多粒子團聚后，在粒子之間形成的孔隙，因此孔結(jié)構(gòu)(孔徑、孔隙率)受顆粒三維空間的幾何分布或顆粒自身的幾何尺寸影響。在研究中總是理想化地把原料顆?？闯汕蛐蔚模匆?guī)則堆積方式有不同的氣孔率。當骨料為準球形顆粒時，孔徑與骨料粒度的關(guān)系可由下式表示：d=0.154D，式中d為孔徑，nm；D為骨料粒度，nm。但實際上粉體堆積并不規(guī)則，對于等徑球的不規(guī)則堆積，其氣孔率只與堆積方式有關(guān)，而與顆粒大小無關(guān)，其對應關(guān)系可按下述公式計算ε=1.072-0.1193n+0.00431n2，式中ε為氣孔率，%；n為平均配位數(shù)。對制作完成的支撐體噴涂特殊配置的分離膜層，噴涂完成后再經(jīng)過高溫燒結(jié)(1 000～1 800 ℃)形成100 nm孔徑的分離膜層，如圖3所示。

圖3 平板陶瓷膜結(jié)構(gòu)組成

2.2 陶瓷膜處理煤泥水工作原理

選煤廠煤泥水濃縮作業(yè)的主要目的是為下一環(huán)節(jié)的壓濾機、過濾機等脫水設備提供高濃度的入料，同時產(chǎn)生的澄清液能夠作為循環(huán)水使用。陶瓷膜替代傳統(tǒng)濃縮設備處理煤泥水其工作原理是通過負壓降水透過陶瓷膜吸出，吸出的水中固體顆粒不大于陶瓷膜的孔徑。其與傳統(tǒng)煤泥水作業(yè)的不同在于無需考慮固體顆粒的性質(zhì)，只考慮液體的性質(zhì)，在盛滿煤泥水的容器中隨著液體的減少所余下的煤泥水的濃度自然會增加，當濃度滿足了下一個作業(yè)環(huán)節(jié)所需求的濃度時濃縮作業(yè)就完成了。而且通過陶瓷膜過濾后產(chǎn)生的水中固體顆粒直徑不大于陶瓷膜，其濃度滿足循環(huán)水水質(zhì)要求，整個濃縮澄清作業(yè)就達到了生產(chǎn)的要求。

由圖4和式(1)可以看出，采用平板陶瓷膜濃縮煤泥水過程中是使W減小的過程，隨著W值的減小，C值增大，最終滿足濃縮的目的，形成高濃度的煤泥水物料；而澄清液則是通過陶瓷膜的過濾，最終形成濃度極低的澄清液，滿足生產(chǎn)用循環(huán)水的要求。

圖4 膜池工作示意

2.3 試驗設計

平板陶瓷膜濃縮作業(yè)試驗系統(tǒng)平臺構(gòu)成：一片平板陶瓷膜，有效過濾面1 m2，陶瓷膜孔徑100 nm，凈水通量700 L/(m2·h)，運行壓力-0.02～-0.08 MPa，適用pH范圍2～12，工作溫度不大于65 ℃，100 nm以上粒子攔截率不小于99%，主要設備包括曝氣風機、水泵、反洗泵、出水流量及反洗流量計、膜池、產(chǎn)水箱、正負壓力表、管閥配件等。本次試驗選取的煤泥水濃度為80 g/L，試驗目的是記錄平板陶瓷膜處理該濃度下煤泥水單位面積處理量以及出水水質(zhì)。

具體試驗步驟：首先將平板陶瓷膜放置在膜池中并固定，然后連接供水泵、反洗泵、曝氣風機及管路閥門與計量儀表。打開閥門，將煤泥水勻速供到膜池中，當平板陶瓷膜完全沉浸在液體中時打開水泵，在負壓的作用下水通過陶瓷膜的孔徑流出生成澄清液，澄清液由管路導流至循環(huán)水池，固體顆粒則被阻擋在陶瓷膜外。計量儀表記錄液體流量，第一次記錄時間，當出水量減小時關(guān)閉水泵，打開反洗泵，將膜表面附著的固體顆粒沖洗掉，再次記錄時間，關(guān)閉反沖洗泵，再打開水泵繼續(xù)抽取液體。試驗過程中監(jiān)測抽出澄清液的濃度。

2.4 試驗結(jié)果

試驗過程中2 min記錄一次累積產(chǎn)水量，20 min反洗一次，每次反洗30 s，共記錄2 400組數(shù)據(jù)，表1所列數(shù)值均為平均值。

表1 陶瓷膜濃縮系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場試驗情況及數(shù)據(jù)表明，平板陶瓷膜在選煤廠煤泥水濃縮作業(yè)環(huán)節(jié)具有明顯的效果，運行初始壓力在-0.046 MPa，1 h后壓力最高到-0.067 MPa，瞬時通量有所偏差，但變化量不大(瞬間的變化是由來料不均勻性導致)，陶瓷膜反洗后初始運行壓力有所跳動，但維持在允許范圍內(nèi)，反沖水后通過量明顯增加，因為水中含有一定油脂，對陶瓷膜的處理量有一定的影響。出水水質(zhì)能夠完全達到選煤廠循環(huán)用水要求。根據(jù)GBT 35051—2018《選煤廠洗水閉路循環(huán)等級》標準所述，選煤廠洗水閉路循環(huán)分為三個等級，最高位一級，其中一級對選煤廠洗水的要求是主選工藝為重介選煤的洗水濃度不大于0.5 g/L，主選工藝為跳汰選煤的洗水濃度不大于5 g/L[4]。本次試驗通過陶瓷膜處理過后的循環(huán)水濃度為0.0028 g/L，完全滿足一級洗水閉路循環(huán)的要求。

3 結(jié) 論

選煤廠的煤泥水處理系統(tǒng)是選煤廠運轉(zhuǎn)好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)選煤廠煤泥水處理系統(tǒng)中的濃縮澄清作業(yè)環(huán)節(jié)具有投資大，設備占地面積大，耗電量高，同時還需要添加藥劑，最為難以控制的是煤泥水中固體顆粒的性質(zhì)變化隨時會影響濃縮與澄清的效果，煤泥的沉降特性改變之后如果添加藥劑仍不能達到作業(yè)要求，則需要擴建濃縮池，大大增加了生產(chǎn)成本。

通過本次試驗可以發(fā)現(xiàn)，采用平板陶瓷膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耙式濃縮機對煤泥水進行濃縮處理是可以滿足生產(chǎn)要求的。根據(jù)選煤廠場地大小，平板陶瓷膜可做成不同大小的膜組，占地面積小于耙式濃縮機，而且不需要土建，只需要一個水箱體，運行電耗低，最大的優(yōu)勢是不需要添加任何藥劑，循環(huán)的濃度低，指標遠超選煤廠一級洗水標準。另外，在煤泥水濃縮過程中，無需過多考慮煤泥顆粒的沉降性，煤泥顆粒本身物理性質(zhì)的改變對濃縮作業(yè)的完成影響不大，整個作業(yè)環(huán)節(jié)還易于實現(xiàn)智能化控制。