李家壕選煤廠煤泥水難沉降原因分析及試驗(yàn)研究

張錦龍，崔家畫

(1.國(guó)能包頭能源有限責(zé)任公司煤炭洗選中心 李家壕選煤廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

煤泥水是煤炭洗選加工過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)污水，直接外排不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致水資源和煤炭資源的浪費(fèi)，因此選煤廠洗水要進(jìn)行閉路循環(huán)[1]。煤泥水處理是選煤廠問題最多、最難解決的工藝環(huán)節(jié)，其工作效果的好壞直接影響其他作業(yè)的效果[2]。隨著采煤機(jī)械化的發(fā)展，開采出的原煤質(zhì)量下降，矸石含量增大，矸石中不乏粘土類礦物，如高嶺石、蒙脫石和伊利石等[3，4]。這類礦物在煤炭洗選過(guò)程中易泥化為極細(xì)的顆粒，并且這些顆粒在水中呈現(xiàn)出分散性好、高負(fù)電性等性質(zhì)[5]，不易自發(fā)凝聚進(jìn)行沉降。

目前，選煤廠多添加絮凝劑和凝聚劑加速煤泥水沉降濃縮。絮凝劑多使用聚丙烯酰胺，凝聚劑使用聚合氯化鋁[6]。但是聚丙烯酰胺根據(jù)其離子特性可分為陽(yáng)離子型(CPAM)、陰離子型(APAM)和非離子型(NPAM)，不同類型的聚丙烯酰胺對(duì)煤泥水的作用效果不同[7]。文章以李家壕選煤廠難沉降煤泥水作為研究對(duì)象，分析李家壕煤泥水難沉降的原因，并使用不同類型的聚丙烯酰胺作為絮凝劑和不同鹽類作為凝聚劑進(jìn)行沉降試驗(yàn)研究。

1 難沉降原因分析

1.1 粘土礦物高嶺石的影響

圖1所示為李家壕選煤廠煤泥顆粒的XRD測(cè)試圖譜。

煤泥中的礦物組成主要是高嶺石和石英(圖1)。高嶺石為層狀硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)單元層由一硅氧四面體和一鋁氧八面體組成，遇水極易泥化分散為細(xì)顆粒。高嶺石和石英顆粒在水中表面負(fù)電性強(qiáng)，煤泥水中顆粒表面帶相同性質(zhì)的電荷，顆粒間的靜電斥力使得顆粒難以聚團(tuán)沉降，導(dǎo)致煤泥水沉降困難[8-12]。

1.2 煤泥顆粒粒度的影響

表1所示為李家壕煤泥樣品的粒度組成。從表1看出，小于0.045 mm粒級(jí)的產(chǎn)率為77.10%，小于0.074 mm粒級(jí)的產(chǎn)率為86.34%，并且隨著粒度變細(xì)，煤泥灰分顯著增加，結(jié)合煤泥的礦物組成可知高嶺石發(fā)生了泥化。

圖1 煤泥XRD測(cè)試圖譜

圖2所示為李家壕煤泥中小于0.074 mm粒級(jí)顆粒的激光粒度組成，其中小于0.010 mm粒級(jí)的顆粒含量約為40%，細(xì)顆粒含量極高。顆粒在自由沉降條件下滿足Stokes定律，顆粒粒度越細(xì)，沉降速度越慢[13-15]。

李家壕煤泥水細(xì)顆粒含量高，這部分細(xì)顆粒不易自發(fā)沉降，同時(shí)，因煤泥中顆粒表面帶電，也不易自發(fā)凝聚形成絮團(tuán)沉降。

表1 煤泥粒度組成

圖2 -0.074 mm煤泥激光粒度組成

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

(1)試驗(yàn)樣品：試驗(yàn)用煤泥水樣品來(lái)自李家壕選煤廠濃縮機(jī)入料煤泥水，煤泥灰分為26.36%，煤泥水濃度為13.07 g/L。

(2)試驗(yàn)藥劑：① 絮凝劑，分別使用分子量為1 000萬(wàn)、1 200萬(wàn)和1 600萬(wàn)的陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)，分子量為1 000萬(wàn)、1 400萬(wàn)和1 800萬(wàn)的非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)，離子度為10%～20%、30%～60%和70%～80%的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺(CPAM)作為絮凝劑，配置藥劑濃度0.1%。② 凝聚劑，分別使用氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋁、氯化鐵和聚合氯化鋁作為凝聚劑，配置藥劑濃度為1%。

2.2 試驗(yàn)方法

煤泥水沉降試驗(yàn)：參照標(biāo)準(zhǔn)GB /T 26919—2011 《選煤廠煤泥水自然沉降試驗(yàn)方法》和MT 190—1988 《選煤廠煤泥水沉降試驗(yàn)方法》進(jìn)行煤泥水沉降試驗(yàn)。

Zeta電位測(cè)試：采用Zetasizer Nano ZS90電位儀對(duì)不同離子度條件下的懸浮液進(jìn)行Zeta電位測(cè)量。每個(gè)樣品循環(huán)測(cè)3次，結(jié)果取平均值。

2.3 試驗(yàn)儀器

英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Zetasizer Nano ZS90納米粒度和Zeta電位儀和上海雷磁WZS-186濁度計(jì)等，250 mL沉降柱和秒表等。

3 結(jié)果與討論

3.1 絮凝劑種類和用量對(duì)煤泥水沉降的影響

不同分子量的APAM和NPAM以及不同離子度CPAM為煤泥水沉降絮凝劑，添加量分別為0.6 g/m3、1.2 g/m3、2.4 g/m3、3.6 g/m3、4.8 g/m3和7.2 g/m3進(jìn)行煤泥水沉降試驗(yàn)，添加藥劑后沉降柱上下翻轉(zhuǎn)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3中(a)、(b)看出，添加陰離子型聚丙烯酰胺的煤泥水沉降速度為零，煤泥水沉降后濁度變化較小，煤泥水基本未發(fā)生沉降；添加CPAM和NPAM，隨著用量的增加，煤泥水沉降速度逐漸變快，沉降后濁度呈下降趨勢(shì)；使用CPAM作為絮凝劑，在添加量較小時(shí)沉降速度慢、澄清區(qū)濁度較高，沉降效果不佳；相同用量下，添加NPAM的沉降速度大于添加CPAM的沉降速度大于添加APAM的沉降速度，添加的NPAM分子量越高，沉降速度越快，濁度也越低。

試驗(yàn)結(jié)果表明：聚丙烯酰胺種類和用量對(duì)煤泥水沉降效果有顯著的影響。如圖3(c)反映了不同類型聚丙烯酰胺在不同用量下的煤泥水沉降后Zeta電位變化。煤泥顆粒表面帶負(fù)電且電位值較高，而APAM的分子鏈上的活性基團(tuán)帶負(fù)電，與帶負(fù)電的煤泥顆粒有排斥力，煤泥顆粒不易與APAM發(fā)生吸附形成絮團(tuán)進(jìn)行沉降。CPAM能有效降低煤泥顆粒的Zeta電位值，CPAM分子鏈含有帶正電的活性基團(tuán)，容易與表面帶負(fù)電的煤泥顆粒表面發(fā)生吸附，在架橋作用下形成絮團(tuán)進(jìn)而沉降。CPAM的離子度越高，分子鏈中帶正電基團(tuán)的數(shù)量越多，易對(duì)煤泥顆粒形成包裹，同時(shí)鏈長(zhǎng)變短，形成的絮團(tuán)較小，影響煤泥水的沉降。NPAM 能夠降低煤泥顆粒表面的Zeta電位值，可以與帶負(fù)電的煤泥顆粒發(fā)生吸附，在架橋作用下形成大絮團(tuán)進(jìn)行沉降，煤泥水沉降速度快，澄清區(qū)濁度較低。

圖3 絮凝劑種類和用量對(duì)煤泥水沉降的影響

3.2 凝聚劑種類和用量對(duì)煤泥水沉降的影響

分別添加氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鐵、氯化鋁和聚合氯化鋁作為凝聚劑，添加量分別為6 g/m3、12 g/m3、24 g/m3、36 g/m3、48 g/m3、72 g/m3，添加凝聚劑后將沉降柱上下翻轉(zhuǎn)10次，然后添加用量為2.4 g/m3的1 800萬(wàn)分子量的NPAM作為絮凝劑并上下翻轉(zhuǎn)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

如圖4(a)和圖4(b)所示，添加凝聚劑后，較不添加凝聚劑時(shí)煤泥水沉降速度變快，沉降后濁度隨著用量增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。添加的凝聚劑為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、氯化鐵和氯化鋁時(shí)，煤泥水沉降后的濁度較高，添加聚合氯化鋁時(shí)煤泥水沉降后濁度較低。

圖4中(a)和(b)看出，添加凝聚劑后，較不添加凝聚劑時(shí)煤泥水沉降速度變快，沉降后濁度隨著用量增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。添加的凝聚劑為氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、氯化鐵和氯化鋁時(shí)，煤泥水沉降后的濁度較高，添加聚合氯化鋁時(shí)煤泥水沉降后濁度較低。

圖4 凝聚劑種類和用量對(duì)煤泥水沉降的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：凝聚劑種類和用量是影響煤泥水沉降效果的重要因素。作為凝聚劑的金屬陽(yáng)離子鹽的陽(yáng)離子價(jià)態(tài)越高，對(duì)煤泥水沉降后濁度的影響越大。如圖4(c)所示，Na+、K+、Mg2+、Al3+、Fe3+等離子的價(jià)態(tài)越高，降低Zeta電位的效果越明顯。凝聚劑能壓縮顆粒表面的雙電層，減小顆粒間的斥力，可以使顆粒發(fā)生凝聚形成凝聚體，在絮凝劑的作用下，加速煤泥顆粒的沉降。與氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鐵和氯化鋁相比，聚合氯化鋁作為凝聚劑時(shí)煤泥水沉降效果較好，沉降速度快，澄清區(qū)濁度低，并能更加顯著地降低煤泥顆粒的Zeta電位。

3.3 藥劑混合對(duì)煤泥水沉降的影響

藥劑與煤泥水的混合影響著煤泥水的沉降效果，先添加用量為12 g/m3的聚合氯化鋁作為凝聚劑，將沉降柱上下分別翻轉(zhuǎn)0次、5次、10次、15次、20次、25次，然后添加用量為2.4 g/m3分子量為1 800萬(wàn)的NPAM作為絮凝劑，再次將沉降柱上下分別翻轉(zhuǎn)0次、5次、10次、15次、20次、25次，以翻轉(zhuǎn)次數(shù)確定煤泥水和藥劑的不同混合時(shí)間，翻轉(zhuǎn)時(shí)氣泡從沉降柱底部完全浮到頂部時(shí)為1次翻轉(zhuǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 翻轉(zhuǎn)次數(shù)對(duì)煤泥水沉降的影響

從圖5看出，隨著翻轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，煤泥水沉降后的濁度先快速減小后趨于平緩，煤泥水的沉降速度先快速增大后逐漸減小。煤泥水要想獲得好的沉降效果，必須要將煤泥水和藥劑進(jìn)行一定程度的混勻。混合時(shí)間太短，煤泥水和藥劑未混合均勻，煤泥水沉降速度慢，沉降后澄清區(qū)濁度高?；旌蠒r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，煤泥水和藥劑進(jìn)行了充分的混合，但在翻轉(zhuǎn)混合的過(guò)程中，絮團(tuán)發(fā)生破碎并不再重組，絮團(tuán)變小，沉降速度變慢，對(duì)煤泥水沉降不利。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)李家壕選煤廠煤泥水難沉降的主要原因是：細(xì)粒級(jí)的煤泥顆粒含量高，并且煤泥存在易泥化的高嶺石顆粒，這些顆粒粒度細(xì)、分散性好、表面負(fù)電性強(qiáng)，不易自發(fā)凝聚形成絮團(tuán)進(jìn)行沉降。

(2)高分子量的NPAM和聚合氯化鋁適合作

為李家壕選煤廠難沉降煤泥水的藥劑，組合使用煤泥水沉降速度快，沉降后澄清區(qū)濁度低。

(3)沉降過(guò)程中，煤泥水和藥劑必須進(jìn)行一定程度的混合，藥劑混合不勻會(huì)導(dǎo)致沉降效果變差。