無(wú)機(jī)鹽類助濾劑在煤泥壓濾中的應(yīng)用研究

譚興富，盧 軍

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，河南省平頂山市，467000)

0 引言

隨著采煤工藝流程的不斷完善與大型化機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，井下采煤作業(yè)不斷深入，而井下煤層的厚度減小、地質(zhì)條件變化、斷層嚴(yán)重，導(dǎo)致在原煤開(kāi)采時(shí)混入大量的頂?shù)装迥鄮r，致使原煤中脈石礦物含量大幅增加[1-3]，在選煤過(guò)程中，機(jī)械化生產(chǎn)導(dǎo)致的過(guò)粉碎等現(xiàn)象導(dǎo)致煤泥量增多，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重[4-5]。這不僅不符合綠色生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，還使壓濾機(jī)的處理能力明顯降低，濾餅水分也明顯升高，此類情況的不斷出現(xiàn)給煤炭的清潔生產(chǎn)帶來(lái)很大困難，已成為選煤生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題[6-7]。煤泥壓濾脫水是煤泥水處理工藝中的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)煤泥產(chǎn)品以及選煤工藝循環(huán)用水的質(zhì)量影響至關(guān)重要[8-9]。另外，煤泥量的增加也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此有效改善細(xì)粒煤泥的分選及選煤工藝用水的循環(huán)利用問(wèn)題，對(duì)選煤企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效益、高環(huán)保生產(chǎn)具有十分重要的意義。

當(dāng)煤泥水中含有大量高灰、細(xì)粒煤泥時(shí)，煤泥顆粒表面會(huì)帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷，顆粒之間很難聚集，導(dǎo)致壓濾循環(huán)時(shí)間變長(zhǎng)，濾餅水分增高，使得煤泥的壓濾處理變得非常困難[10-12]。而助濾劑能夠在不改動(dòng)現(xiàn)有工藝流程的前提下，有效改善物料性質(zhì)、提高壓濾效率并降低濾餅水分，這是解決壓濾困難、完善煤泥水系統(tǒng)、增加經(jīng)濟(jì)效益的途徑之一[13-17]。然而，藥劑的不合理使用也可能會(huì)造成藥劑的浪費(fèi)，已有研究表明，過(guò)多的助濾劑添加也會(huì)導(dǎo)致助濾效果下降，從而增加企業(yè)成本。因此，選用合適的助濾劑種類及用量至關(guān)重要[18-20]。研究表明，無(wú)機(jī)鹽類助濾劑在礦漿中使用會(huì)在解離作用下產(chǎn)生大量離子，其對(duì)顆粒的電性具有中和作用，減小了其分散斥力，減弱了水分子與礦物顆粒之間的作用力，增大絮團(tuán)粒徑，降低濾餅松散性，從而更易于脫水，其在降低濾餅水分和提高過(guò)濾速度上均顯現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)[21-23]。且該方法具有簡(jiǎn)單方便、投資少、見(jiàn)效快、節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)現(xiàn)階段節(jié)能降耗的基本政策[24-25]。

筆者針對(duì)安徽省兩淮地區(qū)的煤泥進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并使用無(wú)機(jī)鹽類助濾劑進(jìn)行了過(guò)濾脫水試驗(yàn)研究和工藝性試驗(yàn)，旨在優(yōu)選無(wú)機(jī)鹽類助濾劑的種類與用量，以期為選煤廠煤泥脫水藥劑的使用提供參考。

1 煤泥特性分析

對(duì)壓濾入料的主要礦物成分、粒度組成等特性進(jìn)行分析研究，全面掌握細(xì)粒煤泥的特性，可以為篩選最優(yōu)藥劑制度，提高細(xì)粒煤泥壓濾效果提供可靠的理論依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到提高細(xì)粒煤泥壓濾效率、降低濾餅水分的目的。本研究使用的原料選用兩淮地區(qū)淮南礦業(yè)集團(tuán)選煤分公司顧橋選煤廠(以下簡(jiǎn)稱“顧橋選煤廠”)選煤廠二段濃縮機(jī)底流的礦漿進(jìn)行壓濾試驗(yàn)回收煤泥，煤泥粒度為-0.3 mm，礦漿濃度為400 g/L。

1.1 礦物組成分析

對(duì)試驗(yàn)煤樣采用X射線衍射儀(日本島津XRD-6000)進(jìn)行了檢測(cè)，并使用Jade軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行礦物組成分析，煤樣X(jué)RD分析如圖1所示。

圖1 煤樣X(jué)RD分析

由圖1可以看出，壓濾入料礦漿中主要礦物成分包含石英、高嶺石與綠泥石。其中石英與高嶺石具有較高的衍射峰強(qiáng)度，表明在煤樣中含有較多且晶體較純的石英和高嶺石礦物；而綠泥石的衍射強(qiáng)度弱且衍射峰較寬，表明其含量較少。研究表明，石英在礦漿中較寬的pH范圍內(nèi)都表現(xiàn)為強(qiáng)親水性，因此石英微細(xì)顆粒表面水化膜的作用較強(qiáng)，導(dǎo)致微細(xì)顆粒聚集困難、壓濾速度降低、濾餅水分增大[26]。而高嶺石這類黏土礦物由于其潤(rùn)濕熱值高以及其會(huì)在煤粒表面發(fā)生罩蓋現(xiàn)象，導(dǎo)致煤泥的吸水性增強(qiáng)，水分難以脫除[27]。

1.2 粒度分析

對(duì)壓濾入料煤泥的粒度組成根據(jù)《煤粉篩分試驗(yàn)方法》(GB/T19093-2003)進(jìn)行了小篩分試驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤泥小篩分試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)-0.045 mm的篩分煤樣使用的激光粒度分析儀(島津SALD-7101型)進(jìn)行粒度分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 -0.045 mm粒級(jí)煤泥激光粒度分析

由表1與圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知，-0.045 mm級(jí)別的細(xì)粒級(jí)顆粒含量高達(dá)80.10%，煤樣的粒度主要分布在5×10-3～3×10-2mm范圍內(nèi)，且煤泥灰分較高，屬高灰微細(xì)粒級(jí)煤泥。在煤泥中，小粒度顆粒形成的濾餅孔隙率較小，增加了過(guò)濾阻力，進(jìn)而導(dǎo)致其滲透性變差，壓濾效果不理想[28]。而細(xì)粒物料的比表面積較大，因此其形成水化膜更容易，濾餅的水分更高。形成的濾餅還會(huì)粘附在濾布上，甚至堵塞入料中心孔。因此，在過(guò)濾如料中加入適當(dāng)?shù)乃巹┛梢源偈沟V漿中產(chǎn)生絮團(tuán)，進(jìn)而增大粒度有效提高壓濾效果。

1.3 荷電特性分析

采用Zeta probe儀對(duì)壓濾入料煤泥水的電導(dǎo)率與ξ電位進(jìn)行分析測(cè)定得出，試驗(yàn)用煤泥的電導(dǎo)率大于2 ms/cm，ξ電位小于-65 mV，這導(dǎo)致煤泥顆粒與顆粒之間具有較大的靜電斥力，從而難以聚集成大顆粒。

綜上所述，本研究中選用的煤樣由于灰分高、粒徑小、荷電性強(qiáng)而導(dǎo)致煤泥含有較高的水分，難以很好的從煤泥產(chǎn)品中脫除，因此為提高煤泥壓濾效率、降低濾餅水分，需加入助濾劑以強(qiáng)化壓濾過(guò)程。

2 藥劑優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本研究中選用試劑級(jí)氯化鈣、聚氯化鋁、硫酸鋁、硫酸鐵鋁、明礬作為無(wú)機(jī)助濾劑加入壓濾入料中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)藥劑及性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)藥劑及性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)裝置

本研究在實(shí)驗(yàn)室使用布濾紙、氏漏斗、錐形玻璃瓶、皮管及真空泵組成簡(jiǎn)易抽濾裝置，試驗(yàn)在室溫(25±1 ℃)下進(jìn)行，每次試驗(yàn)抽濾的真空度保持不變，實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾裝置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾裝置

2.3 試驗(yàn)步驟

(1)助濾劑的配制。在500 mL燒杯中加入預(yù)先計(jì)算稱量好的助濾劑和300 mL水，使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，直至助濾劑完全溶解。

(2)抽濾試驗(yàn)。將煤樣量取100 mL至燒杯中，使用注射器將助濾劑一次性加入煤泥水中。用玻璃棒進(jìn)行攪拌，使煤泥水與藥劑充分接觸。將加藥后的煤泥水倒入真空過(guò)濾器的布氏漏斗中，開(kāi)啟真空過(guò)濾器并開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)漏斗下的濾液量達(dá)到90 mL時(shí)關(guān)閉真空過(guò)濾器，記錄過(guò)濾所用時(shí)間。取出布氏漏斗中的濾餅，對(duì)干濾餅稱重并計(jì)算濾餅水分，以評(píng)定過(guò)濾效果。每種助濾劑進(jìn)行5次平行試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果求平均值以減小誤差，同時(shí)設(shè)置空白組進(jìn)行對(duì)照。

3 結(jié)果與討論

3.1 無(wú)機(jī)鹽助濾劑種類對(duì)過(guò)濾時(shí)間的影響

對(duì)5種無(wú)機(jī)鹽助濾劑對(duì)煤泥過(guò)濾的過(guò)濾時(shí)間進(jìn)行記錄，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 助濾劑用量對(duì)過(guò)濾時(shí)間的影響

由圖4可以看出，在不添加助濾劑時(shí)，過(guò)濾時(shí)間為20.83 min。選用的5種無(wú)機(jī)鹽類助濾劑對(duì)過(guò)濾速度的提高都有較好的效果，隨著助濾劑用量的增加，過(guò)濾時(shí)間不斷減少。各助濾劑在用量達(dá)到900 g/m3后，與不加助濾劑的空白試驗(yàn)相比都能降低過(guò)濾時(shí)間40%以上，均可滿足生產(chǎn)需要。且過(guò)濾時(shí)間滿足硫酸鐵鋁>明礬>氯化鈣>硫酸鋁>聚氯化鋁的關(guān)系，因此聚氯化鋁對(duì)于提升過(guò)濾速度的效果最好。

3.2 無(wú)機(jī)鹽助濾劑種類對(duì)濾餅水分的影響

對(duì)煤泥水不添加助濾劑，即藥劑用量為0時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，濾餅全水分為35.56%。煤泥水中各種助濾劑用量均為900 g/m3時(shí)都已滿足生產(chǎn)需要，因此對(duì)添加不同無(wú)機(jī)鹽助濾劑用量為900 g/m3的濾餅水分進(jìn)行對(duì)比分析如圖5所示。

由圖5可以看出，在煤泥水中使用聚氯化鋁為助濾劑時(shí)，濾餅的水分最低，為30.15%。綜合考慮藥劑成本與過(guò)濾效果可知，使用聚氯化鋁對(duì)于提升過(guò)濾速度的效果最好，在助濾劑添加量為900 g/m3時(shí)，煤泥脫水時(shí)間比空白組方案減少8.43 min，煤泥含水率減少5.14%。因此，建議選擇的助濾劑為聚氯化鋁。

圖5 使用不同種類助濾劑時(shí)濾餅的水分

3.3 過(guò)濾效果驗(yàn)證

對(duì)添加不同助濾劑后的濾餅斷面使用S-3000N型掃描電鏡(SEM)在80倍放大倍率下進(jìn)行觀察記錄，掃描電鏡圖像如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)不添加助濾劑進(jìn)行過(guò)濾時(shí)，煤泥的細(xì)小顆粒緊密粘在一起，濾餅內(nèi)的孔隙小、孔隙度低，形成的濾餅緊密，不利于水分的濾除。對(duì)比分析可知，添加無(wú)機(jī)鹽類助濾劑，對(duì)形成含有顆粒絮團(tuán)的結(jié)構(gòu)具有明顯的作用，不同助濾劑的效果具有顯著區(qū)別。濾餅的結(jié)構(gòu)與含水率形成了良好的對(duì)應(yīng)，在添加硫酸鋁與硫酸鐵鋁作為助濾劑時(shí)，產(chǎn)生的濾餅斷面結(jié)構(gòu)孔隙度較低，濾餅較為緊密，過(guò)濾效果一般。添加明礬與氯化鈣時(shí)，絮團(tuán)尺寸較大，形成了比較多的孔隙與裂縫，表明其對(duì)于煤泥水具有較好的助濾作用，而加入聚氯化鋁助濾劑的濾餅斷面結(jié)構(gòu)非常疏松，且具有大量的裂痕，孔隙度很高，形成了大量的絮團(tuán)。有效地降低了過(guò)濾阻力，水分濾除很容易，助濾效果最為明顯。

圖6 添加不同助濾劑后濾餅的SEM圖像

煤泥濾餅橫斷面的掃描電鏡結(jié)果對(duì)添加助濾劑后的過(guò)濾時(shí)間和濾餅水分進(jìn)行了較好的驗(yàn)證，其中聚氯化鋁是最有效的無(wú)機(jī)鹽類助濾劑。

3.4 工業(yè)試驗(yàn)研究

顧橋選煤廠在工藝改造前只通過(guò)在濃縮機(jī)來(lái)料處添加聚丙烯酰胺作為絮凝劑進(jìn)行濃縮后壓濾。工藝改造前聚丙烯酰胺用量為40 g/cm3，壓濾入料濃度為400 g/L，經(jīng)充分壓濾后用時(shí)90 min，測(cè)得濾餅的全水分為33.5%。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)闹鸀V劑，并結(jié)合陰離子型聚丙烯酰胺，在顧橋選煤廠壓濾車(chē)間的景津2000型壓濾機(jī)上進(jìn)行提高高灰細(xì)粒煤泥壓濾速度的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，該壓濾機(jī)的過(guò)濾壓力為0.5～0.8 MPa，礦漿中煤泥水濃度為400 g/L。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)添加助濾劑抽濾試驗(yàn)結(jié)果，選用5種無(wú)機(jī)鹽類助濾劑進(jìn)行改造前的工業(yè)試驗(yàn)。為準(zhǔn)確記錄壓濾時(shí)間，選用選煤廠壓濾試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)算。在壓濾過(guò)程中用燒杯量取壓濾機(jī)第3和第4塊濾板左側(cè)濾液管中流出的濾液，當(dāng)30 s內(nèi)流出的濾液體積低于500 mL時(shí)，標(biāo)志著壓濾結(jié)束，此時(shí)記錄壓濾時(shí)間。

在濃縮機(jī)底流礦漿中加入適量的煤泥水對(duì)應(yīng)所需量的助濾劑，使用不同助濾劑時(shí)的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，不同聚氯化鋁用量及與絮凝劑復(fù)配情況下的壓濾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)不同助濾劑添加的工業(yè)試驗(yàn)效果

由圖7和表3可以看出，選煤廠壓濾試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果高度吻合。5種無(wú)機(jī)鹽類助濾劑中，聚氯化鋁效果最佳，并且隨著聚氯化鋁用量的增加，壓濾效果有一定的改善。在用量為900 g/m3時(shí)，壓濾時(shí)間從空白試驗(yàn)的96 min減少到88 min。雖然壓濾速度有一定的提高，濾餅水分也有下降，但效果不太明顯。而在復(fù)配聚丙烯酰胺絮凝劑(用量為40 g/m3)的共同作用下，壓濾的效率更高，且濾餅水分更低。最少壓濾時(shí)間為81 min，比原加藥方式降低了9 min，比空白試驗(yàn)降低14 min，濾餅水分降低為29.8%。

表3 不同聚氯化鋁用量及與絮凝劑復(fù)配情況下壓濾的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)兩淮地區(qū)的煤泥壓濾入料中含有大量的高灰細(xì)粒煤泥，煤泥顆粒表面具有荷電性，導(dǎo)致了煤泥顆粒之間斥力大，進(jìn)而會(huì)對(duì)過(guò)濾脫水產(chǎn)生不利影響。因此，通過(guò)無(wú)機(jī)鹽助濾劑進(jìn)行煤泥界面電性調(diào)整對(duì)于煤泥脫水具有積極的指導(dǎo)意義。

(2)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中合理添加助濾劑，可有效地改善壓濾物料的性質(zhì)，提高壓濾效率，降低產(chǎn)品水分。通過(guò)綜合考慮藥劑成本及過(guò)濾效果可知，使用聚氯化鋁作為無(wú)機(jī)助濾劑對(duì)于提升過(guò)濾速度的效果最好，煤泥的壓濾循環(huán)時(shí)間比空白試驗(yàn)減少8.43 min，煤泥含水率減少5.14%，濾餅的松散度最好，助濾效果顯著。

(3)在工業(yè)試驗(yàn)中，通過(guò)添加助濾劑對(duì)于壓濾效果具有較好的改善作用，在聚氯化鋁效助濾劑用量為900 g/m3，并與聚丙烯酰胺復(fù)配后，壓濾時(shí)間空白試驗(yàn)相比減少了14 min，濾餅水分降低29.8%。