煤泥水絮凝沉降過程影響因素的顯著性評價(jià)分析

趙光輝,曹艷軍,王冬

(國家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)中占比最大的能源,同時(shí)也是重要的工業(yè)原料,長期以來為我國的能源與化學(xué)工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展提供了重要的保障[1]。煤炭在使用前通常需要經(jīng)過選煤廠洗選加工,將煤中伴生的矸石除去,從而降低煤炭的灰分和硫分等雜質(zhì)礦物,滿足下游產(chǎn)業(yè)對煤炭品質(zhì)的需求[2]。我國大部分的選煤廠均采用濕法洗選工藝。在濕法選煤的工藝過程中會產(chǎn)生大量的泥煤水,這不僅會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,還增大了水資源的大量浪費(fèi)。因此,對選煤過程中產(chǎn)生的泥煤水進(jìn)行妥善處理對環(huán)境及資源問題的解決具有重要意義[3]。影響泥煤水絮凝的因素有很多,從煤泥的角度包括:煤的變質(zhì)程、度煤泥的粒度、煤泥中主要的灰分礦物——黏土礦物的種類及其含量及煤泥水的固體物濃度等[4-5];從沉降的物理環(huán)境上主要是合適的水力條件;從溶液化學(xué)環(huán)境來有水的硬度、pH值及混凝過程中添加的藥劑等[6-8]。通常煤泥粒度越小越難沉降[9],而相同藥劑條件下,黏土礦物的含量越高沉降速度越慢[10]。王光輝、張明青[11-12]等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證煤泥濃度越高,煤泥水的沉降速度越低,兩者基本呈線性關(guān)系,且煤的變質(zhì)程度越大,煤顆粒表面的疏水性越強(qiáng),越有利于沉降。張濤[13]等人以聚丙烯酰胺(陰離子)為單一絮凝劑研究pH值對煤泥水沉降的影響,結(jié)果表明堿性環(huán)境比酸性環(huán)境具有更好的沉降效果,當(dāng)煤泥水pH值=8.5時(shí),濁度值最小。

綜上所述,盡管有很多學(xué)者研究了各個(gè)因素對煤泥水澄清效果的作用,但在眾多影響因素中,哪些占主導(dǎo)作用尚不明確。而在煤泥水處理環(huán)節(jié)的智能化建設(shè)中,篩選出主要影響因素進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控,是必要的基礎(chǔ)工作。為此,以批次絮凝沉降實(shí)驗(yàn)中的沉降速度和上清液層濁度為評價(jià)指標(biāo),利用正交實(shí)驗(yàn)考察煤泥水中的黏土礦物種類及其含量、煤泥水濃度、凝聚劑與絮凝劑的種類及其含量等因素對煤泥水絮凝沉降效果的影響,篩選出對煤泥水絮凝沉降影響顯著的因素,可作為煤泥水濃縮環(huán)節(jié)智能化調(diào)控的主要參考依據(jù)和調(diào)節(jié)手段。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與藥劑

實(shí)驗(yàn)用材料和絮凝劑的性質(zhì)見表1所列。所用的凝聚劑氯化鋁、氯化鐵和氯化鈣均為分析純試劑。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

對原煤進(jìn)行破碎和沉浮后得到浮物,烘干后進(jìn)一步破碎得到粒度小于200目(粒徑0.15 mm)的煤樣,其灰分為1.91%,可視為純煤,平均粒度18.9 μm。實(shí)驗(yàn)用煤泥水即使用該煤樣與高嶺石等灰分礦物按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的比例混合配成煤泥水樣。

1.2 煤泥水絮凝沉降實(shí)驗(yàn)及其評價(jià)指標(biāo)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

煤泥水絮凝沉降以上清液濁度和沉降速度作為評價(jià)指標(biāo),依據(jù)《MT-188選煤廠煤泥水沉降實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程如下:根據(jù)設(shè)計(jì)的配比稱取煤樣與黏土配制為煤泥水懸浮液;實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)設(shè)定濃度取適量移入具塞量筒中,加入去離子水稀釋為實(shí)驗(yàn)用濃度的煤泥水,定容為100 mL;塞好瓶塞翻轉(zhuǎn)三次混勻;加入設(shè)定的凝聚劑和絮凝劑,再次翻轉(zhuǎn)10次;翻轉(zhuǎn)結(jié)束后將量筒放置于光源前并開始計(jì)時(shí)。30 s內(nèi),每5 s鐘記錄一次沉降界面高度,之后每30 s記錄一次界面高度,持續(xù)5 min。停止沉降記錄后,在液面下50 mm處取10 mL上清液,用WGZ-1A型濁度計(jì)測定濁度。

1.2.2 沉降速度

沉降速度使用以下公式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:V,0 s時(shí)刻清渾界面的沉降速度,cm/min;

Ti,計(jì)時(shí)時(shí)刻編號(i=0,1,2,3……n),s;

Hi,Ti時(shí)刻清渾界面的下降距離,mm;

A,沉降曲線直線段起點(diǎn)對應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)刻編號;

B,沉降曲線直線段終點(diǎn)對應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)刻編號;

M,直線段內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。M=B-A+1。

1.3 煤泥水絮凝沉降影響因素的顯著性評價(jià)

1.3.1 藥劑用量范圍單因素探索

為保證正交實(shí)驗(yàn)所用的藥劑量在合理的加藥范圍內(nèi),正交實(shí)驗(yàn)前需對凝聚劑和絮凝劑的用量范圍進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)探索。實(shí)驗(yàn)條件為:以高嶺石為灰分礦物,占總煤泥量的40%;配制煤泥水的固體物濃度為40 g/L;分別使用氯化鐵和陰離子聚丙烯酰胺(PHP)作為凝聚劑和絮凝劑。單因素實(shí)驗(yàn)中,探索凝聚劑用量的影響時(shí),PHP用量固定為30 mg/L(按煤泥水體積添加,下同),探究絮凝劑用量時(shí),氯化鐵用量固定為300 mg/L。

1.3.2 煤泥水絮凝沉降影響因素正交實(shí)驗(yàn)

選取影響煤泥水絮凝沉降的7個(gè)影響因素——煤泥水濃度、黏土種類、黏土含量、凝聚劑種類、凝聚劑用量、絮凝劑種類和絮凝劑用量,進(jìn)行7因素3水平正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)各因素的水平取值參考前述探索實(shí)驗(yàn)及實(shí)際煤泥水的質(zhì)量濃度和黏土礦物含量范圍,具體見表2。實(shí)驗(yàn)考慮藥劑種類和用量的交互影響,使用L27(313)的正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素和水平

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 凝聚劑與絮凝劑的用量范圍

從圖1左可以看出,凝聚劑用量范圍在100～600 mg/L時(shí),隨著凝聚劑用量的增加,煤泥水上清液濁度在200 mg/L處迅速降低,在200～400 mg/L時(shí)相對穩(wěn)定,繼續(xù)增大則會使?jié)岫壬?沉降速度則沒有明顯變化。由于凝聚劑的主要作用是壓縮雙電層,通常與絮體大小無關(guān),對沉降速率無顯著影響,因此凝聚劑用量以濁度為主進(jìn)行評價(jià)。上述范圍內(nèi),濁度的變化有最小值,說明藥劑用量范圍合理,可作為正交實(shí)驗(yàn)取值范圍。圖1右顯示,當(dāng)絮凝劑用量范圍在10～60 mg/L時(shí),隨著絮凝劑用量的增加,煤泥水上清液濁度先降低再升高,然后趨于穩(wěn)定;沉降速度則先升高再降低然后趨于穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),均出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn),因此絮凝劑的用量確定為10～60 mg/L的范圍內(nèi)。

圖1 不同絮凝劑用量下澄清指標(biāo)曲線

2.2 影響因素的顯著性評價(jià)

表3為正交實(shí)驗(yàn)的具體方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后續(xù)分別以清渾界面的沉降速度和煤泥水上清液濁度為指標(biāo)對各因素的影響效果進(jìn)行分析。

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.1 界面沉降速度為指標(biāo)

圖2為直觀分析數(shù)據(jù),在實(shí)驗(yàn)考察的各因素中,極差最大者為凝聚劑用量,其次為黏土礦物含量和絮凝劑用量。表4的方差分析表明,凝聚劑用量(F)具有高度顯著性,黏土礦物含量和絮凝劑含量的F值均超過10,表現(xiàn)顯著,其他因素中,煤泥水濃度、黏土礦物種類、凝聚劑種類和用量的交互表現(xiàn)顯著,其他不顯著。通過界面沉降速度的直觀分析和方差分析,可對實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)各個(gè)因素對沉降速度的影響進(jìn)行排序,按其主次順序?yàn)?凝聚劑用量D>黏土礦物含量C>絮凝劑用量E>煤泥水濃度A>黏土礦物種類B>絮凝劑種類G>凝聚劑種類D。

K1,K2,K3分別為表2所列各因素的三個(gè)水平實(shí)驗(yàn)指標(biāo)總和,R為極差。

表4 沉降速度方差分析

2.2.2 以上清液濁度為指標(biāo)

圖3中,黏土礦物含量的極差最大,其次為凝聚劑用量、絮凝劑用量、凝聚劑種類和絮凝劑種類。表5方差分析結(jié)果顯示,黏土礦物種類與含量、凝聚劑和絮凝劑的種類及用量均對上清液濁度具有顯著性影響。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出各個(gè)因素對評價(jià)指標(biāo)的影響順序?yàn)?黏土礦物含量C>凝聚劑用量F>絮凝劑用量E>凝聚劑種類D>黏土種類B>絮凝劑種類G>煤泥水濃度A。

K1,K2,K3分別為表2所列各因素的三個(gè)水平實(shí)驗(yàn)指標(biāo)總和,R為極差。

表5 上清液濁度方差分析

對比兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)下的數(shù)據(jù),黏土礦物的含量對上清液濁度的影響處于各因素中最重要的地位,而凝聚劑用量則是影響沉降速度的首要因素。從影響機(jī)理的角度分析:

(1)凝聚劑的影響。凝聚通常是絮凝的基礎(chǔ),因此凝聚劑對沉降有顯著影響。自然條件下,煤泥水中固體物顆粒表面表現(xiàn)為電負(fù)性。當(dāng)凝聚劑用量合適時(shí),凝聚劑中電離的陽離子可以吸附在固體顆粒表面,起壓縮雙電層作用,降低其負(fù)電性,使同為負(fù)電性的煤泥顆粒間排斥力減小,從而易于互相黏附凝聚;當(dāng)過量使用時(shí),顆粒表面由負(fù)電轉(zhuǎn)為正電,使顆粒間的排斥力增大,不易凝聚。

(2)黏土礦物的影響。黏土礦物對沉降速度的影響可由兩個(gè)方面引起:一是黏土礦物密度比煤大,成功絮凝后會有較大的沉降速率;二是黏土礦物的表面電負(fù)性通常高于煤顆粒,同等條件下比煤顆粒難以凝聚。

(3)絮凝劑的影響。絮凝劑是通過吸附電中和、架橋和網(wǎng)捕作用等使凝聚的細(xì)顆粒進(jìn)一步長大為大絮體,加速沉降過程的。但用量不合適時(shí),絮凝劑分子鏈上的荷電基團(tuán)有可能與凝聚劑形成競爭關(guān)系,或在顆粒表面形成保護(hù)層,削弱絮凝效果。

3 結(jié)論

從綜合影響程度來看,凝聚劑用量是影響煤泥水絮凝沉降過程最重要的因素,黏土礦物含量和絮凝劑用量次之,建議實(shí)際工程中調(diào)控煤泥水絮凝沉降工藝時(shí),重點(diǎn)監(jiān)控這三個(gè)因素。此外,煤泥水濃度不同,按體積基準(zhǔn)加藥時(shí),單位干煤泥量的藥劑量會受到影響,這在實(shí)際生產(chǎn)控制中需要考慮。實(shí)驗(yàn)用常見的三種黏土礦物中,高嶺石為煤泥水中最常見的組分,蒙脫石最易泥化,對煤泥水絮凝沉降影響很大,需要重視。