電場強(qiáng)化難沉降煤泥水處理的研究

李文成,李明明,2

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022;2.山西工學(xué)院 能源產(chǎn)業(yè)學(xué)院,山西 朔州 036000)

隨著細(xì)粒級煤泥的產(chǎn)量和灰分越來越高,導(dǎo)致煤泥水自然沉降不僅速度慢,而且效果差。煤泥水的處理成為了選煤廠難度最大和投入最多的環(huán)節(jié)之一[1-3],因此強(qiáng)化煤泥水沉降成了近年來的熱點(diǎn)話題。

電場強(qiáng)化煤泥水沉降是一種處理煤泥水的新技術(shù),一些學(xué)者在此方面取得了一定的研究成果。陳洪硯等[4]用小型通電試驗(yàn)裝置應(yīng)用于煤泥水沉降,發(fā)現(xiàn)電絮凝可以強(qiáng)化難以自然沉降的微粒級礦物。陳帥[5]運(yùn)用通電裝置強(qiáng)化煤泥水沉降,上清液透過率和初始沉降速度都會得到改善。Yoshida等[6]將膨潤土懸浮液使用電泳技術(shù)處理,使其變得澄清。在此基礎(chǔ)上,Lockhart等[7]對粘土礦物的懸浮液和尾礦同樣使用電泳技術(shù)處理,得到了相同的效果。除上述文獻(xiàn)外,還有報(bào)道指出[8-11]通過外加電場的方式可以明顯提高煤泥水的沉降效果。綜上所述,學(xué)者們對于電場強(qiáng)化煤泥水沉降都給予了肯定,然而圍繞著電場參數(shù)展開深度探討的報(bào)道較少。因此本文以寧東低階煤為試樣,首先采用單因素法對外加電場的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),分析參數(shù)對煤泥水沉降的影響;而后利用響應(yīng)面法對條件優(yōu)化,得到試驗(yàn)的最佳條件。研究成果以期能夠?yàn)殡y沉降煤泥水的處理提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 煤樣性質(zhì)

本文選取寧東某選煤廠的煤泥為研究對象。煤樣灰分46.15%,表明樣品中矸石含量大。樣品中含有10.37%的SiO2和8.56%的Al2O3是其主要化學(xué)組分,相應(yīng)的其他脈石礦物成分為高嶺石、蒙脫石、石英,化學(xué)多元素分析和物相分析見表1和圖1.

圖1 煤泥的X-射線衍射圖

表1 化學(xué)多元素分析

將煤樣配制成5種不同質(zhì)量濃度(10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L)的煤泥水,充分混合后沉降8 h,在6 h左右各濃度煤泥水均沉淀完全,在試驗(yàn)過程中仍然可見上層清液較為渾濁,煤泥水沉降效果綜合指標(biāo)均小于0.5,結(jié)合煤樣灰分較高,含有較多粘土礦物可知,該煤泥水為難沉降煤泥水。

1.2 儀 器

試驗(yàn)所用的儀器有外加電場的煤泥水沉降裝置、X射線熒光光譜儀、X射線衍射儀、馬弗爐等。

外加電場的煤泥水沉降裝置如圖2所示,該裝置的主體為一個標(biāo)有刻度為1 000 mL的有機(jī)玻璃筒,配有電源、電極夾和不銹鋼電極且電極面積20.25 cm2.

圖2 外加電場的煤泥水沉降裝置

1.3 試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)

將溫度15 ℃和質(zhì)量濃度40 g/L的煤泥水放入外加電場的煤泥水沉降裝置中,調(diào)整好參數(shù)并接通電源,記錄沉降速度、絮團(tuán)高度和上清液濁度。采用綜合指標(biāo)做煤泥水沉降效果的評價(jià)指標(biāo),如公式 (1) 和公式 (2)所示[12]。

(1)

(2)

式中:H0為量筒中1 000 mL煤泥水的高度,取25.5 cm;H1為煤泥水沉降后的絮團(tuán)高度,cm.

2 結(jié)果與討論

2.1 電解質(zhì)種類對煤泥水沉降效果的影響

因煤泥水中含有電解質(zhì)的量較少導(dǎo)致其整體的電導(dǎo)率過低,這樣不僅會增加電極的消耗,而且還會降低絮凝效果。因此需要補(bǔ)加電解質(zhì)來強(qiáng)化煤泥水沉降的效果。常見的電解質(zhì)化合價(jià)為+1、+2、+3價(jià)的鹽酸鹽類化合物,因此本試驗(yàn)采用的3種電解質(zhì)為NaCl、CaCl2、AlCl3.

固定電流1.2 A,通電20 min,pH值7.8,考察電解質(zhì)種類對煤泥水沉降效的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 電解質(zhì)影響煤泥水沉降的規(guī)律曲線

由圖3可知,隨著3種電解質(zhì)投加量的增加,煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;電解質(zhì)NaCl的最佳投放量為0.8 g,綜合指標(biāo)為1.12;電解質(zhì)CaCl2的最佳投放量為0.6 g,綜合指標(biāo)為1.23;電解質(zhì)AlCl3的最佳投放量為0.4 g,綜合指標(biāo)為1.15.曲線呈現(xiàn)這種趨勢的原因是煤顆粒表面荷負(fù)電,加入少量電解質(zhì)時(shí),其由于膠體顆粒的負(fù)電性呈現(xiàn)分散狀態(tài),形成穩(wěn)定的膠體體系;隨著電解質(zhì)的加入顆粒表面電位降低,碰撞概率增高,導(dǎo)致其脫穩(wěn)、凝聚;隨著陽離子含量不斷升高,使礦漿中的顆粒重新回到分散狀態(tài)。

綜上所述,3種電解質(zhì)的最佳效果為:CaCl2> AlCl3>NaCl,電解質(zhì)CaCl2的沉降效果最佳,最佳的投加量為0.6 g;CaCl2的沉淀效果最佳可能是由于Na+的吸附機(jī)理為靜電吸附,Al3+在靜電吸附的基礎(chǔ)上還可能有羥基絡(luò)合吸附,而Ca2+在吸附機(jī)理上要復(fù)雜得多,除靜電吸附外,還會有一羥基絡(luò)合吸附和沉淀吸附,與水分子結(jié)合生成特殊結(jié)構(gòu)的多面體絡(luò)合物會降低顆粒表面的自由能,使其更易于凝聚。

2.2 電流強(qiáng)度對煤泥水沉降效果的影響

固定CaCl20.6 g,通電20 min,pH值7.8,考察電流強(qiáng)度(1.0 A、1.2 A、1.4 A、1.6 A、1.8 A)對煤泥水沉降的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 電流強(qiáng)度影響煤泥水沉降的規(guī)律曲線

由圖4可知,煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)隨著電流的增大先急劇增加后緩慢降低;當(dāng)電流為1.2 A時(shí),效果最佳,綜合指標(biāo)可達(dá)1.05.這是因?yàn)殡S著電流的增大溶液中的Fe3+增多導(dǎo)致煤顆粒凝聚,但是過大的電流會導(dǎo)致電極板迅速鈍化從而降低電極板的溶解速率,致使電中和作用緩慢導(dǎo)致電絮凝效果下降。在電流為1.2 A時(shí)為臨界點(diǎn),即1.2 A為飽和電解電流[13]。

2.3 通電時(shí)間對煤泥水沉降效果的影響

固定CaCl20.6 g,電流1.2 A,pH值7.8.考察通電時(shí)間(5 min、10 min、15 min、20 min、25 min)對煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 通電時(shí)間影響煤泥水沉降的規(guī)律曲線

由圖5可知,煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)隨著通電時(shí)間的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,具體的變化為10 min前增速緩慢,10～20 min急速增加,20 min后增速逐漸下降。這是因?yàn)橥姇r(shí)間越長,陽極的消耗越大,導(dǎo)致溶液中的Fe3+越多,顆粒與顆粒之間的電荷越少從而越易于沉降。綜合考慮通電時(shí)間選擇20 min,綜合指標(biāo)為0.77.

2.4 pH值對煤泥水沉降效果的影響

固定CaCl20.6 g,通電20 min,電流1.2 A.考察pH值(4、5、6、7.8、8、9、10)對煤泥水沉降的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 pH值影響煤泥水沉降的規(guī)律曲線

由圖6可知,煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)隨著pH值的增大先升高后降低,在堿性條件下,綜合指標(biāo)發(fā)生快速升高;當(dāng)pH=9時(shí),煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)最大,最大值為1.00.可能是隨著溶液中OH-的含量增高,Ca2+與陽極電解的Fe3+生成微溶沉淀將顆粒黏附導(dǎo)致沉降速度加快,致使綜合指標(biāo)上升;隨著OH-含量越來越高,溶液中顆粒間的斥力占據(jù)主導(dǎo)作用導(dǎo)致顆粒穩(wěn)定懸浮于上清液中,致使綜合指標(biāo)降低。

2.5 煤泥水沉降的響應(yīng)面條件優(yōu)化

在上述試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上,固定CaCl20.6 g,考察電流大小、通電時(shí)間、煤泥水pH值對煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)的影響,使用Design-Expert 8.0.6.1軟件[14-15]中BBD模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2和表3所示,結(jié)果如圖7和表4所示。

圖7 各因素交互作用對綜合指標(biāo)的影響趨勢圖

表2 響應(yīng)面分析因素與水平

表3 響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析

由表3和表4可知,P值<0.000 1,表明該模型是顯著的;AB、AC、BC的F值分別為12.19、14.17、24.23,表明各因素之間都有著較強(qiáng)的交互作用;失擬項(xiàng)為0.282 0>0.05,表明模型無失擬。通過計(jì)算可得多項(xiàng)二次回歸方程:Y=1.22+0.063A+0.082B+0.017C-0.041AB+0.033AC+0.043BC-0.15A2-0.078B2-0.051C2.

由圖7可知,各因素的響應(yīng)曲面的坡度都很大,等高線圖中的輪廓均呈現(xiàn)橢圓形。響應(yīng)曲面的坡度越大,證明兩因素對綜合指標(biāo)的影響越顯著;等高線圖中的輪廓越橢圓,證明兩因素的交互作用越強(qiáng)。因此,各因素對綜合指標(biāo)的影響均比較顯著,而且3個因素中兩兩之間均存在顯著的交互作用,交互作用的大小順序?yàn)?BC>AC>AB.

2.6 煤泥水沉降的條件驗(yàn)證試驗(yàn)

軟件優(yōu)化后的結(jié)果如表5所示,考慮到實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì),對優(yōu)化后的條件進(jìn)行了細(xì)微調(diào)整并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。優(yōu)化前試驗(yàn)得到的綜合指標(biāo)為1.32,優(yōu)化后試驗(yàn)得到的綜合指標(biāo)為1.33,兩者結(jié)合幾乎沒有差別,說明響應(yīng)面法優(yōu)化法對本次試驗(yàn)可行。

表5 驗(yàn)證性試驗(yàn)條件與結(jié)果

3 結(jié) 語

1) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過響應(yīng)面法優(yōu)化電流強(qiáng)度、pH值和通電時(shí)間3個變量因素與響應(yīng)值煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)進(jìn)行回歸擬合,得到P值<0.000 1,證明該模型較為顯著。

2) 3個變量對響應(yīng)值影響的主效應(yīng)關(guān)系由小到大是:通電時(shí)間>電流大小>pH值;兩兩交互作用大小為:通電時(shí)間和pH>電流強(qiáng)度和pH>電流強(qiáng)度和通電時(shí)間。

3) 在響應(yīng)面優(yōu)化工藝條件下,煤泥水沉降效果的綜合指標(biāo)為1.32,接近理論值1.33,證明該方法切實(shí)可行。