煤泥水澄清处理环节

煤泥水澄清处理环节

    煤泥水澄清处理环节是煤炭湿法分选体系中一个有机组成部分。如果煤泥水沉降性能差,不仅澄清效果不好,而且会直接影响煤炭分选效率,特别是细粒煤分选效率如浮选环节,严重时甚至会导致整个分选系统瘫痪。煤泥水澄清效果除和工艺条件有关外,在很大程度上还受本身性质影响,如水质硬度、所含粘土类型和含量等。张明青分别研究了含高岭石和蒙脱石煤泥水的凝聚沉降模式,结果表明高岭石与煤颗粒凝聚后的颗粒呈离散沉降模式,蒙脱石由于其在水中形成网架结构,因此煤颗粒被包裹其中呈压缩沉降模式,所以不加絮凝剂时含蒙脱石的煤泥水比含高岭石的煤泥水上层清水层厚度薄、沉降层厚[1]。范彬等通过对数十家选煤厂循环煤泥水水质硬度和沉降状况研究认为,水质硬度对循环水澄清至关重要,当水质硬度达到40德国度后,即使粘土含量很高的煤泥水也具有良好的沉降性能[2]。相关研究表明:煤变质程度越高,颗粒表面疏水吸引能越强,因此越有利于颗粒凝聚沉降[3]。上述结论多是在凝聚沉降条件下得出的。目前国内外煤泥水多采用高分子絮凝法处理,絮凝剂的添加量对煤泥水的澄清效果的影响也非常显著,过多或过少都会使沉降性能恶化。所以本文考察在絮凝条件下上述各因素对煤泥水沉降性能的影响。
    1·试验设计
    试验采用美国Stat-Ease公司开发的De-sign-Expert 7.0软件设计。该软件广泛应用于各类多因素试验设计,还可以对试验数据进行统计分析、曲线拟合、数摸建立等。
    以上清液浊度和沉降面高度为指标,利用上述软件综合考察水质硬度、pH值、煤变质程度、粘土类型和絮凝剂用量五个因素对煤泥水沉降性能的影响。
    煤泥水正常的pH值范围是6.5~9.5,但在实际过程中酸性矿井水的补加,或碱性凝聚剂的添加都可能使pH值超出这个范围,为了试验结果具有更广泛的参考意义,试验取pH值为4.0、7.0和11.0三个水平。用长焰煤、气煤和贫瘦煤代表煤的不同变质程度。选取高岭石和蒙脱石代表两种不同的粘土类型。在预做试验的基础上选择阴离子型聚丙烯酰胺(PHP)作为絮凝剂,絮凝剂对应煤泥水中固体颗粒的添加量分别为0.027mg/g、0.133 mg/g和0.267 mg/g三个水平。水质硬度选择4.5 mmol/L、24.75 mmol/L和45.0 mmol/L三个水平。试验设计方案和结果见表1。

    甲烷组成的混合有机溶液,选择1.30 g/ cm3作为分级密度,通过浮沉试验得到灰份分别为4.22%、2.75%和4.47%的长焰煤、气煤和贫瘦煤样。分级后样品在60℃烘干3 h,最后放入真空干燥器中保存待用。其中有机溶剂挥发,基本不会影响有机质煤的结构。美国克莱德曼激光粒度仪分析长焰煤、气煤和贫瘦煤的平均粒度分别为26.9μm、27.3μm和29.15μm。
    试验所用蒙脱石为内蒙煤系蒙脱石。样品经磨细、提纯,在蒸馏水中分级后平均粒度为10.μm。高岭石样品为化学纯,平均粒度为10μm。利用分析纯的CaCl2将去离子水调节到特定硬度,用HCl和NaOH调节溶液pH值,将0.5 g粘土样品和1.0 g煤样品投入100 mL溶液中充分搅拌均匀,然后加入定量的浓度为0.1%的PHP,适度搅拌,最后在100 mL量筒中沉降10 min,分别测定上清液浊度和沉降面高度。
    3·结果与讨论
    3.1煤变质程度和粘土类型对沉降性能的影响及机理分析
           
           
    表2和表3为试验结果的方差分析,可以看出,因素B煤变质程度对两种指标的P值均大于0.05,所以煤变质程度对絮凝沉降中煤泥水沉降性能没有影响。依据DLVO理论研究表明:煤的变质程度越高,表面疏水性越强,疏水吸引势能越大,因此煤颗粒在水中越容易凝聚沉降,所形成煤泥水易澄清[1]。这是在不添加絮凝剂的前提下煤颗粒之间的作用规律,本研究结果表明在絮凝沉降过程中煤变质程度对煤泥水沉降性能没有影响,这可能是由于高分子絮凝剂的吸附架桥等作用强度远远超过了煤颗粒之间的相互作用所造成的。
    从表2和表3可以看出,因素A粘土类型对沉降面高度和上清液浊度的P值分别为0.0007和0.0121,远远小于0.05,影响分别为高度显著和显著。从试验结果可以看出,在相同条件下和含高岭石的煤泥水相比,含蒙脱石的煤泥水具有较高的沉降面高度和较低的上清液浊度。
    候万国等研究表明:分子量为220万,水解度为30%的聚丙烯酰胺对高岭石具有絮凝作用,对蒙脱石颗粒虽然有架桥作用,但不发生絮凝,而是形成了稳定的空间结构[4]。究其原因是由于在水中蒙脱石比高岭石具有更强的负电荷,聚丙烯酰胺水解也产生大量带负电荷的基团,同性电荷之间相互排斥而提高了空间结构的稳定性。高岭石由于所带电荷很少,因此在相同条件下表现出明显的絮凝作用。在本试验过程中也发现,含蒙脱石的煤泥水在沉降过程中没有明显的絮团出现,大部分颗粒形成整体结构呈压缩沉降,只有极少数被漏捕的颗粒悬浮在上清液中。而含高岭石的煤泥水在絮凝过程中有明显的絮团出现,絮团之间呈离散沉降,所以相同条件下含高岭石的煤泥水具有较低的沉降面。因此可以推断本试验含蒙脱石煤泥水中聚丙烯酰胺只架桥不絮凝,含高岭石的煤泥水中聚丙烯酰胺同时发生架桥絮凝作用。这也是在实际生产过程中,一些难澄清煤泥水无论添加多少絮凝剂却仍然不沉的原因所在。
    据试验测定,相同条件下本试验所用煤颗粒表面所荷负电量要低于高岭石和蒙脱石[1],因此在试验过程中很容易被絮凝,所以可以推断在含蒙脱石的煤泥水中部分煤颗粒会形成絮团沉降,从而产生选择性絮凝现象,这一点还需要进一步试验验证。
    3.2水质硬度和pH值对沉降性能影响及机理分析
    从试验结果和方差分析看,因素CpH值对沉降面高度的P值为0.0106,影响显著,pH值越大,沉降面越高;对上清液浊度的P值0.1214,没有影响。
    pH值对絮凝效果的影响表现在两个方面:
    一是胶体粒子的表面电位,二是聚丙烯酰胺上的基团水解[5]。煤和粘土颗粒都荷负电,pH值越大,颗粒表面负电性越强,颗粒与阴离子型聚丙烯酰胺表面基团的吸引力就越弱,所以从颗粒角度讲, pH值越大越不利于煤泥水澄清。但从聚丙烯酰胺表面基团来看,在酸性条件下,部分水解的-COO-基变成了-COOH,降低了水解度,使得絮凝效果降低,因此碱性条件更利于煤泥水澄清。对于含粘土的煤泥水,特别是含蒙脱石的煤泥水,其中颗粒即使被高分子架桥,颗粒之间还有较强的相互排斥作用,pH值越大,排斥作用越强,沉降面高度越大。水质硬度对絮凝效果的影响也表现在两个方面。龙明杰研究了钙离子对聚丙烯酰胺絮凝无机颗粒效果的影响,结果表明虽然钙离子和聚丙烯酰胺结构上的羟基生成难溶性物质不利于絮凝沉降,但钙离子浓度更有利于颗粒间凝聚,因此总体表现为有利于混凝效果[6]。Sojka和Lentz也认为钙离子是PHP和带负电的颗粒之间的桥而有利于颗粒之间的絮凝[7]。从研究结果看,在本试验因素取值范围内,因素D水质硬度对两个指标都有影响,但不显著。表现为提高水质硬度有利于降低上清液浊度和沉降面高度。
    对于富含蒙脱石的煤泥水,由于其大量的表面负电荷使聚丙烯酰胺只有架桥作用而没有絮凝作用,由此可以推断如果通过提高水质硬度来降低颗粒表面电荷至一定水平必然会发生絮凝作用,该硬度水平一定要大于本试验硬度范围。
    3.3 PHP添加量对沉降性能的影响
    一般来说,絮凝效果随絮凝剂用量的增加而增大。但是,絮凝剂的用量达到一定值后,出现峰值,再增加用量时,会使所形成的絮体重新变成稳定的胶体,絮凝效果反而下降。在本试验因素取值范围内,因素E PHP添加量对两个指标影响都不显著,但有影响。试验结果显示,絮凝剂添加量越多,沉降面越高,上清液浊度越小。
    回归分析表明,五种因素对两个指标的影响均不存在交互作用,因此因素之间符合线性方程式,公式表示如下:
    沉降面高度= 6.56+5.21×A+ 0.76×B+4.20×C-2.26×D-2.26×E
    上清液浊度= 65.76-14.35×A + 2.36×B-9.81×C-0.46×D-2.19×E
    上述结论提示我们在实际的生产过程,对于难澄清煤泥水首先应该确定其中所含的主要粘土类型,然后在决定澄清处理方法。如果主要粘土类型为高岭石,可直接添加絮凝剂;如果是蒙脱石,应该采取措施降低其表面电性后再添加絮凝剂。
    4·结论
    (1)粘土类型对煤泥水絮凝沉降性能的影响最显著。含高岭石的煤泥水絮凝过程产生絮团离散沉降,而PHP在含蒙脱石的煤泥水只架桥不絮凝,因此大部分颗粒形成或被包裹在整体结构中压缩沉降。所以在相同条件下,含高岭石的煤泥水比含蒙脱石的煤泥水上清液浊度大,而沉降面高度小。煤变质程度对两种指标基本没有影响。
    (2) pH值对沉降面高度有显著影响,对上清液浊度却没有影响。pH值越大,沉降面越高。提高水质硬度有利于降低上清液浊度和沉降面高度,但影响不显著。PHP添加量对两个指标影响都不显著,其值越大,上清液浊度越小,沉降面高度越大;
    (3)五种因素对两个指标的影响均不存在交互作用,因素之间符合线性方程式:
    沉降面高度= 6.56+5.21×A+ 0.76×B+4.20×C-2.26×D-2.26×E
    上清液浊度= 65.76-14.35×A + 2.36×B-9.81×C-0.46×D-2.19×E
煤泥水澄清处理环节