影響煤泥水沉降的因素分析

影響爆泥水沉降的因素分析劉亮【摘要】闡述了難沉降煤泥水的特點(diǎn)及其對(duì)選煤廠生產(chǎn)乃至整個(gè)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響；分析了煤泥中礦物組成、粒度組成、水質(zhì)、濃度、粘度、煤泥量、濃縮沉降面積以及藥劑制度等因素對(duì)煤泥水沉降的影響，提出了解決煤泥水難沉降的幾點(diǎn)建議.【期刊名稱】《煤炭加工與綜合利用》【年(卷)，期】2013(000)0z1【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P20-24)【關(guān)鍵詞】選煤廠;煤泥水;泥化;處理;影響因素【作者】劉亮【作者單位】泰戈特(北京)工程技術(shù)有限公司，北京100022【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TD946.2煤泥水處理系統(tǒng)是選煤廠生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一。煤泥水處理效果不僅直接影響選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)礦區(qū)環(huán)境和水資源的節(jié)約利用也有重要意義。典型的難沉降煤泥水幾天甚至幾月都不能徹底澄清，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)分選系統(tǒng)癱瘓，影響選煤廠連續(xù)生產(chǎn)和煤炭產(chǎn)品質(zhì)量。從目前各選煤廠的運(yùn)行情況看，隨著礦井開采的不斷深入，井下地質(zhì)條件與預(yù)測(cè)情況變化很大，煤層變薄、構(gòu)造和斷層較多，頂?shù)装迥鄮r大量混入，導(dǎo)致選煤廠煤泥量大幅度增加，尤其是高灰細(xì)泥的增加，使?jié)饪s機(jī)的濃縮效率和壓濾機(jī)的單位處理能力顯著降低，煤泥水分也明顯升高，不但影響煤質(zhì)，而且影響整個(gè)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。1難沉降煤泥水的特點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行中，煤泥水（尤其是選煤廠的浮選尾礦）的主要特點(diǎn)是濁度高、灰分高、固體顆粒表面多數(shù)帶負(fù)電荷，同性電荷間的斥力使這些微粒在水中保持分散狀態(tài)［1］。它們?cè)谒胁粌H受重力的作用，還受介質(zhì)布朗運(yùn)動(dòng)的影響。此外，由于煤泥水中固體顆粒界面之間的互相作用，如吸附、溶解、化合等，使得煤泥水的性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜，不但具有懸浮液的性質(zhì)，還具有膠體的性質(zhì)?；谶@些原因，多數(shù)選煤廠的煤泥水很難自然澄清。1.1難沉降煤泥水以粘土礦物為主煤泥的礦物質(zhì)組成包括粘土礦物、氧化礦物、碳酸鹽礦物、硫化礦物、硫酸鹽礦物等，其中粘土礦物是煤中最主要的礦物質(zhì)。難沉降煤泥水中含有大量易泥化的粘土礦物，這些礦物在水中易吸水膨脹、泥化成微米級(jí)顆粒，難沉降煤泥水中小于5pm級(jí)含量大幅增加，改變了煤泥水的粒度組成、粘度特性以及水質(zhì)特征，導(dǎo)致顆粒沉降速度急劇降低，沉降面積嚴(yán)重不足，煤泥水高濃度循環(huán)。1.2難沉降煤泥水水質(zhì)狀況較差難沉降煤泥水的水質(zhì)狀況有三個(gè)特點(diǎn)：中性pH值，總離子含量及水質(zhì)硬度都較低，這種水質(zhì)條件使得煤泥水成為分散狀態(tài)，不利于顆粒的聚沉［1］。1.3高濃度循環(huán)或外排與選礦廠尾礦的開放體系不同，煤泥水系統(tǒng)是一個(gè)封閉系統(tǒng)，其特點(diǎn)為流量大（選煤廠每小時(shí)循環(huán)水可達(dá)數(shù)千立方米）、循環(huán)周期短（1h可完成多個(gè)循環(huán)）、空間有限（難以靠濃縮與脫水設(shè)備直接完成回收）。煤泥水的難沉降特性、閉路的生產(chǎn)系統(tǒng)以及低廉的運(yùn)行成本，使得選煤廠煤泥水濃度通常達(dá)到50~80g/L,這種情況不僅惡化選煤效果，而且極易發(fā)生細(xì)泥積聚導(dǎo)致煤泥水外排。2影響煤泥水沉降的因素分析煤泥水系統(tǒng)是一個(gè)典型的固液兩相體系，煤泥水的難沉降源于煤泥自身與煤泥水系統(tǒng)兩個(gè)層面，實(shí)現(xiàn)難沉降煤泥水的快速澄清，實(shí)質(zhì)就是要實(shí)現(xiàn)固液兩相的高效分離，因此固相特征和液相特征，共同決定了煤泥水的整體性質(zhì)，加之煤泥水系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)的運(yùn)行體系，這種強(qiáng)制循環(huán)形成了煤泥水的循環(huán)反饋機(jī)制。溶液化學(xué)反應(yīng)使水體硬度不斷降低，而膠體化學(xué)反應(yīng)使體系更加分散，濃度不斷增高。兩者疊加效應(yīng)將使煤泥水越循環(huán)越難沉降，越循環(huán)煤泥濃度越高。最終導(dǎo)致高濃度煤泥水外排，絮凝沉降失效。因此分別研究固相及液相特征，以及煤泥水在強(qiáng)制循環(huán)過(guò)程中的工藝因素，對(duì)解決煤泥難沉降的問(wèn)題具有重要意義。2.1煤泥中礦物組成對(duì)其沉降效果的影響煤泥的礦物組成復(fù)雜，主要有石英、方解石、粘土礦物和黃鐵礦等。其中粘土礦物種類很多，主要有高嶺土、蒙脫石、綠泥石等。在這些礦物中石英和方解石自身性質(zhì)穩(wěn)定、不易機(jī)械粉碎和泥化，所以對(duì)煤泥水的沉降影響不大。黃鐵礦類物質(zhì)氧化后溶解度增大，在水中生成Fe3+離子，促成有利于顆粒沉降的水質(zhì)環(huán)境，因此從理論上講，黃鐵礦的存在有利于煤泥水沉降。而對(duì)煤泥水沉降產(chǎn)生不利影響的是粘土礦物，粘土礦物遇水極易泥化，且粒度微細(xì)、不僅本身難沉降，還使煤泥水粘度大幅增加。圖1為神華神東分公司保德選煤廠難處理煤泥水中固體物的XRD分析結(jié)果。（K:高嶺土；Q:石英；S:菱鐵礦；C:方解石；I:伊利石；B:菱鎂礦）圖1保德原煤泥水中固體XRD分析從圖1可以看到，該煤泥中的主要礦物為高嶺石和石英，含有少量的菱鎂礦和菱鐵礦以及伊利石。高嶺石等粘土礦物的存在，對(duì)煤泥水處理帶來(lái)很大影響，這也是造成該廠煤泥水難沉降的重要因素。2.2煤泥粒度組成對(duì)其沉降的影響由于煤泥水系統(tǒng)中煤泥顆粒微細(xì)，煤泥與水介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小，因此煤泥粒度組成對(duì)煤泥水沉降的影響可以用斯托克斯沉降末速公式來(lái)分析和解釋［2］。顆粒在水介質(zhì)中的自由沉降速度可按斯托克斯公式求得：顆粒在煤泥水中的沉降為干擾沉降，其沉降速度可按利亞申柯公式計(jì)算：式中：u——顆粒在水中的自由沉降速度，cm/s;ug——顆粒在煤泥水中的干擾沉降速度，cm/s;M——常溫下水的粘度外=0.01P；6顆粒的密度，g/cm3;d顆粒的粒度，cm;X—顆粒的球形系數(shù)，一般取X=0.3;P水的密度，P=1g/cm3;g重力加速度，一般取g=981cm/s2;n——實(shí)驗(yàn)指數(shù)，一般取n=5~6;入一一煤泥水固體容積濃度，入=1/(R6+1);R——煤泥水液固比。從上式可以看出，沉降末速與顆粒直徑的平方成正比，與體系的動(dòng)力粘度成反比，受體系密度和懸浮液濃度的影響，對(duì)于顆粒越微細(xì)的體系，該公式適應(yīng)性越好。對(duì)于難沉降煤泥水體系，由于煤泥尺寸微細(xì)，因此沉降末速極小，在煤泥水動(dòng)態(tài)循環(huán)的過(guò)程中沒(méi)有足夠的沉降時(shí)間，造成微細(xì)煤泥循環(huán)積聚，澄清效果急劇惡化。2.3水質(zhì)狀況對(duì)煤泥水沉降的影響水是構(gòu)成煤泥水系統(tǒng)的液相體系，水質(zhì)狀況對(duì)煤泥在其中的沉降效果影響很大，而在表征水質(zhì)狀況的諸多因素中，硬度的影響最為明顯，對(duì)于難沉降煤泥水，水質(zhì)硬度甚至起著決定性的作用［3］。從表1可以看出，在循環(huán)水的溶液組成中，難沉降煤泥水的硬度都較低。煤泥水呈穩(wěn)定的類膠體分散體系，該體系之所以穩(wěn)定是因?yàn)槲⒓?xì)顆粒具有雙電層結(jié)構(gòu)，其表面帶有負(fù)電荷，互相之間因靜電斥力而處于分散狀態(tài)。微細(xì)顆粒表面具有未補(bǔ)償?shù)逆I能，極性水分子在鍵能表面定向排列，形成水化膜，阻止顆粒接觸碰撞。微細(xì)顆粒質(zhì)量甚輕，重力對(duì)其影響極小，相對(duì)而言受水分子熱運(yùn)動(dòng)的影響極為強(qiáng)烈，導(dǎo)致它們穩(wěn)定地懸浮在水體之中［4］。對(duì)于此類煤泥水，在濃縮澄清過(guò)程中必須添加藥劑，使體系硬度升高后才能實(shí)現(xiàn)煤泥的高效聚沉。表1典型難沉降煤泥水中的離子組成廠名Na++K+/mg?L-1Ca2+/mg?L-1Mg2+/mg?L-1Al3+/mg?L-1Fe3+/mg?L-1總離子含量硬度煤泥水特性臨煥424.2213.629.900.612.881479.924.19難沉降淮北522.5629.167.011439.332.85難沉降夾河328.7736.964.241.352.501188.806.15難沉降2.4煤泥水濃度對(duì)沉降的影響煤泥水濃度是煤泥水性質(zhì)的重要表征，濃度變化直接決定了系統(tǒng)中煤泥量的大小。濃度增大進(jìn)入系統(tǒng)中的煤泥量增大，帶來(lái)煤泥水性質(zhì)的一系列變化：諸如系統(tǒng)細(xì)煤泥的絕對(duì)含量增加，體系動(dòng)力粘度增大，顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度減小，水中離子含量發(fā)生變化，濃縮機(jī)沉降面積不足，藥劑制度紊亂，藥劑不能充分分散等問(wèn)題。當(dāng)井下過(guò)斷層時(shí)，砰石及煤泥含量急劇增加，此時(shí)對(duì)煤泥水系統(tǒng)的影響非常嚴(yán)重。例如在神東公司石圪臺(tái)選煤廠，該廠一年中大部分時(shí)間煤質(zhì)狀況都較好，煤泥含量及灰分較低，但是每當(dāng)井下過(guò)斷層，或者是煤質(zhì)狀況惡化時(shí)，系統(tǒng)中的煤泥量便會(huì)大幅增加，而且灰分較高，導(dǎo)致濃縮及壓濾系統(tǒng)能力嚴(yán)重不足，藥劑添加紊亂，濃縮機(jī)溢流濃度急劇升高，幾乎接近入料濃度。2.5煤泥水粘度對(duì)沉降的影響工藝過(guò)程中，煤泥水粘度實(shí)質(zhì)是煤泥水濃度、粒度組成、礦物組成的一個(gè)綜合表征，在很大程度上受藥劑條件的影響。粘度增大，顆粒沉降速度將顯著減小，煤泥水處理難度增大，煤泥水的有效粘度隨著煤泥水濃度的增大而增大，隨著煤泥組成粒度的減小而增大，一般后者的影響更為明顯。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)水中的煤泥粒度小于45頃時(shí)，煤泥水的有效粘度急劇增大，而當(dāng)水中的煤泥粒度大于45頃時(shí)，煤泥水的有效粘度與水相差不大。在工業(yè)過(guò)程，由于藥劑添加不合理，導(dǎo)致煤泥水粘度產(chǎn)生很大變化，從而影響煤泥沉降效果。絮凝劑本身粘度較大，如果在添加過(guò)程中沒(méi)有充分混合，或者由于粒度組成變細(xì)，濃度升高導(dǎo)致藥劑量偏大時(shí)，煤泥水的濃度將會(huì)急劇增大，導(dǎo)致煤泥沉降困難，甚至?xí)霈F(xiàn)藥劑〃中毒”，煤泥無(wú)法沉降的現(xiàn)象。2.6煤泥水流量對(duì)煤泥沉降的影響煤泥水流量是影響煤泥水沉降的一個(gè)重要的外部工藝因素，一般情況下如果煤泥水性質(zhì)穩(wěn)定，則進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)的煤泥水量也相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)煤泥性質(zhì)發(fā)生變化，如井下過(guò)斷層，入洗量增加，煤泥含量增大且泥化嚴(yán)重時(shí)，由于洗選系統(tǒng)用水量增大，將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入煤泥水系統(tǒng)的煤泥水量大幅增加。煤泥水流量增大，表明進(jìn)入系統(tǒng)的水量和煤泥量都會(huì)增大，由于水流速度加快，藥劑分散不完全，直接導(dǎo)致藥劑虧量，濃縮面積不夠，顆粒來(lái)不及沉降就已排出，導(dǎo)致煤泥水高濃度快速循環(huán)，循環(huán)水水質(zhì)在很短時(shí)間內(nèi)急劇惡化，并且難以發(fā)現(xiàn)，難以處理。2.7藥劑制度對(duì)煤泥水沉降的影響絮凝劑為有一定線性長(zhǎng)度的高分子有機(jī)聚合物，其作用機(jī)理是利用有機(jī)高分子的架橋作用，依靠靜電鍵合、氫鍵鍵合以及共價(jià)鍵鍵合等方式將微粒吸附在一起，形成大而蓬松的絮團(tuán)，從而加速了沉降［5］。一般而言絮凝劑的反應(yīng)時(shí)間很短，加入后很快就可以看到絮團(tuán)成型。目前選煤廠一般選用聚丙烯酰胺作為煤泥水處理部分的絮凝劑，不同分子量絮凝劑對(duì)不同性質(zhì)煤泥水的沉降效果也不同。試驗(yàn)采用三種來(lái)自不同廠家、不同分子量的絮凝劑作為研究對(duì)象，以考察對(duì)某一特定的煤泥水，不同分子量絮凝劑的絮凝效果以及最佳用量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2不同分子量絮凝劑沉降曲線對(duì)比從圖2中可以看出，隨著絮凝劑用量的增加，煤泥沉降速度加快，并逐漸達(dá)到最大值，藥劑量繼續(xù)增加，沉降速度減小。就三種藥劑而言：1200萬(wàn)分子量絮凝劑與1000萬(wàn)分子量絮凝劑沉降效果相差不大，用量少，沉降快。800萬(wàn)分子量絮凝劑沉降效果較差。但分子量過(guò)高會(huì)造成藥劑溶解困難，加上大分子運(yùn)動(dòng)遲緩，吸附的固體顆?？臻g距離太大等原因，反而會(huì)影響絮凝效果。所以，陰離子型聚丙烯酸胺分子量以600~1200萬(wàn)為宜。從分光光度計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，采用各種聚丙烯酰胺絮凝后的澄清液均比較渾濁，透光率低，表明澄清液中殘留了較多的細(xì)粒。試驗(yàn)中可觀察到明顯的選擇性絮凝現(xiàn)象，即聚丙烯酰胺只能使細(xì)粒煤絮凝，而淺色的泥質(zhì)顆粒則滯留于澄清液中。所以，只添加絮凝劑還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，還需要添加一定量的凝聚劑才能達(dá)到高效澄清。特別是對(duì)于高濃度微細(xì)粒難沉降煤泥水體系，只加絮凝劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤泥水深度澄清，藥劑量偏大反而會(huì)使系統(tǒng)粘度急劇增大，導(dǎo)致煤泥水無(wú)法處理。凝聚劑主要是無(wú)機(jī)電解質(zhì)，其作用機(jī)理是改變顆粒表面的電性質(zhì)，通過(guò)電性中和的作用來(lái)解除布朗運(yùn)動(dòng)，使微粒能夠聚集在一起，形成小而緊密的凝聚體。凝聚劑對(duì)懸浮液中微細(xì)粒子作用明顯，但由于微細(xì)顆粒比表面積較大，且電中和過(guò)程中移動(dòng)速度緩慢，所以聚團(tuán)形成需要較長(zhǎng)的時(shí)間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著凝聚劑用量的增加，澄清液透光率提高，與聚丙烯酰胺配合使用后的澄清液透光率可達(dá)90%以上，可以滿足工業(yè)洗選的要求。但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致顆粒的沉降速度變慢，固體沉淀物密實(shí)程度降低。凝聚劑用量過(guò)多時(shí)，絮團(tuán)呈漂浮狀態(tài)，基本不沉降。2.8濃縮面積對(duì)煤泥水沉降的影響分級(jí)設(shè)備中的沉降分離過(guò)程，一般引入海倫模型。該模型假定煤泥水中的固體顆粒和流動(dòng)速度在整個(gè)水池?cái)嗝嫔暇鶆蚍植?，并保持不變，懸浮液在分?jí)設(shè)備中的流動(dòng)是理想的緩慢流動(dòng)，顆粒只要一離開流動(dòng)層，就認(rèn)為已經(jīng)成為沉淀物，該模型又稱淺池原理。根據(jù)淺池原理，在某一分級(jí)粒度下，煤泥水流量W(m3/h)、設(shè)備面積S(m2)與分級(jí)粒度下沉速度v(m/s)之間存在如下關(guān)系：W=Sv(3)即當(dāng)分級(jí)粒度一定時(shí)，所需的設(shè)備面積與煤泥水流量成正比。當(dāng)沉降面積S為1時(shí)，由(3)式可得W=v=3，說(shuō)明分級(jí)粒度的下沉速度與分級(jí)設(shè)備的單位負(fù)荷在數(shù)值上是相等的。式中，3為分級(jí)設(shè)備單位負(fù)荷，m3/(m2?h)。分級(jí)設(shè)備的選取，在設(shè)計(jì)中常用沉淀設(shè)備的單位面積負(fù)荷來(lái)計(jì)算。沉淀設(shè)備的單位面積負(fù)荷通常以每平方米沉淀面積及每小時(shí)所能處理的礦漿量來(lái)表示。S=KW/3(4)式中，K為不均衡系數(shù)，取1.25。從以上的公式推導(dǎo)中可以看到，雖然沉淀設(shè)備的單位負(fù)荷在數(shù)值上與分級(jí)粒度下的沉降速度相等，但是同一分級(jí)粒度下的沉降速度并不唯一。不同粒度組成、不同濃度、不同水質(zhì)條件下的煤泥水在相同分級(jí)粒度下的沉降速度可能完全不同。而式(4)中僅以一個(gè)固定的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)反映分級(jí)設(shè)備的單位負(fù)荷，導(dǎo)致濃縮設(shè)備不能適應(yīng)煤泥水的性質(zhì)變化，當(dāng)煤泥水性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)濃縮面積不足，分級(jí)粒度上限提高，濃縮機(jī)溢流高濃度循環(huán)等事故。3難沉降煤泥水處理的幾點(diǎn)建議煤泥水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的固液兩相分散體系，對(duì)于難沉降煤泥水，微細(xì)顆粒與水形成一個(gè)穩(wěn)定的類膠體體系，組成煤泥水系統(tǒng)的各個(gè)因素都會(huì)對(duì)煤泥水沉降帶來(lái)影響，對(duì)于該類煤泥水的處理，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在煤泥水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要全面考慮煤質(zhì)、選煤廠水質(zhì)對(duì)煤泥水系統(tǒng)可能造成的影響。首先要系統(tǒng)分析入洗原煤的礦物組成，通過(guò)泥化實(shí)驗(yàn)確定泥化程度，對(duì)于礦井型選煤廠，還有必要對(duì)井下底板、頂板及夾砰層的性質(zhì)進(jìn)行泥化實(shí)驗(yàn)分析，預(yù)測(cè)頂?shù)装寮皧A砰的混入對(duì)煤泥水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。對(duì)于選煤廠用水，應(yīng)該對(duì)水中的離子含量，特別是水質(zhì)硬度進(jìn)行細(xì)致分析，以方便在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整藥劑加入量來(lái)改變水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)煤泥水的澄清。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該及時(shí)預(yù)測(cè)，相互協(xié)調(diào)，隨著開采機(jī)械化程度的提高以及井下地質(zhì)條件的惡化，入洗