后所煤矿选煤厂难沉降煤泥水沉降特性研究

冷小顺

(云南省后所煤矿，云南 富源 655500)

后所煤矿选煤厂难沉降煤泥水沉降特性研究

冷小顺

(云南省后所煤矿，云南 富源 655500)

为探索后所煤矿选煤厂难沉降煤泥水的有效沉降方法，以该厂煤泥水为研究对象，基于煤泥水性质分析进行自然沉降试验、凝聚沉降试验、凝聚-絮凝联合沉降试验。试验结果表明：粘土矿物含量高，水的硬度小、浓度高，颗粒表面电负性强是煤泥水难沉降的主要原因；凝聚-絮凝联合沉降可显著提高煤泥水的沉降效果，当PAC、PAM用量分别为200、9 mg/L时，煤泥水沉降效果最好，上清液浊度为41.90 NTU，初始沉降速度为8.13 cm/min。

难沉降煤泥水；沉降特性；凝聚-絮凝联合沉降

云南省后所煤矿选煤厂是一座设计能力为0.90 Mt/a的矿区型选煤厂，原煤洗选工艺为不脱泥无压给料三产品重介质旋流器分选、粗煤泥小直径旋流器分选、细煤泥浮选、浮选精矿沉降离心机回收、浮选尾矿浓缩压滤回收的联合工艺。入选原煤为1/3焦煤，主导产品为炼焦精煤，主要供昆明钢铁控股有限公司等钢厂使用。近年来，随着矿井开采的持续深入，井下煤层变薄，煤层构造和断层增多，入选原煤中易泥化矸石量大幅增加，致使煤泥水沉降困难，且添加药剂后沉降效果不显著，循环水浓度居高不下，严重影响正常生产。

国内外关于难沉降煤泥水的研究较多，理论研究主要集中在煤泥水中不同种类粘土矿物和煤泥水溶液化学特性对煤泥水沉降特性的影响，应用研究主要集中在煤泥水处理药剂的研发与使用方面。国外E.Sabah等研究证实, 煤泥水中约一半的悬浮颗粒是粘土矿物，粘土矿物决定煤泥水的凝聚效果和煤泥的脱水性能[1]。张明青等[2-5]研究了煤泥水的硬度对不同粘土矿物的作用, 分析了其对煤泥水絮凝沉降的影响；由于特殊的膨胀性，蒙脱石比其他粘土矿物更容易提高煤泥水的悬浮稳定性和煤泥的脱水难度。张志军[6]的研究表明：原生硬度是影响煤泥水沉降性能的关键因素，原生硬度低，煤泥水难处理。唐海香等[7]对煤泥水的絮凝过程进行了动力学分析，认为絮凝条件、颗粒大小、絮凝剂性能及其用量等因素都会影响絮凝速度。李静等[8]研究了高泥化煤泥水的絮凝沉降，认为煤泥颗粒的负电性影响煤泥水的絮凝沉降。

为探索后所煤矿选煤厂难沉降煤泥水的有效处理方法，以该厂煤泥水为研究对象，系统分析其矿物组成、粒度组成、离子含量、硬度、电动电位，并进行自然沉降试验、凝聚沉降试验、凝聚-絮凝联合沉降试验，研究其沉降特性和沉降效果。

1 试验

1.1 试验仪器与试剂

试验仪器主要包括D/Max-RA型转靶X射线衍射仪，Microtrac S3500型激光粒度分析仪， DIONEX ICS-1100型离子色谱分析仪，PHS-2F型pH计，JS94J型ZATA电位仪，WGZ-1A型光电浊度仪，φ100×1200煤泥水自然沉降试验柱。

试验试剂包括凝聚剂聚合氯化铝(PAC)、氯化钙(CaCl2)和絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)，PAC是现场目前正在使用的凝聚剂，CaCl2来自实验室，PAM为进口药剂。

1.2 试验方案与评价指标

1.2.1 试验方案

试验煤泥水为后所煤矿选煤厂浓缩机入料。称取一定量的煤泥水并将其烘干，取少量烘干煤泥，研磨至粒度<0.045 mm。采用D/Max-RA型转靶X射线衍射仪对煤泥的矿物组成进行分析，并通过实验室湿法筛分方法测定其粒度组成和各粒级的灰分。

取一定量自然澄清煤泥水的上清液，采用DIONEX ICS-1100离子色谱分析仪测定其中的无机盐离子含量，利用PHS-2F型pH计测定煤泥水自然澄清溶液的pH值，采用络合滴定法测定煤泥水自然澄清溶液的硬度。通过烘干法测定煤泥水的浓度。将煤泥水自然沉降24 h，采用ZATA电位仪测定煤泥水上清液的ζ电位。

参照GB/T 26919—2011《选煤厂煤泥水自然沉降试验方法》[9]和GB/T 18712—2002《选煤用絮凝剂性能试验方法》[10]进行煤泥水的自然沉降试验和絮凝沉降试验，并通过WGZ-1A型光电浊度仪测定煤泥水的上清液浊度。

1.2.2 评价指标

(1)通过悬浮颗粒沉降速度和残余悬浮物百分率来评价煤泥水的自然沉降效果，悬浮颗粒沉降速度和残余悬浮物百分率计算公式为：

式中：vi为对应于某一取样时刻ti的悬浮颗粒沉降速度，cm/min；Hi为对应于某一取样时刻ti的液面至取样口距离，mm；ti为取样时刻，s；Pi为取样口煤泥水样对应于某一取样时刻ti的残余悬浮物百分率，%；ci为取样口煤泥水样对应于某一取样时刻ti的悬浮物浓度，g/L；c0为取样口最初取样的悬浮物浓度，g/L。

(2)采用上清液浊度和初始沉降速度作为煤泥水絮凝沉降的评价指标。通过WGZ-1A型光电浊度仪测定煤泥水的上清液浊度，通过逐级计算平均初始沉降速度的方法来得到初始沉降速度。

2 煤泥水性质

2.1 固相性质

2.1.1 粒度组成

煤泥的粒度组成在很大程度上决定了煤泥水固液分离和净化处理的难易程度，对煤泥水的沉降效果起决定作用。通常煤泥粒度越细，煤泥水沉降越困难[11]。后所煤矿选煤厂的煤泥粒度组成如表1所示。

表1 煤泥粒度组成Table 1 Size composition of coal slurry %

由表1可知：随着粒级的持续减小，各粒级产率不断增大，各粒级灰分呈先减小后增大趋势；<0.125 mm粒级的产率和灰分均呈增大趋势，<0.045 mm粒级的产率和灰分增幅最大；<0.045 mm粒级的灰分高达67%，说明高灰细泥含量大，这对煤泥水的沉降效果有重要影响。灰分越高矿物含量越大，粘土含量越多，煤泥水体系越稳定，煤泥水沉降越困难[12]。

2.1.2 矿物组成

采用D/Max-RA型转靶X射线衍射仪对煤泥的矿物组成进行分析，煤泥的X射线衍射图谱如图1所示。

图1 X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern

由图1可知：

(1)煤泥中的粘土矿物含量很高，平均含量约占矿物总量的60%～80%[3]，主要包括高岭石、伊利石、伊/蒙混层，其中高岭石含量最多；氧化矿物为石英，含量仅次于粘土矿物；硫酸盐矿物为方解石、白云石，含量较少；硫化矿物为黄铁矿，含量也较少；其他矿物含量均很少。

(2)氧化矿物、硫酸盐矿物的性质稳定，在水中易沉降，对煤泥水沉降过程影响不大；此外，硫酸盐矿物易使溶液产生酸性，能促进盐类矿物在水中的溶解，有助于微细颗粒的沉降。由于其他矿物含量很少，对煤泥水沉降影响不大[13]。

(3)由于粘土矿物在水中易膨胀泥化，表面电荷多，比表面积大，离子交换吸附能力强，不但能使煤泥水分散体系稳定存在，而且自身具有强化机制。粘土矿物泥化后产生较大的表面，一方面直接使其表面电荷增加，另一方面通过加强矿物表面的离子交换吸附来降低水中高价离子的含量，进一步使其表面电荷增多，从而使颗粒不易聚集而以悬浮状态存在。这种现象的存在进一步加剧了泥化作用，使整个悬浮液体系在更高层次上稳定存在，并不断重复上述过程直至达到动态平衡，宏观上形成大量难沉降的泥质物料，这些物料在系统中循环积聚，进而形成高泥化煤泥水。这与煤泥粒度组成分析结果一致。

2.2 液相性质

后所煤矿选煤厂煤泥水液相性质分析结果如表2所示。

表2 煤泥水液相性质Table 2 Liquid-phase properties of coal slurry

由表2可知：

(1)煤泥水中SO2-4、Na+、Cl-的含量较高，Ca2+、Mg2+的含量较低。SO2-4、Na+含量高说明煤泥中含有可溶性的硫酸盐矿物和钠盐矿物，Cl-含量高可能与目前使用的PAC有关，Ca2+、Mg2+含量低与煤泥水中粘土矿物的离子交换吸附有关。

(2)浓度较高，硬度较大，不利于煤泥水沉降；pH值为中性偏弱酸性，理论上有利于煤泥水的沉降；ζ电位较高，说明胶体颗粒带有较多的负电荷，煤泥水难沉降。

3 煤泥水沉降特性

3.1 自然沉降试验

为全面了解煤泥水的沉降特性，采用沉降柱进行自然沉降试验，测定其在自然沉降状态下的沉降速度分布，结果如图2所示。

图2 自然沉降速度分布曲线Fig.2 Distribution curve of free settling velocity

由图2可知：煤泥水极难沉降，自然沉降速度很慢，上清液中残余悬浮物的百分率很高，不可能通过自然沉降获得澄清的上清液。当悬浮颗粒沉降速度为2 cm/min时，残余悬浮物的百分率仍高达75%。

3.2 加药沉降试验

现场煤泥水采用PAC与PAM联合添加的方式进行处理，为检验凝聚剂的沉降效果，分别采用PAC和实验室的CaCl2进行沉降对比试验，并将二者分别与PAM联合使用。

3.2.1 凝聚沉降试验

采用PAC和CaCl2分别对煤泥水进行沉降试验，探索二者的沉降效果及其最佳用量，结果如表3所示。

表3 凝聚沉降效果Table 3 Result of sedimentation test using coagulant

由表3可知：随着凝聚剂用量的增大，上清液浊度逐渐降低，且降幅不断减小；在上清液浊度相同时，CaCl2的用量远大于PAC的用量，这与铝离子价位高、分子量小及PAC的特殊结构有关。综合考虑药剂用量和上清液浊度变化，PAC用量宜选用200 mg/L，CaCl2用量宜选用1 000 mg/L。

PAC的凝聚效果较好，但Al3+在pH值大于6时主要以氢氧化物沉淀的形式存在[14]，循环水中溶解铝的总量几乎小于1 mg/L，投放的铝盐大部分随浓缩机底流流失[2]，不能在煤泥水系统中循环。CaCl2用量较大，但Ca2+可以在煤泥水系统中循环，从而减少后续凝聚剂的用量，Mg2+也有相同的作用。在实际生产过程中，可以考虑将PAC与钙镁离子类凝聚剂混合使用，以降低药剂成本。

3.2.2 凝聚-絮凝联合沉降试验

以PAC、PAM分别作为凝聚剂和絮凝剂，PAC用量为200 mg/L，在此条件下进行凝聚-絮凝联合沉降试验，结果如表4所示。

表4 PAC与PAM联合沉降试验结果Table 4 Result of sedimentation test using PAC and PAM

由表4可知：随着PAM用量的增大，上清液浊度逐渐降低，初始沉降速度逐渐增大，煤泥水沉降效果不断改善。综合考虑上清液浊度和初始沉降速度，PAM用量宜选用9 mg/L。

在煤泥水浓度为86.76 g/L时，分别以PAC、PAM作为凝聚剂和絮凝剂，对其进行凝聚-絮凝联合沉降，当PAC用量为200 mg/L，PAM用量为9 mg/L时，煤泥水沉降效果最好，上清液浊度为41.90 NTU，初始沉降速度为8.13 cm/min。

4 结论

通过煤泥水性质分析、自然沉降试验、加药沉降试验可得出如下结论：

(1)粘土矿物含量很高是煤泥难沉降的直接原因。氧化矿物、硫酸盐矿物的性质稳定，在水中易沉降，对煤泥水沉降过程影响不大。硫酸盐矿物易使溶液产生酸性，能促进盐类矿物在水中的溶解，有助于微细颗粒的沉降。其他矿物含量很少，对煤泥水沉降影响不大。

(2)浓度较高，硬度较小，ζ电位较高，不利于煤泥水沉降；pH值为中性偏弱酸性，有利于煤泥水的沉降。

(3)该厂煤泥水为极难沉降煤泥水，自然沉降速度很慢，实际生产中不可能获得自然澄清的上清液。在煤泥水浓度为86.76 g/L时，分别以PAC、PAM作为凝聚剂和絮凝剂，对其进行凝聚-絮凝联合沉降，当其用量分别为200、9 mg/L时，煤泥水沉降效果最好。

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Research on sedimentation characteristics of difficult settling coal slurry from Housuo mine coal preparation plant

LENG Xiao-shun

(Yunnan Housuo Coal Mine, Fuyuan, Yunnan 655500, China)

In order to find effective sedimentation methods of difficult settling coal slurry in Housuo mine coal preparation plant, free settling test, settling test using coagulant and this test using coagulant & flocculants are made on the basis of coal slurry properties.The result shows: the reason of difficult settling for coal slurry is caused by high content of clay mineral, water with small hardness and high concentration, strong electronegativity on the surface of particle; remarkable settling result of coal slurry can be improved by using coagulant & flocculants, what's more, the best settling result is obtained at dosage of 200 mL coagulant and 9 mL flocculants, with supernatant liquor of 41.90 NTU turbidity and initial settling velocity of 8.13 cm/min.

difficult settling coal slurry; sedimentation characteristics; associated settling using coagulant & flocculants

1001-3571(2015)03-0008-04

TD946.2

A

2015-04-10

10.16447/j.cnki.cpt.2015.03.003

冷小顺(1961—)，男，云南省宣威市人，工程师，从事煤炭洗选加工管理工作。

E-mail:2390302880@qq.com Tel：13887474917