内蒙古凯达选煤厂难沉降煤泥水沉降试验研究

白景启，袁广春

(1.天地科技股份有限公司 唐山分公司，河北 唐山 063000； 2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012;3.海王旋流器有限公司,山东 威海 264200)

内蒙古凯达选煤厂难沉降煤泥水沉降试验研究

白景启1,2，袁广春3

(1.天地科技股份有限公司 唐山分公司，河北 唐山 063000； 2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012;3.海王旋流器有限公司,山东 威海 264200)

针对内蒙古凯达选煤厂煤泥中高岭土含量高、微细颗粒所占比例大、难于沉降的特点，以内蒙古凯达选煤厂煤泥水为研究对象，研究了九种不同凝聚剂对该厂煤泥水的沉降效果。试验结果表明：对于该煤泥水，AlCl3作为凝聚剂沉降效果最好；并通过正交试验，得出AlCl3的最佳药剂用量为6 g/L，添加后以80 r/min的速度搅拌30 s，沉降效果最佳。

煤泥水；凝聚剂；药剂用量；沉降效果

随着选煤机械化程度的提高，原煤中细粒煤所占的比例越来越大[1]。一直以来，选煤厂煤泥水的处理问题始终是煤炭洗选加工过程中的难题。目前国内选煤厂煤泥水处理的基本现状是，受到资金、技术和管理等各方面因素的制约，有一些选煤厂并未实现洗水闭路循环，尤其是小型选煤厂[2]，煤泥回收率低以及煤炭资源浪费的问题比较突出。伴随着世界各国环保压力的不断加大以及节能减排要求的不断提高，迫切需要找出更加高效的处理方法，以便从根本上改变煤泥水难于处理的现状[3]。近年来，虽然我国煤炭入选比例逐年增加，但是仍远远低于世界的原煤入选比例，因此对煤炭进行洗选加工、发展洁净煤技术势在必行[4]。同时，随着国家环保法律、法规的逐渐完善，以及监管力度的逐渐加大，对煤泥水处理技术提出了更高的要求，特别是对于难沉降煤泥的处理。

凯达选煤厂是内蒙古伊泰煤炭股份有限公司一座处理能力为6.0 Mt/a的群矿型动力煤选煤厂，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗境内，行政隶属于准格尔旗羊市塔镇管辖，与伊泰集团凯达煤矿位于同一个工业广场内。该厂入选煤种为不粘煤，矸石易泥化，煤泥中高岭土含量高，且微细粒(<0.25 mm)含量高达80%，处理比较困难。为此，对该厂煤泥水的组成和性质进行了详细分析，通过分析煤泥粒度与沉降速度的关系，并结合煤泥水的电动电位等因素，对煤泥水样品进行反复对比试验，最终确定了药剂的最佳添加方案。

1 煤泥水性质分析

1.1 煤泥粒度组成分析

煤泥是由粒度、形状以及密度差别较大的颗粒混合在一起组成的，这就决定了煤泥粒度组成的复杂性。煤泥的沉降速度和煤泥粒度有着密切的关系[5]，是影响煤泥水处理的重要因素。为了准确分析煤泥的粒度组成，试验采取内蒙古凯达选煤厂烘干后的煤泥样品，根据现场浮选尾煤浓度，配制了浓度为30 g/L的煤泥矿浆，利用激光粒度分析仪对其进行了检测分析，试验结果如图1所示。

图1 凯达选煤厂煤泥粒度分布曲线

根据激光粒度分析仪的测定结果可知，浓度为30 g/L煤泥矿浆的d50=1.83 μm，d90=4.40 μm。通过对测定的试验数据进行分析可知，该煤泥粒度极细，其中的细泥部分主要是因伴生矿石的泥化作用造成的。

1.2 煤泥样品组成分析

采用X射线荧光光谱分析(XRF)对煤泥样品中易泥化的伴生矿石进行了分析和检测，以确定其化学成分和矿物组成，测试结果见表1。

表1 煤泥样品的XRF检测结果

对光谱分析检测结果进行分析可知，煤泥伴生矿石中的化学成份组成主要有：SiO2(58.65%)、Al2O3(26.34%)、Fe2O3(3.26%)、Na2O(2.97%)、MgO(3.14%)、CaO(2.43%)、K2O(1.69%)、TiO2(0.724%)等，还含有少量的CuO、ZrO2、ZnO、Br、Rb2O等。

1.3 煤泥泥化性质的测定

取30 g经缩分后的煤泥样品浸入水中，将JJ-1型搅拌机的搅拌速度调节至30 r/min，使煤泥伴生矿石在搅动的水流中泥化，定时捞出测量伴生矿石的质量，测量值见表2，样品质量随时间变化曲线见图2。

表2 煤泥样本随时间泥化的变化数据

图2 样本质量随时间的变化曲线

通过转鼓泥化试验结果可知，经过一定的旋转，煤样开始泥化，分散成很多细小的灰白颗粒。30 min左右伴生矿石的泥化作用基本停止，表明伴生矿石的泥化作用较为明显，泥化速度快。由于该煤泥粒度细，粘性大，易与水形成稳定的液溶胶，难于沉降[6]，致使煤泥水能够长久的保持悬浮状态。长时间处于悬浮状态的煤泥水的很稳定，极不容易处理[7]。

1.4 煤泥水样品ζ电位的测定

煤泥水中粒度<2 μm的微细颗粒主要是黏土矿物颗粒，这些颗粒的聚沉稳定性决定着煤泥水处理的难易程度[8]。黏土颗粒溶于水时会发生解离，解离的结果是使颗粒表面带负电荷，黏土颗粒必然要去吸附溶液中处于游离状态的阳离子，此时热运动与静电引力将会共同作用，作用结果是使只有一部分阳离子能紧密地吸附在颗粒的表面，而另一部分阳离子扩散于紧密层与本体溶液之间, 从而形成黏土颗粒与溶液中离子之间特有的扩散双电层模型[9]。煤颗粒与黏土颗粒类似，在电场力的作用下，固-液之间将会发生相对移动，这种移动造成滑动面与本体之间产生了电势差，形成的电势差即为ζ电位。

为了考查煤泥颗粒表面的电动电位，采用JS94H型电泳仪对颗粒电性进行检测分析，结果见表3。

表3 煤泥电动电位测量结果

难沉降煤泥水是一个比较稳定的胶体体系，煤泥颗粒表面带有电荷，正是由于这些颗粒带有电荷，才阻止了煤泥颗粒间的相互碰撞与聚集，从而使得煤泥水不易沉降。通过试验数据可知，煤泥矿浆中颗粒表面呈负电性，电动电位平均检测值为-14.35 mV。煤泥颗粒具有较强的负电性，致使体系中的颗粒相互排斥，影响沉降效果[10]。

2 试验样品的制备

本试验方案的制定严格遵循了GB/T 26919—2011《选煤厂煤泥水自然沉降试验方法》中的规定。按标准规定，从现场缩取一份试样进行翻转试验，待到翻转试验结束后，将煤泥水静置沉降，直到上层的煤泥水变清澈，再取出上层澄清液用于以后的筛分喷水；上清液取出后，先将筒内>3 mm粒级的物料筛除，再将筒内粒度>0.5 mm粒级的物料除去，在筛分的过程中应加喷水以提高筛分的效率。将浮选前煤泥水试样按GB/T4757—2013《煤粉(泥)实验室单元浮选试验方法》进行浮选试验(应进行多次浮选试验，以获取足够的尾矿煤泥水)。根据现场资料可知，浮选机浮选后进入浓缩机的煤泥水浓度为30.15 g/L，因此配制浓度为30.15 g/L的煤泥水。试验完成后，将所得的尾矿煤泥水盛入塑料桶内密封，并置于室温下存放备用。

3 煤泥水沉降试验

3.1 添加凝聚剂沉降试验

配制30.15 g/L的煤泥水样品足量，将煤泥水分别倒入已准备好的500 mL量筒中，再快速地向各量筒中加入配制好的凝聚剂进行沉降试验。在试验过程中，每隔5 min观察一次试验现象，并做好试验记录，根据试验数据绘制煤泥水沉降曲线。本试验以澄清区高度(mm)、沉降速度(mm/min)、上清液的浊度(NTU)、ζ电位(mV)为评价指标。

试验选取了九种不同的凝聚剂，沉降试验结果见表4，并将其中沉降效果较好的7种药剂的沉降曲线绘于图3。

表4 凝聚剂沉降试验结果

图3 不同凝聚剂的沉降曲线

由图3沉降试验结果可知：

(1) 在凝聚剂的添加量为2 g/L时，AlCl3、FeSO4、ZnCl2、MnSO4、MgCl2沉降速度较快。

(2)单独添加低浓度CaCl2时，沉降效果不理想。

(3) KCl和CaO对该煤泥水的沉降效果不明显，这两种药剂加入30 min后煤泥水沉降界面几乎没有变化，溶液仍然很浑浊，透光率极低。其中凝聚剂KCl虽是易溶于水的盐酸盐，在水中电离出K+，但由于该阳离子电荷量较低，在加药量较小的情况下不能给煤泥水的沉降带来较好的效果；煤泥水中加入CaO时，由于有Ca(OH)2生成，会使煤泥颗粒处于弱碱性的环境中，因而不利于煤泥颗粒的沉降。

(4) 在本次试验中PAC的沉降效果一般。对电动电位的试验数据进行分析可以得出，Al3+、Fe2+、Mg2+在降低煤泥水电动电位方面具有明显的效果，能够有效地改善煤泥颗粒表面的电动电位，使煤泥颗粒发生沉降。

经综合考虑，确定选用AlCl3作为凝聚剂处理该煤泥水。由于经凝聚剂AlCl3处理后煤泥水已达到较为理想的沉降效果，故本试验不考虑用絮凝剂与凝聚剂联合用药来处理该煤泥水。

4 最佳试验条件的确定

在沉降试验中，凝聚剂的添加量、搅拌速度以及搅拌时间都会影响试验结果，因此确定以AlCl3用量(A)、搅拌速度(B)、搅拌时间(C)为三因素，进行了三因素三水平的正交试验，因素水平表见表5。

表5 因素水平表

根据表5设计L9(33)正交试验，每次取配置好的浓度为30.15 g/L的煤泥水样品，加入一定量的AlCl3，以特定的搅拌速度搅拌，搅拌一定时间后倒入沉淀柱进行沉降试验。试验结果见表6。

表6 正交试验结果

由于对该煤泥水做了大量的沉降试验，总结出当上清液浊度提高1%的时候，相当于沉降高度提高了的2%，因此，表6中的综合评分是用上“清液浊度×2+沉降高度”来表示的。

通过对表6分析可知：

(1)搅拌速度与药剂的用量对煤泥沉降效果的影响最大，搅拌时间则影响较小。

(2)煤泥水沉降效果在一定范围内随着凝聚剂用量的增加而变好，但并不是越多越好。另外，加入凝聚剂后需要对溶液进行适当的搅拌，而且需要控制好搅拌时间。

(3)该正交试验的最优组合是A3B1C2,即AlCl3的用药量为6 g/L，搅拌时间30 s，搅拌速度80 r/min。

5 结论

(1)通过添加几种不同的凝聚剂进行凝聚沉降试验可知，在凝聚剂的添加量为2 g/L时，AlCl3、FeSO4、ZnCl2、MnSO4、MgCl2沉降速度较快，效果明显。对电动电位的试验数据进行分析可以得出，Al3+、Fe2+、Mg2+在降低煤泥水电动电位方面具有明显的效果，能够有效地改善煤泥颗粒表面的电动电位，使煤泥颗粒发生沉降。

(2)经综合考虑，确定选用AlCl3作为凝聚剂处理该煤泥水，由于经凝聚剂AlCl3处理后的煤泥水溶液已达到较为理想的沉降效果，故本试验不考虑用絮凝剂与凝聚剂联合用药来处理该煤泥水。

(3)通过正交试验，确定了最佳试验条件即AlCl3的用量为6 g/L，搅拌时间30 s，搅拌速度80 r/min。

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Research on settlement characteristics of difficult settling coal slurry in kaida coal preparation plant of Inner Mongolia

BAI Jing-qi1,2,YUAN Guang-chun3

(1. Tangshan Branch of Tiandi Science & Technology Co.,Ltd., Tangshan, Hebei 063000, China；2. Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012, China; 3. Weihai Haiwang Hydrocyclone Co. Ltd., Weihai, Shandong 264200, China)

Aiming at the coal slime that is characterized by high content of kaolin, large amount of micro-fines, difficult settling in kaida coal preparation plant of Inner Mongolia, settling effect of coal slurry from this plant was studied by using nine different coagulating agents. The test results show that coagulating agent AlCl3is the most appropriate for this coal slurry; the best settling effect is obtained by orthogonal experiment when the dosage of AlCl3is 6 g/L, stirring 30 s at a speed of 80 r/min.

coal slurry; coagulating agent; orthogonal experiment

TD946.2

A

1001-3571(2015)04-0026-05

2015-04-30

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.007

白景启(1980—)，男，黑龙江省肇东市人，工程师，从事选煤工艺设计工作。

E-mail：13903158087@163.com Tel：0315-7759023