选煤厂难沉降煤泥水特性及影响因素分析

周圆圆

（山西霍州煤电集团辛置矿选煤厂，山西 霍州 031412）

选煤厂煤泥水作为选煤工艺的关键环节，其处理效果直接影响着选煤效率，而难沉降煤泥水是选煤过程中煤泥水处理形成闭路循环最大的难题。因此，本文拟从难沉降煤泥水的组成及特性，分析影响煤泥水难沉降的因素，以期对解决难沉降煤泥水的难题提供有益参考。

1 选煤厂难沉降煤泥水的组成及特性

1.1 难沉降煤泥水的组成

选煤是我国洁净煤技术的基本手段，煤泥水是湿法选煤过程中产生的工业废水，其沉降循环利用是选煤工艺系统中的关键环节之一。而难沉降煤泥水是指在自然沉降条件下，数天都无法澄清的煤泥水，难沉降的煤泥水严重影响着选煤系统的正常运转，为了实现煤泥水的高效处理，需要研究煤泥水的成分组成。

煤泥水是煤和多种矿物颗粒及其水解后形成的复杂悬浮物，其还包含少量的金属离子和选煤药剂等，具有矿物粒度分布范围大、溶液化学组分复杂的特性[3]。以煤泥水物质来源为基础，分析煤泥水的主要组成：（1）根据所选原煤的变质炭化程度可以把煤分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤，按宏观煤岩结构的不同可分为烛煤、丝炭、暗煤、亮煤和镜煤，不同的煤质对煤泥水特性的影响差异较小；（2）通过XRD衍射成分分析，一般煤中矿物质组成主要包括黏土矿物、氧化矿物、碳酸盐矿物、硫化矿物、硫酸盐矿物及少量其他矿物质，其中黏土矿物是含量最多的矿物，如山西大同和阳泉矿区煤样中粘土矿物含量分别为41.02%和85.64%，常见粘土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石[4]。常见的氧化矿物多以石英为主，且其含量也较大，碳酸盐矿物主要为方解石，硫化矿物主要是与煤炭资源伴生的黄铁矿，硫酸盐矿物的含量较少，如石膏等；（3）针对选煤厂的用水，主要有地表水、浅层地下水、矿井水、深层地下水几种来源，不同水的水质也有一定差异，但都有自然水中的基本离子（阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+， 阴 离 子 Cl-、 SO42-、HCO3-），但不同来源的水含有的各离子差异较大，地表水的矿化程度低，相对硬度也低，浅层地下水矿化度和硬度都有一定增加，且随着深度的增加均增大，而矿井水的矿化度与硬度一般都较低。

1.2 难沉降煤泥水的特性

难沉降煤泥水的性质与其物质组成密切相关，且受到各个物质间的相互影响作用。由于组分的差异，难沉降煤泥水的性质也不相同，但也存在一些共同特性，如煤泥水的浓度高、细粒煤和细泥含量高、黏度大、水的硬度低等。煤泥水的性质直接影响沉降的效果，而难沉降煤泥水不易沉降的原因主要包括以下几个方面的性质。

（1）难沉降煤泥水中含有大量的细颗粒物质，比表面积很大，且表面具有较高的负电性。细颗粒物之间的电荷产生的静电斥力大，使细颗粒呈现分散状态，不易形成大颗粒聚合物沉降。煤泥水中的亲水氧化物容易形成胶体，Zeta电位是用来评价胶体体系稳定性的重要指标，其是通过胶体粒子的带电特性判断胶体的稳定性，Zeta电位越大，表明细颗粒间的静电斥力越大，胶体越稳定。图1为某选煤厂细粒煤和细泥表面Zeta电位与pH值的关系[5]，由图可知，细泥的Zeta电位负值比细粒煤大，因此煤泥水中细泥含量越高，煤泥水越稳定，越难沉降。

图1 细粒煤、细泥颗粒表面电位与pH值的关系

（2）煤泥水不仅有悬浮液的性质，还具有胶体的性质，由于煤泥水中细颗粒物的重量轻，颗粒无规则的布朗运动速度大，在水中呈稳定悬浮状态，仅以自身重力作用下沉难以达到理想的沉降效果。煤泥水中细颗粒物的干扰沉降速度Vg可以用利亚申柯公式表示，即：

式中：

vg-颗粒在煤泥水中的干扰沉降速度，cm/s；

δ-细颗粒物的密度，g/cm3；

d-细颗粒的粒度，cm；

R-煤泥水的液固比。

从式（1）可知，煤泥水中颗粒物的沉降速度vg与颗粒粒度d成二次正比关系，颗粒粒度的分布对沉降速度的影响很大，即颗粒粒度越细，越容易悬浮，煤泥水越不容易沉降，因此细泥和细煤粉难于沉降。

（3）由于煤泥水中细颗粒物的表面存在未补偿的键能，使水分子在其周围定向排列，形成水化膜，阻止颗粒间相互接触生成大颗粒沉降。另外，有些颗粒还与周围水分子发生水化反应，形成阻止细颗粒聚合的水化膜，使煤泥水出现难沉降现象。

2 煤泥水难沉降的影响因素分析

（1）矿物的泥化作用

泥化性主要是由矿物的微观结构所决定，在水中易于泥化的是软质粘土矿物。粘土矿物具有很强的吸水膨胀性，在水中容易软化崩解成比其他矿物粒度小、质量轻的微米级颗粒，使溶液泥化不易沉降，且粘土矿物在水中停留的时间越长，泥化作用越严重，煤泥水的粘度越大，增加了煤泥水的处理难度。而在选煤过程中，不同变质程度的煤都不易泥化，煤层中存在的矸石也不易泥化。不易于泥化的矿物在洗选过程中，由于不会因为水的浸泡和机械破碎作用而形成几十微米以下的极细颗粒，因而较容易沉降，不会形成难沉降煤泥水。

（2）矿物颗粒聚合稳定性

煤泥水中的颗粒在溶液中受重力和布朗运动的作用，当矿物颗粒的粒径大于十几微米时，重力作用大于布朗运动，颗粒自由沉降，且沉降速度符合Stokes定律，即颗粒在溶液中的下沉速度与其半径成正比，半径越小，沉降越缓慢。而颗粒大小的形成，需要考虑颗粒之间的聚合和分散作用，根据EDLVO理论，煤泥水中矿物颗粒总势能为[6]：

式中：

VW-矿物颗粒间的范德华力相互作用能；

VE-矿物颗粒间的静电作用能；

[VH]-矿物颗粒间极化作用，排斥或吸引势能。

矿物颗粒总势能VT值的正负决定了颗粒间的聚合和分散，VT大于0时，矿物颗粒间相互排斥，颗粒处于分散状态，不易沉降；小于0时，相互吸引，颗粒聚合，形成大颗粒沉降。而且粘土矿物颗粒常带负电荷，容易吸附煤泥水中的阳离子，但由于静电作用能和布朗运动，只有一部分吸附在颗粒表面，另一部分散布于溶液与颗粒之间形成了颗粒与离子间的扩散双电层模型。在离子电场作用下，粘土颗粒与溶液间产生相对移动的“滑动面”与本体之间的电势差为ζ电位，其大小决定了煤泥水的沉降难易程度，ζ电位越大，矿物颗粒间产生的静电斥力越大，阻止矿物颗粒的聚合，矿物颗粒越难沉降；ζ电位越小，煤泥水越容易沉降。

（3）选煤水的水质

选煤水作为煤泥水的重要组成，不仅是选煤的重要介质，也给煤泥水的形成提供了条件。不同地区选煤厂的水质差别较大，水中离子的含量和水的硬度也相差悬殊，其水质与煤泥水的沉降难易程度密切相关。离子的含量高、硬度大的选煤水一般不需要特殊处理就能实现煤泥水循环澄清，而离子含量低、硬度小的选煤水极易形成难沉降煤泥水。另外，由于现代选煤厂的大型化，空间利用集约化，使煤泥水的循环流量很大，而且循环的周期较短，因此在受限的空间和时间也极大地影响了煤泥水的沉降。

3 结语

通过对煤泥水难沉降影响因素的分析表明，软质粘土的泥化作用是煤泥水难沉降的直接因素；煤泥水中矿物颗粒粒度越小，越难沉降；ζ电位越大，矿物颗粒间产生的静电斥力越大，煤泥水越难沉降；离子含量低、硬度小的选煤水极易形成难沉降煤泥水，受限的空间和时间也是影响煤泥水难沉降的重要因素。