选煤厂煤泥水沉降效果试验研究

2021-05-19李敏恒王先鹏李凌月张宇龙周生伦

煤炭加工与综合利用 2021年4期

李敏恒，王先鹏，李凌月，张宇龙，周生伦

(1.陕西华电榆横煤电有限责任公司，陕西榆林 719000；2.华电电力科学研究院有限公司，北京 100070)

1 概述

煤泥水处理是选煤生产工艺中的一个关键环节，如果煤泥水处理不好，循环水质量将无法满足正常生产，严重时不得不将煤泥水外排，从而造成经济效益下降、环境污染[1-3]。目前，在煤泥水的处理过程中，需要用到絮凝剂、凝聚剂等，药剂的合理使用决定了煤泥水处理的难易程度[4-6]。

从各选煤厂的生产情况看，随着采煤机械化程度的提高，分选下限的降低，细粒煤所占比例逐渐增大。由于煤泥颗粒粒度细、灰分高和易泥化等特点，致使煤泥水沉降困难，大多数选煤厂的现有煤泥水处理方式都存在一些问题[7-10]。本文以小纪汗选煤厂不同浓度煤泥水为研究对象，通过对煤泥水进行絮凝沉降试验，分析煤泥水浓度、凝聚剂种类及絮凝剂用量对煤泥水沉降效果的影响，以期提高选煤厂的煤泥水处理效果。

2 试验

絮凝沉降性能试验参照《选煤用絮凝剂性能试验方法》(GB/T 18712—2002)[11]，采用聚丙烯酰胺(分子量1 200万)作为絮凝剂，配置浓度为0.1%的聚丙烯酰胺溶液和浓度为1%的凝聚剂溶液。选取初始沉降速度、上澄清液浊度作为评价絮凝沉降效果的指标。初始沉降速度为：

式中：v——澄清界面的初始沉降速度，cm /min；

Ti——某一累计时刻 (i=0，1，2，3，…，n)，s；

Hi——对应于Ti的澄清界面累计下降距离，mm；

A——直线段首端型值点顺序号；

B——直线段末端型值点顺序号；

M——直线段A到B的型值点的累计个数，M=B-A+i。

图1 不同煤泥水浓度和絮凝剂量条件下的沉降结果

图2 不同煤泥水浓度条件下浊度随絮凝剂量的变化

3 结果与讨论

3.1 不同凝聚剂效果对比

为探索不同凝聚剂对煤泥水絮凝沉降效果的影响，选择MgCl2、FeCl3、聚合氯化铝和CaCl2为4种常用的凝聚剂。在煤泥水浓度为74 g/L条件下，添加分子量为1 200万的絮凝剂量为10 g/m3，凝聚剂：絮凝剂质量比为3∶1，探索不同凝聚剂条件下的煤泥水沉降速度，试验结果见表1。

由表1中可知，使用聚合氯化铝时煤泥水沉降速度最快，主要因为聚合氯化铝有吸附和电中和作用，也有网捕和桥联作用，且带有高价阳离子(Al3+)的凝聚剂更利于压缩煤泥水中固体颗粒表面的双电层。所以选用聚合氯化铝作为凝聚剂效果最佳。

表1 凝聚剂对煤泥水沉降效果的影响

3.2 不同煤泥水浓度沉降效果响应面法分析

为分析煤泥水浓度和药剂添加量对沉降效果的影响，采用响应面法分析了2种因素对响应值沉降速度和浊度的影响。

3.2.1 初始沉降速度响应面法分析

根据初始沉降速度试验数据，对Design-Expert推荐的4种模型进行了R2综合分析，见表2。结果表明，4种模型中，二次方模型的标准偏差和预测残差平方和均较小，R2和R2预测值均较大，因此决定采用二次方模型进行试验结果的模拟及分析。

表2 R2综合分析(初始沉降速度)

对二次方模型的模型参数进行了方差分析，见表3。采用F值检验法对模型参数的显著性进行了检验，其中，当模型参数的“Prob>F”大于0.1时，说明该参数不显著；当“Prob>F”小于0.05时，说明该参数显著。从表3中可以看出，模型中的X1、X2、X1X2、X12、X22因素显著。通过模拟得出了初始沉降速度与X1、X22因素的数学关联式：

初始沉降速度=82.55-153.80X1+171.81X2-201.38X1X2+76.97X12+84.19X22

式中：X1——煤泥水浓度，g/L；

X2——药剂量，g/m3。

表3 二次方模型参数的方差分析(初始沉降速度)

基于初始沉降速度数学关联式，对预测结果和试验结果进行了对比分析。试验值和预测值的对比见图3，从图中可以看出试验值和预测值吻合度较高。

图3 初始沉降速度试验值和预测值的对比

图4为煤泥水浓度和絮凝剂量对初始沉降速度的影响。由图4可知，煤泥水浓度一定时，随着絮凝剂添加量的增加，初始沉降速度逐渐增加。当絮凝剂添加量一定时，随着煤泥水浓度的增加，初始沉降速度逐步减小。低浓度煤泥水对药剂比较敏感，药剂量增大后，初始沉降速度增加较快，而高浓度煤泥水存在一段沉降速度变化较小的区域，高于该区域的药剂量后沉降速度变化较快。

图4 絮凝剂量和煤泥水浓度对初始沉降速度的影响

3.2.2 上澄清液浊度响应面法分析

根据上澄清液浊度试验数据，对Design-Expert推荐的4种模型进行了R2综合分析，见表4。结果表明，4种模型中，立方模型的标准偏差和预测残差平方和均较小，R2、R2校正值、R2预测值均较大，因此决定采用立方模型进行试验结果的模拟及分析。

表4 R2综合分析(上澄清液浊度)

表5 立方模型参数的方差分析(上澄清液浊度)

对立方模型的参数进行了方差分析，见表5，采用F值检验法对模型参数的显著性进行了检验，其中，当模型参数的“Prob>F”大于0.1时，说明该参数不显著；当“Prob>F”小于0.05时，说明该参数显著。从表5中可以看出，模型中的X1、X2、X1X2、X12、X22、X12X2、X1X22、X13因素显著，同时可以看出X1因素的显著性高于X2因素。通过模拟得出了上澄清液浊度与X1、X22因素的数学关联式：

上澄清液浊度=79.23-343.82X1+528.05X2-1733.77X1X2+558.48X12+1209.25X22+1300.42X12X2- 1643.06X1X22-262.97X13+389.42X23

基于上澄清液浊度数学关联式，对预测结果和试验结果进行了对比分析，试验值和预测值的对比见图5，从图中可以看出试验值和预测值吻合度较高。图6为絮凝剂量和煤泥水浓度对煤泥水浊度的影响。

图5 上澄清液浊度试验值和预测值的对比

图6 絮凝剂量和煤泥水浓度对煤泥水浊度的影响

由图6可知，煤泥水浓度一定时，随着絮凝剂添加量的增加，上澄清液浊度先减小后增加。当絮凝剂添加量一定时，随着煤泥水浓度的增加，上澄清液浊度反而减小。因为煤泥水浓度增加，煤泥的沉降速度减慢，聚丙烯酰胺有机高分子有更多的时间将细颗粒相互连接，液固界面明显，因此浓度高时反而浊度会降低。在上述试验范围内，浊度的变化也可近似指数函数描述。