细煤泥脱水技术研究进展*

姚 雷,高 博,李周锋,刘莉君,于 伟

(1.陕西新能选煤技术有限公司,陕西 西安 710100;2.西安科技大学 化学与化工学院,陕西 西安 710054)

0 引言

煤炭目前仍是中国的主要能源,煤炭洗选加工是实现煤炭低碳洁净利用的重要手段。目前,选煤厂仍以湿法选煤工艺为主,如跳汰选、重介选以及浮选工艺等,均以水或以水配制重介质作为分选介质进行煤炭洗选,循环水需求量在3～4 m3左右。细粒煤及矿物成分与水混合形成煤泥水,由于煤泥水不能外排,其有效处置对选煤厂正常生产及整体经济效益具有重要作用[1]。

随着煤炭开采机械化程度的提高,产生的细煤泥占原煤的比例不断增加。原煤中的细煤泥具有细粒级物料含量大、比表面积大、含有较多粘土矿物等特征,导致水分较难脱除,影响其后续利用。目前,煤炭分选工艺中对细粒煤泥的处理主要采用浓缩+板框压滤机(或加压过滤机)的方式进行回收,普遍应用的隔膜压滤机煤泥滤饼水分普遍在30%左右,水分灰分高、粘滞且不易松散,发热量较低,煤泥处理难度较大,在“双碳”背景下,如何解决煤泥合理处置问题,实现煤泥高效深度脱水,对提高产品质量、保护环境、资源回收等均具有重要的意义。

1 煤泥水脱水影响因素

1.1 煤泥水沉降技术研究进展

影响煤泥水沉降的主要因素:泥岩类矿物是影响煤泥水沉降的主要因素,主要包括高岭石、蒙脱石等,相对于煤的粒度,该泥岩类矿物往往易碎且易泥化,粒度较细,形成典型的“高灰细泥”现象,在煤泥水悬浮液中长期稳定存在。水质硬度对煤泥水的沉降影响较大,阳离子可以中和煤泥表面的负电荷,促进煤泥水的沉降。另外,粒度、浓度等对煤泥水的沉降影响也较大,粒度越细,煤粒受重力作用越弱,煤泥水沉降难度越大;煤泥水浓度主要与沉降药剂用量存在较大关联,影响絮团的大小及沉降效果[2]。

煤泥水沉降技术:煤泥水处理领域人员对煤泥水沉降进行了大量的研究。针对高泥化煤泥水的沉降,常艇等[3]利用EDLVO理论计算颗粒间的相互作用能,以此指导药剂的添加及分析沉降效果;李振等[4]研究磁场辅助作用对煤泥水沉降的影响,结果表明,磁化预处理可改善煤泥水沉降效果,上清液更澄清;邢欢等[5]研究FeSO4·7H2O对动力煤选煤厂煤泥水沉降的作用,表明该药剂效果明显,可替代聚合氯化铝使用,且不含氯离子;刘宸等[6]研究复合药剂对煤泥水沉降的影响,沉降效果较好,且使浮选精煤灰分同时降低,取得了较好的使用效果。针对泥化严重的煤炭,如内蒙古某选煤厂分选长焰煤,煤泥产率达到25%,水分高达35%以上,水分的增加一定程度上抵消了重介降灰的效果。因此,对煤化程度较低、矸石易泥化的块煤分选可考虑采用X射线智能分选以及复合干选的工艺[7]。

1.2 煤泥水压滤脱水影响因素分析

目前,压滤脱水技术仍是细煤泥脱水的主要手段,但随着矸石泥化的严重,导致煤泥压滤脱水困难,循环时间长、滤饼水分高。压滤脱水生产效率低,浓缩机底流不能及时被脱水处理,导致大量细煤泥在煤泥水系统中集聚,造成生产状况不断恶化,如压滤机喷料、滤液出黑水、再生水质量差、滤液泵堵塞严重等,最后不得不停止生产,待煤泥水系统正常后才能重新进行洗选过程,从而造成经济效益的损失和环境污染。为了有效处理煤泥水中的高灰细泥颗粒,达到洗水闭路循环,在洗选工艺流程确定的前提下,往往通过增加压滤设备台套数的方式解决问题,这无形中又增加了设备、厂房投资以及运行成本。

压滤脱水设备:应用的细煤泥过滤脱水设备主要有板框压滤机、加压过滤机、隔膜压滤机以及带式压滤机4种[8]。板框压滤机一般由实心滤板与边框滤板交错拼接,通过给料泵的压力将物料给入滤室并实现煤泥的脱水;隔膜式板框压滤机采用实心滤板与空心滤板组成过滤腔室,前期流程与板框压滤机一致,待滤饼形成后,可通过管道向空心滤板中泵入压缩空气或压榨水,实现滤饼的二次压榨脱水,进一步降低滤饼水分;加压过滤机主要用于浮选精煤的脱水;带式压滤机为连续性生产设备,物料在“S”型布置的托辊中受到挤压剪切作用,从而实现煤泥的连续脱水。

助滤药剂:细煤泥在压滤脱水过程中,为了使过滤阻力有效降低,增加过滤速率或为了得到澄清的滤液以及成型效果好水分低的煤泥滤饼(无“夹心”滤饼)而加入的一种药剂称为助滤剂。助滤剂的添加可不增加脱水设备,不用改变现有脱水工艺,通过药剂作用改善细煤泥的脱水效果,在成本可控的前提下,具有较好的适用性,是一项简单易行的强化过滤脱水措施。但各选煤厂煤泥水的性质及所含矿物成分均不同,而且细煤泥中难脱水矿物不断增多,现有助滤剂的应用缺乏针对性,如高灰细泥含量高时,助滤剂的实际应用效果以及其带来的经济效益并不可观。因此,研究开发适用于易泥化高灰细泥含量大煤泥水的新型助滤剂,对推动我国选煤脱水领域的发展以及提高企业的经济效益具有重要的作用和现实意义。

2 超高压压滤技术在细煤泥脱水中的应用

细煤泥超高压压滤脱水技术是近几年发展起来的新型压滤技术,采用超高水压压榨,最大压榨压力可以达到10 MPa,超高压压滤后煤泥相较于目前压滤装备,脱水滤饼可再降低8%～10%的水分,发热量提升500～600 kcal/kg。该工艺技术可有效降低煤泥水分,对于提高细煤泥的综合处置效率与整体经济效益具有重要作用。

2.1 超高压压滤机工作原理

煤泥脱水方法主要有浓缩、物理机械脱水、自然堆置干化、加热干化等方法。综合经济及技术相关因素,细煤泥压滤脱水仍是目前比较经济可行的处理手段,也是目前企业应用较为广泛的方式,但是对于高灰细泥部分含量较高的煤泥,普通机械压滤滤饼水分高,降低了煤泥的热值,甚至影响煤泥产品正常销售。因此,需要针对此类煤泥进一步降低煤泥水分,目前可以通过加大压榨压力和增加助滤剂等方式进行调整。对于一般的压滤设备加大压榨压力,设备的动力性能要求提高,能耗加大,滤布的使用寿命和过滤性能下降,因此针对已有的煤泥机械压滤设备加以改进和创新,以提升设备的压榨性能和水平,从而在提高设备的使用寿命,降低能耗,提高过滤效率等方面做出改进。

超高压压滤机通过设备结构的改进达到上述目的。目前涉及超高压压滤的专利主要有《一种超高压压滤机滤板走水板》《一种超高压压滤机卸饼辅助装置》《一种微细浆体液固分离超高压压滤机》以及《一种多功能超高压压滤机液压系统》等。超高压压滤机以最大10 MPa压榨压力将煤泥固液分离,成品含水率更低,使煤泥成为可直接利用的煤粉,解决了压滤设备生产的煤泥滤饼水分偏高的问题。超高压压滤机压榨压力高、煤泥干度高、装置处理量较大,显著提升煤泥干化处理效率、降低脱水能耗,在提质增效的同时,实现企业的环保可持续生产。

超高压压滤机的构成部件主要包括主机架、过滤板(料膜板、水膜板)、实现压榨的高压油缸、以及自动拉板系统等,设备结构如图1所示[9]。工作过程主要为:通过压紧油缸压紧滤板,形成封闭的过滤腔室;给料泵将待脱水煤泥水泵送至过滤腔室,煤泥在给料泵压力作用下形成滤饼并实现初步脱水;利用压榨泵向水膜滤板中泵入高压水,水膜膨胀变形,对煤泥滤饼形成压榨作用,该压榨压力可达10 MPa,通过高压挤压作用,尽可能将滤饼中的水分排出,该压榨过程是超高压压滤机的主要过程和独特优势;松开滤饼与卸料,滤饼自动脱落,由于煤泥水分低,可通过破碎机将滤饼打散,得到散状细粒煤泥产品。

图1 超高压压滤机结构

2.2 在煤泥脱水中的应用情况

超高压压滤机是近2年在煤泥脱水领域发展并推广应用的新型过滤设备,目前对该设备的应用情况可见报道较少,可查询到的相关应用情况总结如下。

亭南选煤厂应用情况:亭南选煤厂年产煤泥50～60万t,原系统通过4台550 m2板框压滤机脱水,脱水后煤泥水分为28%～30%,煤泥发热量为12.55 MJ/kg,由于煤泥易结团,与混煤不能有效均匀掺配,采用落地存储方式,处置较困难,且原压滤系统超负荷运转。为了解决煤泥难处置的问题,该选煤厂选用4台FT2020-100型超高压压滤机进行细煤泥的脱水。改造后,设备运转良好,经超高压脱水后滤饼水分为18%,较原有板框压滤机产生的滤饼水分降低10%。将压滤后煤泥40%掺入末煤销售,60%煤泥单独销售,每年可增加直接收益5 307万元[9]。

正通选煤厂应用情况:正通选煤厂引进STC2000型超高压压滤机用于细煤泥的脱水,进料压力1.2～2.0 MPa,隔膜压榨压力7 MPa,每个循环不超过45 min,可生产26～30 t滤饼,得到煤泥滤饼水分为19.30%,而原系统普通压滤机滤饼水分为29.4%,有效提高煤泥发热量。将超高压压滤后的煤泥滤饼经两次破碎后掺入到末精煤产品中,实现了选煤产品的增量,增加企业经济效益[10]。

中马村矿选煤厂:中马村矿选煤厂为无烟煤选煤厂,引进1台STC2000型超高压压滤机替代原有2台厢式压滤机进行煤泥水脱水。改造前,煤泥滤饼灰分48.80%、水分25.4%、发热量11.04 MJ/kg;超高压压滤机改造后,煤泥滤饼水分降低至13.5%,发热量提高至13.98 MJ/kg。煤泥滤饼破碎后掺配至末煤销售,选煤厂内消除了煤泥产品,每年可新增效益2 113.10万元[11]。

唐口选煤厂:唐口选煤厂煤泥-0.045 mm粒级物料含量占比为48.11%,且煤泥粘度较大,常规压滤得到滤饼水分为25%～26%,掺配较难。该选煤厂设计选用过滤面积为800 m2的超高压压滤机进行技术改造,改造后的工艺如图2所示。改造后,超高压压滤机产生的煤泥滤饼水分为16.9%～18%,显著提高煤泥发热量,同时也提高了选煤厂经济效益[12]。

图2 超高压压滤工艺示意

永明煤矿选煤厂:永明煤矿选煤厂煤泥产量约为800 t/d,煤泥水分高达40%,采用4台过滤面积为360 m2的XMZGFDP360/1600-U超高压压滤机替代原来压滤设备,改造前后的煤泥脱水效果见表1。改造后煤泥可掺配至中煤销售,每年增加1 153万元收益,煤泥也可单独销售,每年增加863万元收益,厂区效益增加明显[13]。

表1 压滤系统改造前后对比

3 结论

煤泥水的有效处理对选煤厂的正常生产以及经济效益具有重要作用,黏土矿物、泥化作用以及水质特征对煤泥水的沉降影响显著。压滤脱水仍是选煤厂细煤泥脱水的主要方式,超高压压滤机是近2年在煤泥脱水领域推广应用的新型设备。超高压压滤机可以实现煤泥水分的大幅度降低,有效提高煤泥发热量,解决选煤厂煤泥堆存带来的环境污染和煤泥回收后不能有效增加产值的难题,增加了选煤厂煤炭产品综合利用的经济效益和社会效益,具有广阔的发展与应用空间。