含蒙脱石煤泥水的凝聚沉降效果评价与加药预测

刘利明，李志军，刘仓，张琦

（国家能源集团准能集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

0 引言

我国绝大多数选煤厂采用湿法选煤来提高煤质，产生的大量煤泥水需要进行处理以循环使用。煤泥水处理不好，会影响上下游工艺，甚至需要停产处理，可以说煤泥水处理技术直接影响着选煤厂运行效率[1]。煤泥水处理的一般工艺是沉降浓缩后压滤脱水，其中沉降浓缩环节容易出现浓缩机溢流浓度高、底流浓度低等沉降效果不理想的问题[2]，其主要原因是由于煤泥水通常是高悬浮物浓度、细微粒小且表面带负电荷的类胶体体系，可以在水中稳定悬浮，不易沉降。因此，为提高生产效率和保护环境，需要研发高效的煤泥水沉降与澄清技术，以提高煤泥水处理效率。加药是加速煤泥水中颗粒沉降的主要方法[3]，其中凝聚剂通常被用于改变煤泥颗粒表面的电性，从降低煤泥水颗粒间的斥力，使之易于聚沉，而加入絮凝剂可以通过网捕等作用使煤泥粘附为大絮体，加速沉降。凝聚与絮凝的效果决定了絮体颗粒的大小及其沉降效率，因此，研究煤泥水的沉降分离，重点之一在于研究煤泥的絮凝过程[4]。

絮凝过程的影响因素很多，包括煤泥水浓度、絮凝剂的种类、絮凝剂用量、黏土矿物含量等都会对絮凝过程产生影响[5]。如前所述，凝聚剂可以使煤泥水中的负电荷被中和、静电斥力减小，加快煤泥水澄清速度，其离子的种类和用量往往决定了溢流水的浊度。粘土矿物中，高岭石可以与体系中凝聚剂电离出的正电荷发生静电作用，加之自身的高密度，混合式凝聚有利于煤泥水的沉降；但是当高岭石含量超出一定范围，煤泥水体系中粒子间的斥力随着正电荷含量的提高而增加，更加不利于煤泥水沉降澄清[6-8]。如何依据煤泥水中粘土矿物的含量来进行合理加药，一直是煤泥水处理的重要研究内容。近年来，选煤厂智能化建设[9-10]如火如荼，煤泥水处理也是重要的一环。煤泥水的智能加药控制模型是智能化控制的核心，了解煤泥水浓度、矿物组成和加药量的关系，建立不同条件下的煤泥水沉降效果的预测方法，是实现煤泥水加药智能化的重要途径。这加剧了研究加药量与煤泥性质的定量关系的紧迫性。

为此，本文围绕煤泥水本身的物化性质寻找影响其沉降的本质，以蒙脱石作为矸石矿物代表，设计正交实验，考察煤泥水的固体物浓度、蒙脱石在煤泥中的百分含量和不同凝聚剂种类及用量对煤泥水沉降速率及上清液浊度的影响，建立药剂添加与煤泥水浓度和蒙脱石含量的关系模型，以期达到预测含蒙脱石煤泥水实际生产中的加药沉降效果，为煤泥水浓缩加药的智能化控制提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 试验材料与试剂

（1） 煤样。研究所用煤样为选煤厂洗选精煤，经过大浮沉试验深度脱灰处理，得到直径0.045 mm 以下，灰分为3.79%的试验煤样。

（2） 蒙脱石。实验使用的蒙脱石购自浙江三鼎科技有限公司，为钙基蒙脱石，XRD 分析结果显示其含蒙脱石达92.3%，可认为是纯蒙脱石。

（3） 试验用凝聚剂。氯化铝(结晶AlCl3·6H2O，分析纯)；氯化钙（分析纯）。

1.2 实验方法

（1） 凝聚沉降实验。

首先根据试验设计称量一定量的煤和蒙脱石，将称量好的样品倒入500 mL 的烧杯中，加入200 mL 去离子水，用电动搅拌器搅拌5 min 至充分分散悬浮。之后将煤泥水转移至250 mL 的具塞量筒内，加水至250 mL 刻度线。用移液管准确量取设定的药剂量加入量筒，塞上瓶塞，迅速上下翻转量筒五次后立即将量筒置于日光灯前，即刻开始计时并观察沉降界面的变化。每沉降30 s 记录清浑界面（沉降界面） 高度。沉降5 min 后，记录界面高度，并用胶头滴管探入自由液面下1 cm 处，吸取上层清液，用WGZ-1A 型光电浊度仪测浊度。

（2） 正交实验。

套用3 因素5 水平正交试验表格，考察凝聚剂用量、煤泥水的固体物浓度和煤泥中的蒙脱石含量对煤泥水沉降速率和上清液浊度的影响，试验因素水平见表1。

表1 试验因素水平表Table 1 Test factor level table

2 实验结果与讨论

分别以AlCl3和CaCl2为凝聚剂进行正交实验，设计表格及相关试验结果见表2。其中，沉降速度1 和浊度1 表示以氯化铝为凝聚剂，沉降速度2 和浊度2 表示以氯化钙为凝聚剂。

表2 以AlCl3 和CaCl2 为凝聚剂的正交试验设计及结果Table 2 Orthogonal experimental design and results with AlCl3 and CaCl2 as coagulants

表2 数据显示，在凝聚剂AlCl3作用下，以沉降速度为指标时，因素A 取2 水平（煤泥水浓度为40 g/L），因素B 取1 水平（蒙脱石含量为5%），因素C 取4 水平（加药量为0.8 g/L） 时效果最好；以上清液浊度为指标时，最优组合为A4B1C5。以CaCl2为凝聚剂时，沉降速度远小于使用AlCl3时的条件，以浊度为指标时的最优组合条件也是A4B1C5，和使用AlCl3相同。这些结果说明，凝聚剂的种类对凝聚效果的影响远大于药剂用量，而粘土矿物蒙脱石的含量低时有利于沉降。

2.1 各因素对沉降速度的影响规律

（1） 直观分析。

在使用AlCl3为凝聚剂时，实验考察的3 个影响因素的极差大小排序为RA＞RC＞RB，即对于沉降速度的影响，煤泥水浓度大于凝聚剂加药量，凝聚剂加药量大于蒙脱石含量，如图1（a） 所示。在凝聚剂CaCl2的作用下，得到与凝聚剂AlCl3作用下类似的结果，图1（b） 所示。

图1 各因素影响沉降速度的直观分析Fig.1 Intuitive analysis of various factorsaffecting the settling velocity

（2） 方差分析。

表3 数据显示，以沉降速度为指标时，按照F值排序，实验考察的3 个因素影响程度由大到小分别为煤泥水浓度、凝聚剂加药量和蒙脱石含量，与直观分析结果一致。取置信度为0.05，则可以判定在凝聚剂AlCl3作用下，煤泥水浓度和凝聚剂加药量均影响显著；而对于凝聚剂CaCl2作用时，只有煤泥水浓度对沉降速度影响显著。

表3 各因素影响沉降速度的方差分析Table 3 Analysis of variance of various factors affecting settling velocity

结合表2、表3 和图2 数据可知，CaCl2对于促进颗粒凝聚成为较大颗粒的能力弱于AlCl3。一方面是铝离子为3+价离子，电荷强度大于2+价的钙离子，另一方面，铝离子还能形成Al（OH）3胶团，其体积远大于Ca2+，因而能够吸附更多的表面带负电荷的煤泥或粘土矿颗粒发生团聚，因此沉降速度得到显著提升[11-12]。钙离子由于电荷低，通过压缩双电层可以在一定程度上减小煤泥或粘土矿的电负性使之发生聚集，但互相粘附的颗粒数量不足，因而强化沉降速度的作用不明显。此外，图1（b） 显示，虽然氯化钙剂量影响沉降速度从绝对值上看不明显，但从相对值来看有明显的促进作用，可以判定若有絮凝剂参与时应有显著改善。

图2 各因素影响上清液浊度的直观分析Fig.2 Visual analysis of the influence of various factors on the turbidity of supernatant

2.2 上清液浊度

（1） 直观分析。

煤泥水沉降分离后上清液浊度越小，则残留的微细粒煤泥越少，沉降效果越好。因此，由图2（a） 可以得知，采用上清液浊度为指标进行评价时，极差最大者为凝聚剂氯化铝的加药量，而蒙脱石含量略小，煤泥水浓度的极差最小，可见实验考察的3 个因素对沉降效果的影响依主次排序为：凝聚剂加药量、蒙脱石含量和煤泥水浓度。图2（b）的规律与之有所差别，极差最大者为蒙脱石含量，且其值与排第二位的氯化钙加药量相比要大得多，而氯化钙加药量影响的极差比煤泥水浓度略大。

（2） 方差分析。

表4 列出了实验考察的3 个因素影响加药凝聚后上清液浊度的方差分析的结果。程度来看，F 值排序与直观分析结果吻合，即在氯化铝体系下，加药量影响最大，而氯化钙体系下蒙脱石影响最强。从显著性来看，以0.05 为置信值时，凝聚剂AlCl3作用下的煤泥水浓度、蒙脱石含量和凝聚剂加药量均表现显著，而在CaCl2作用下，只有蒙脱石含量为显著因素。可见，对于上清液浊度而言，凝聚剂种类和剂量影响较大，尤其是使用氯化铝时，增加凝聚剂的加药量可以显著降低浊度。而粘土矿物蒙脱石的含量是影响浊度的最显著因素，应归因于蒙脱石易泥化分散为极细颗粒而稳定悬浮的特征，而加大凝聚剂的用量可以有效解决蒙脱石带来的影响。

表4 各因素影响沉降速度的方差分析Table 4 Analysis of variance of various factors affecting settling velocity

综合前述结果可知，粘土矿物的含量对煤泥水沉降后的上清液浊度影响最大，在工业上表现为对浓缩机溢流水浊度的影响，而沉降速率主要受煤泥水浓度的影响，在实际运行中要考虑入料浓度与浓缩机的设计处理能力匹配性的问题。选用高离子价态的凝聚剂能够有效影响煤泥水的凝聚沉降效果，而价态较低的药剂作用不明显。

2.3 加药预测模型

以氯化铝为凝聚剂时的实验数据为基础，在预测沉降速度时，忽略蒙脱石含量变化的影响，在预测上清液浊度时，不考虑煤泥水浓度变化，通过SPSS Statistics 软件分别以沉降速度和上清液浊度为评价指标对上述正交试验进行逐步回归线性分析，可以得到相应的回归方程式：

式中：u 表示煤泥水界面的沉降速度，cm/min；Ci为煤泥水浓度，g/L；Co 为上清液浊度（溢流水浊度），NTU；xm表示煤泥中蒙脱石的含量，%；Qa为加药量，g/L。拟合曲线的标准化残差图如图3所示，具有较好线性度。

图3 拟合曲线标准化残差的标准P- P 图Fig.3 Standard P-P plot of standardized residuals of fitting curve

在实际生产中，根据浓缩机设计参数可以确定一个理想的沉降速度值，根据循环水的浓度要求确定溢流浊度值，则式（1）、式（2） 中左侧值均为常数，变换后即可得到加药量与入料浓度和蒙脱石含量的关系式，即：

式中：u 和Co根据选煤厂设备和运行要求取某一定值，此时，若能够通过直接或间接方法实时获得粘土矿物含量和煤泥水的入料浓度，则式（3）、式（4） 可以用于指导煤泥水的实时药剂添加量的智能调节。

3 结论

（1） 煤泥水浓度是沉降速度的首要影响因素，而煤泥中蒙脱石的含量是影响水质澄清效果的最主要因素。

（2） 三价阳离子凝聚剂AlCl3的凝聚沉降效果远优于二价凝聚剂CaCl2，药剂有效的情况下，凝聚剂对澄清效果的影响大于对沉降速度的影响。

（3） 通过正交实验回归分析，可以建立凝聚剂加药量同煤泥水入料浓度、煤泥中粘土矿物的定量关系，在指定煤泥水沉降速率和溢流水浓度的情况下，可用于实时指导煤泥水浓缩沉降智能加药。