影響煤泥水沉降的因素分析

影響爆泥水沉降的因素分析劉亮【摘要】闡述了難沉降煤泥水的特點及其對選煤廠生產(chǎn)乃至整個礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響；分析了煤泥中礦物組成、粒度組成、水質(zhì)、濃度、粘度、煤泥量、濃縮沉降面積以及藥劑制度等因素對煤泥水沉降的影響，提出了解決煤泥水難沉降的幾點建議.【期刊名稱】《煤炭加工與綜合利用》【年(卷)，期】2013(000)0z1【總頁數(shù)】5頁(P20-24)【關鍵詞】選煤廠;煤泥水;泥化;處理;影響因素【作者】劉亮【作者單位】泰戈特(北京)工程技術有限公司，北京100022【正文語種】中文【中圖分類】TD946.2煤泥水處理系統(tǒng)是選煤廠生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。煤泥水處理效果不僅直接影響選煤廠的經(jīng)濟效益，同時對礦區(qū)環(huán)境和水資源的節(jié)約利用也有重要意義。典型的難沉降煤泥水幾天甚至幾月都不能徹底澄清，嚴重時可導致整個分選系統(tǒng)癱瘓，影響選煤廠連續(xù)生產(chǎn)和煤炭產(chǎn)品質(zhì)量。從目前各選煤廠的運行情況看，隨著礦井開采的不斷深入，井下地質(zhì)條件與預測情況變化很大，煤層變薄、構造和斷層較多，頂?shù)装迥鄮r大量混入，導致選煤廠煤泥量大幅度增加，尤其是高灰細泥的增加，使?jié)饪s機的濃縮效率和壓濾機的單位處理能力顯著降低，煤泥水分也明顯升高，不但影響煤質(zhì)，而且影響整個系統(tǒng)的正常生產(chǎn)。1難沉降煤泥水的特點實際運行中，煤泥水（尤其是選煤廠的浮選尾礦）的主要特點是濁度高、灰分高、固體顆粒表面多數(shù)帶負電荷，同性電荷間的斥力使這些微粒在水中保持分散狀態(tài)［1］。它們在水中不僅受重力的作用，還受介質(zhì)布朗運動的影響。此外，由于煤泥水中固體顆粒界面之間的互相作用，如吸附、溶解、化合等，使得煤泥水的性質(zhì)相當復雜，不但具有懸浮液的性質(zhì)，還具有膠體的性質(zhì)?；谶@些原因，多數(shù)選煤廠的煤泥水很難自然澄清。1.1難沉降煤泥水以粘土礦物為主煤泥的礦物質(zhì)組成包括粘土礦物、氧化礦物、碳酸鹽礦物、硫化礦物、硫酸鹽礦物等，其中粘土礦物是煤中最主要的礦物質(zhì)。難沉降煤泥水中含有大量易泥化的粘土礦物，這些礦物在水中易吸水膨脹、泥化成微米級顆粒，難沉降煤泥水中小于5pm級含量大幅增加，改變了煤泥水的粒度組成、粘度特性以及水質(zhì)特征，導致顆粒沉降速度急劇降低，沉降面積嚴重不足，煤泥水高濃度循環(huán)。1.2難沉降煤泥水水質(zhì)狀況較差難沉降煤泥水的水質(zhì)狀況有三個特點：中性pH值，總離子含量及水質(zhì)硬度都較低，這種水質(zhì)條件使得煤泥水成為分散狀態(tài)，不利于顆粒的聚沉［1］。1.3高濃度循環(huán)或外排與選礦廠尾礦的開放體系不同，煤泥水系統(tǒng)是一個封閉系統(tǒng)，其特點為流量大（選煤廠每小時循環(huán)水可達數(shù)千立方米）、循環(huán)周期短（1h可完成多個循環(huán)）、空間有限（難以靠濃縮與脫水設備直接完成回收）。煤泥水的難沉降特性、閉路的生產(chǎn)系統(tǒng)以及低廉的運行成本，使得選煤廠煤泥水濃度通常達到50~80g/L,這種情況不僅惡化選煤效果，而且極易發(fā)生細泥積聚導致煤泥水外排。2影響煤泥水沉降的因素分析煤泥水系統(tǒng)是一個典型的固液兩相體系，煤泥水的難沉降源于煤泥自身與煤泥水系統(tǒng)兩個層面，實現(xiàn)難沉降煤泥水的快速澄清，實質(zhì)就是要實現(xiàn)固液兩相的高效分離，因此固相特征和液相特征，共同決定了煤泥水的整體性質(zhì)，加之煤泥水系統(tǒng)是一個強制循環(huán)的運行體系，這種強制循環(huán)形成了煤泥水的循環(huán)反饋機制。溶液化學反應使水體硬度不斷降低，而膠體化學反應使體系更加分散，濃度不斷增高。兩者疊加效應將使煤泥水越循環(huán)越難沉降，越循環(huán)煤泥濃度越高。最終導致高濃度煤泥水外排，絮凝沉降失效。因此分別研究固相及液相特征，以及煤泥水在強制循環(huán)過程中的工藝因素，對解決煤泥難沉降的問題具有重要意義。2.1煤泥中礦物組成對其沉降效果的影響煤泥的礦物組成復雜，主要有石英、方解石、粘土礦物和黃鐵礦等。其中粘土礦物種類很多，主要有高嶺土、蒙脫石、綠泥石等。在這些礦物中石英和方解石自身性質(zhì)穩(wěn)定、不易機械粉碎和泥化，所以對煤泥水的沉降影響不大。黃鐵礦類物質(zhì)氧化后溶解度增大，在水中生成Fe3+離子，促成有利于顆粒沉降的水質(zhì)環(huán)境，因此從理論上講，黃鐵礦的存在有利于煤泥水沉降。而對煤泥水沉降產(chǎn)生不利影響的是粘土礦物，粘土礦物遇水極易泥化，且粒度微細、不僅本身難沉降，還使煤泥水粘度大幅增加。圖1為神華神東分公司保德選煤廠難處理煤泥水中固體物的XRD分析結(jié)果。（K:高嶺土；Q:石英；S:菱鐵礦；C:方解石；I:伊利石；B:菱鎂礦）圖1保德原煤泥水中固體XRD分析從圖1可以看到，該煤泥中的主要礦物為高嶺石和石英，含有少量的菱鎂礦和菱鐵礦以及伊利石。高嶺石等粘土礦物的存在，對煤泥水處理帶來很大影響，這也是造成該廠煤泥水難沉降的重要因素。2.2煤泥粒度組成對其沉降的影響由于煤泥水系統(tǒng)中煤泥顆粒微細，煤泥與水介質(zhì)的相對運動速度較小，因此煤泥粒度組成對煤泥水沉降的影響可以用斯托克斯沉降末速公式來分析和解釋［2］。顆粒在水介質(zhì)中的自由沉降速度可按斯托克斯公式求得：顆粒在煤泥水中的沉降為干擾沉降，其沉降速度可按利亞申柯公式計算：式中：u——顆粒在水中的自由沉降速度，cm/s;ug——顆粒在煤泥水中的干擾沉降速度，cm/s;M——常溫下水的粘度外=0.01P；6顆粒的密度，g/cm3;d顆粒的粒度，cm;X—顆粒的球形系數(shù)，一般取X=0.3;P水的密度，P=1g/cm3;g重力加速度，一般取g=981cm/s2;n——實驗指數(shù)，一般取n=5~6;入一一煤泥水固體容積濃度，入=1/(R6+1);R——煤泥水液固比。從上式可以看出，沉降末速與顆粒直徑的平方成正比，與體系的動力粘度成反比，受體系密度和懸浮液濃度的影響，對于顆粒越微細的體系，該公式適應性越好。對于難沉降煤泥水體系，由于煤泥尺寸微細，因此沉降末速極小，在煤泥水動態(tài)循環(huán)的過程中沒有足夠的沉降時間，造成微細煤泥循環(huán)積聚，澄清效果急劇惡化。2.3水質(zhì)狀況對煤泥水沉降的影響水是構成煤泥水系統(tǒng)的液相體系，水質(zhì)狀況對煤泥在其中的沉降效果影響很大，而在表征水質(zhì)狀況的諸多因素中，硬度的影響最為明顯，對于難沉降煤泥水，水質(zhì)硬度甚至起著決定性的作用［3］。從表1可以看出，在循環(huán)水的溶液組成中，難沉降煤泥水的硬度都較低。煤泥水呈穩(wěn)定的類膠體分散體系，該體系之所以穩(wěn)定是因為微細顆粒具有雙電層結(jié)構，其表面帶有負電荷，互相之間因靜電斥力而處于分散狀態(tài)。微細顆粒表面具有未補償?shù)逆I能，極性水分子在鍵能表面定向排列，形成水化膜，阻止顆粒接觸碰撞。微細顆粒質(zhì)量甚輕，重力對其影響極小，相對而言受水分子熱運動的影響極為強烈，導致它們穩(wěn)定地懸浮在水體之中［4］。對于此類煤泥水，在濃縮澄清過程中必須添加藥劑，使體系硬度升高后才能實現(xiàn)煤泥的高效聚沉。表1典型難沉降煤泥水中的離子組成廠名Na++K+/mg?L-1Ca2+/mg?L-1Mg2+/mg?L-1Al3+/mg?L-1Fe3+/mg?L-1總離子含量硬度煤泥水特性臨煥424.2213.629.900.612.881479.924.19難沉降淮北522.5629.167.011439.332.85難沉降夾河328.7736.964.241.352.501188.806.15難沉降2.4煤泥水濃度對沉降的影響煤泥水濃度是煤泥水性質(zhì)的重要表征，濃度變化直接決定了系統(tǒng)中煤泥量的大小。濃度增大進入系統(tǒng)中的煤泥量增大，帶來煤泥水性質(zhì)的一系列變化：諸如系統(tǒng)細煤泥的絕對含量增加，體系動力粘度增大，顆粒相對運動速度減小，水中離子含量發(fā)生變化，濃縮機沉降面積不足，藥劑制度紊亂，藥劑不能充分分散等問題。當井下過斷層時，砰石及煤泥含量急劇增加，此時對煤泥水系統(tǒng)的影響非常嚴重。例如在神東公司石圪臺選煤廠，該廠一年中大部分時間煤質(zhì)狀況都較好，煤泥含量及灰分較低，但是每當井下過斷層，或者是煤質(zhì)狀況惡化時，系統(tǒng)中的煤泥量便會大幅增加，而且灰分較高，導致濃縮及壓濾系統(tǒng)能力嚴重不足，藥劑添加紊亂，濃縮機溢流濃度急劇升高，幾乎接近入料濃度。2.5煤泥水粘度對沉降的影響工藝過程中，煤泥水粘度實質(zhì)是煤泥水濃度、粒度組成、礦物組成的一個綜合表征，在很大程度上受藥劑條件的影響。粘度增大，顆粒沉降速度將顯著減小，煤泥水處理難度增大，煤泥水的有效粘度隨著煤泥水濃度的增大而增大，隨著煤泥組成粒度的減小而增大，一般后者的影響更為明顯。有實驗表明，當水中的煤泥粒度小于45頃時，煤泥水的有效粘度急劇增大，而當水中的煤泥粒度大于45頃時，煤泥水的有效粘度與水相差不大。在工業(yè)過程，由于藥劑添加不合理，導致煤泥水粘度產(chǎn)生很大變化，從而影響煤泥沉降效果。絮凝劑本身粘度較大，如果在添加過程中沒有充分混合，或者由于粒度組成變細，濃度升高導致藥劑量偏大時，煤泥水的濃度將會急劇增大，導致煤泥沉降困難，甚至會出現(xiàn)藥劑〃中毒”，煤泥無法沉降的現(xiàn)象。2.6煤泥水流量對煤泥沉降的影響煤泥水流量是影響煤泥水沉降的一個重要的外部工藝因素，一般情況下如果煤泥水性質(zhì)穩(wěn)定，則進入煤泥水系統(tǒng)的煤泥水量也相對穩(wěn)定。當煤泥性質(zhì)發(fā)生變化，如井下過斷層，入洗量增加，煤泥含量增大且泥化嚴重時，由于洗選系統(tǒng)用水量增大，將會導致進入煤泥水系統(tǒng)的煤泥水量大幅增加。煤泥水流量增大，表明進入系統(tǒng)的水量和煤泥量都會增大，由于水流速度加快，藥劑分散不完全，直接導致藥劑虧量，濃縮面積不夠，顆粒來不及沉降就已排出，導致煤泥水高濃度快速循環(huán)，循環(huán)水水質(zhì)在很短時間內(nèi)急劇惡化，并且難以發(fā)現(xiàn)，難以處理。2.7藥劑制度對煤泥水沉降的影響絮凝劑為有一定線性長度的高分子有機聚合物，其作用機理是利用有機高分子的架橋作用，依靠靜電鍵合、氫鍵鍵合以及共價鍵鍵合等方式將微粒吸附在一起，形成大而蓬松的絮團，從而加速了沉降［5］。一般而言絮凝劑的反應時間很短，加入后很快就可以看到絮團成型。目前選煤廠一般選用聚丙烯酰胺作為煤泥水處理部分的絮凝劑，不同分子量絮凝劑對不同性質(zhì)煤泥水的沉降效果也不同。試驗采用三種來自不同廠家、不同分子量的絮凝劑作為研究對象，以考察對某一特定的煤泥水，不同分子量絮凝劑的絮凝效果以及最佳用量。試驗結(jié)果見圖2。圖2不同分子量絮凝劑沉降曲線對比從圖2中可以看出，隨著絮凝劑用量的增加，煤泥沉降速度加快，并逐漸達到最大值，藥劑量繼續(xù)增加，沉降速度減小。就三種藥劑而言：1200萬分子量絮凝劑與1000萬分子量絮凝劑沉降效果相差不大，用量少，沉降快。800萬分子量絮凝劑沉降效果較差。但分子量過高會造成藥劑溶解困難，加上大分子運動遲緩，吸附的固體顆?？臻g距離太大等原因，反而會影響絮凝效果。所以，陰離子型聚丙烯酸胺分子量以600~1200萬為宜。從分光光度計的測試數(shù)據(jù)來看，采用各種聚丙烯酰胺絮凝后的澄清液均比較渾濁，透光率低，表明澄清液中殘留了較多的細粒。試驗中可觀察到明顯的選擇性絮凝現(xiàn)象，即聚丙烯酰胺只能使細粒煤絮凝，而淺色的泥質(zhì)顆粒則滯留于澄清液中。所以，只添加絮凝劑還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，還需要添加一定量的凝聚劑才能達到高效澄清。特別是對于高濃度微細粒難沉降煤泥水體系，只加絮凝劑無法實現(xiàn)煤泥水深度澄清，藥劑量偏大反而會使系統(tǒng)粘度急劇增大，導致煤泥水無法處理。凝聚劑主要是無機電解質(zhì)，其作用機理是改變顆粒表面的電性質(zhì)，通過電性中和的作用來解除布朗運動，使微粒能夠聚集在一起，形成小而緊密的凝聚體。凝聚劑對懸浮液中微細粒子作用明顯，但由于微細顆粒比表面積較大，且電中和過程中移動速度緩慢，所以聚團形成需要較長的時間。試驗數(shù)據(jù)顯示，隨著凝聚劑用量的增加，澄清液透光率提高，與聚丙烯酰胺配合使用后的澄清液透光率可達90%以上，可以滿足工業(yè)洗選的要求。但同時也會導致顆粒的沉降速度變慢，固體沉淀物密實程度降低。凝聚劑用量過多時，絮團呈漂浮狀態(tài)，基本不沉降。2.8濃縮面積對煤泥水沉降的影響分級設備中的沉降分離過程，一般引入海倫模型。該模型假定煤泥水中的固體顆粒和流動速度在整個水池斷面上均勻分布，并保持不變，懸浮液在分級設備中的流動是理想的緩慢流動，顆粒只要一離開流動層，就認為已經(jīng)成為沉淀物，該模型又稱淺池原理。根據(jù)淺池原理，在某一分級粒度下，煤泥水流量W(m3/h)、設備面積S(m2)與分級粒度下沉速度v(m/s)之間存在如下關系：W=Sv(3)即當分級粒度一定時，所需的設備面積與煤泥水流量成正比。當沉降面積S為1時，由(3)式可得W=v=3，說明分級粒度的下沉速度與分級設備的單位負荷在數(shù)值上是相等的。式中，3為分級設備單位負荷，m3/(m2?h)。分級設備的選取，在設計中常用沉淀設備的單位面積負荷來計算。沉淀設備的單位面積負荷通常以每平方米沉淀面積及每小時所能處理的礦漿量來表示。S=KW/3(4)式中，K為不均衡系數(shù)，取1.25。從以上的公式推導中可以看到，雖然沉淀設備的單位負荷在數(shù)值上與分級粒度下的沉降速度相等，但是同一分級粒度下的沉降速度并不唯一。不同粒度組成、不同濃度、不同水質(zhì)條件下的煤泥水在相同分級粒度下的沉降速度可能完全不同。而式(4)中僅以一個固定的經(jīng)驗值來反映分級設備的單位負荷，導致濃縮設備不能適應煤泥水的性質(zhì)變化，當煤泥水性質(zhì)發(fā)生變化時，便會出現(xiàn)濃縮面積不足，分級粒度上限提高，濃縮機溢流高濃度循環(huán)等事故。3難沉降煤泥水處理的幾點建議煤泥水系統(tǒng)是一個復雜的固液兩相分散體系，對于難沉降煤泥水，微細顆粒與水形成一個穩(wěn)定的類膠體體系，組成煤泥水系統(tǒng)的各個因素都會對煤泥水沉降帶來影響，對于該類煤泥水的處理，應該從以下幾個方面進行改進。在煤泥水系統(tǒng)設計過程中，要全面考慮煤質(zhì)、選煤廠水質(zhì)對煤泥水系統(tǒng)可能造成的影響。首先要系統(tǒng)分析入洗原煤的礦物組成，通過泥化實驗確定泥化程度，對于礦井型選煤廠，還有必要對井下底板、頂板及夾砰層的性質(zhì)進行泥化實驗分析，預測頂?shù)装寮皧A砰的混入對煤泥水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。對于選煤廠用水，應該對水中的離子含量，特別是水質(zhì)硬度進行細致分析，以方便在后續(xù)生產(chǎn)過程中通過調(diào)整藥劑加入量來改變水質(zhì)，實現(xiàn)煤泥水的澄清。在生產(chǎn)過程中應該及時預測，相互協(xié)調(diào)，隨著開采機械化程度的提高以及井下地質(zhì)條件的惡化，入洗