煤泥水沉降特性试验研究

冯岸岸，周 伟，朱金波，张 勇

(安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤泥水是湿法选煤工艺中主选作业产生的尾煤废水[1]，由于部分煤泥颗粒具有粒度细、灰分高和易泥化等特点，采用常规处理方法无法取得预期效果，需通过一定技术手段[2-5]强化处理效果，国内外学者针对煤泥水的处理方法展开了大量研究[6-10]。Gong等[11]将微生物试剂与有机高分子絮凝剂联用进行煤泥水沉降试验，并解释了二者协同作用的微观机理。王会平等[12]研究了矿物性质、pH值及药剂对含煤系高岭土煤泥沉降效果的影响，表明在弱碱性条件下可以加快该类煤泥水的沉降。刘云霞等[13]研究了添加絮凝剂后不同粒度煤泥所形成絮团的微观特性和沉降效果，得到絮凝剂用量对絮团大小、强度的影响规律，表明絮团尺寸是影响煤泥水沉降效果的重要因素。陈军等[14]研究了季铵盐类药剂对高泥化煤泥水沉降效果的影响，表明季铵盐类药剂能降低颗粒表面的电负性，提高颗粒疏水团聚的效果，且季铵盐的烷基链越长，用量越大，对煤泥的沉降效果越好。林喆等[15]研究了煤泥水的矿物组成和药剂特性对煤泥水沉降效果的影响，表明黏土矿物会减缓煤泥水沉降速度，且药剂种类不同对黏土矿物的沉降效果也不同。

本文以徐州地区三河尖选煤厂的浓缩机入料煤泥作为研究对象，通过小筛分试验、工业分析和XRD分析煤泥性质，通过条件试验和正交试验寻找适合煤泥水沉降的最佳方案组合，并分析煤泥水浓度、凝聚剂和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沉降效果。

1 试 验

1.1 煤泥来源及粒度组成

试验所用煤泥样品来源于徐州地区三河尖选煤厂经压滤后的浓缩机入料饼状含水煤泥，将煤泥放入鼓风干燥箱中在100～106 ℃烘干，按照GB/T 474—2008《煤样的制备方法》对煤泥样品进行缩分和制样。煤泥小筛分试验的结果见表1。

表1煤泥粒度组成
Table1Particlesizecompositionofcoalslime

粒度/mm产率/%灰分/%累计产率/%平均灰分/%0.50～0.2518.2920.6818.2920.680.250～0.12510.9123.1729.221.610.125～0.07443.2529.0172.4526.03<0.07427.5536.9710029.04合计10029.04

由表1可知，粒度0.125～0.074 mm煤泥占比最大，产率为43.25%，灰分为29.01%，而<0.074 mm煤泥产率为27.55%，灰分达36.97%，表明该粒级煤泥粒度细、灰分高。煤泥粒度较细时，布朗运动加剧，加上悬浮颗粒之间的静电排斥作用，使煤泥颗粒趋向于均匀分散在煤泥水悬浮液中，很难自然沉降，增加煤泥水处理难度。

1.2 煤泥工业分析

该煤种Mad为1.62%，FCad为45.87%，Vad为30.72%，为中高挥发分;St为0.99%，为中硫分;Aad为21.79%，为中灰煤，因此该煤种为中高挥发分、中灰、中硫烟煤。由于烟煤的变质程度较低，矿物杂质较多，会对煤泥水处理产生影响。

1.3 煤泥矿物组成

煤的矿物组成极其复杂，主要有石英、高岭石、方解石和其他黏土矿物等，原煤中黏土矿物会增加煤泥水处理难度。对煤泥做XRD衍射试验，采用JADE软件对XRD图谱进行物相分析，确定煤泥中主要矿物组成。煤泥XRD分析结果如图1所示。

图1 煤泥XRD衍射分析Fig.1 XRD diffraction pattern of coal slime

由图1可知，煤泥矿物组成中除石英外，还有大量高岭土、地开石等黏土矿物。石英硬度大，在原煤破碎加工过程中很难破碎，对煤泥水沉降过程影响不大。而黏土矿物具有亲水性、易泥化等特点，使煤泥颗粒泥化成几十微米甚至几微米，导致煤泥水黏度增加，增大煤泥水处理难度。

1.4 试验药剂及仪器

絮凝剂通常具有链状大分子结构，通过分子链的“架桥作用”将煤泥水中悬浮颗粒聚集成体积大的絮团，从而加速煤泥沉降。本文选用相对分子质量分别为500万和1 000万的聚丙烯酰胺(PAM)作为絮凝剂，为了充分发挥药剂的絮凝效果，把絮凝剂颗粒配制成质量浓度为0.1%的水溶液。

凝聚剂可以电离出阳离子，通过中和胶体颗粒表面的负电荷使悬浮液体系失稳，达到使悬浮颗粒聚沉的目的。本文选用聚合氯化铝(PAC)和熟石灰作为凝聚剂。试验中将药剂分别配制成质量浓度为3%的PAC溶液和3%的石灰乳悬浊液。

试验仪器:500 mL量筒、移液管、烧杯、磁力加热搅拌器、秒表、WZS-185型浊度计

1.5 试验方法

参照GB/T 18712—2002《选煤用絮凝剂性能试验方法》进行煤泥水沉降试验，具体方法为:用实验室自来水将煤泥颗粒配制成一定浓度的煤泥水悬浮液，转移至带有刻度的量筒中；用移液管移取定量药剂加入量筒中，盖紧盖子后将量筒上下倒置翻转5次(翻转速度以每次翻转时气泡上升完毕为止)，使煤泥和药剂充分混合；量筒放置到桌面的瞬间开始计时，澄清界面每下降1 cm记录1次时间，直至压缩层高度不再发生明显变化为止；最后取上层清液测其浊度值。本试验将煤泥沉降速度和上清液浊度作为考察指标。

2 试验结果与讨论

2.1 凝聚剂单独沉降试验

煤泥水质量浓度为80 g/L，分别加入PAC和石灰乳悬浊液进行沉降试验，静置30 min后测其上清液浊度值。由于凝聚剂处理煤泥水时，煤泥沉降速度非常缓慢，因此将上清液浊度作为凝聚剂单独沉降试验的评价指标。不同凝聚剂沉降试验结果如图2所示。

图2 不同凝聚剂沉降试验结果Fig.2 Settlement experiment results of different coagulants

由图2可知，随着凝聚剂用量的增加，澄清区煤泥水浊度逐渐下降，PAC最佳用量为840 g/t，石灰乳悬浊液最佳用量为960 g/t，此时若继续增加凝聚剂的用量，煤泥水浊度变化不大甚至出现回升的现象。对比发现PAC沉降效果更好且用量较少，因此考虑选择PAC为合适的凝聚剂。

2.2 絮凝剂单独沉降试验

煤泥水质量浓度为80 g/L，加入不同相对分子质量的PAM进行沉降试验，煤泥水的上清液浊度和沉降速度随PAM投加量的变化如图3所示。

图3 不同絮凝剂沉降试验结果Fig.3 Settlement experiment results of different flocculants

由图3可知，随着絮凝剂用量的增加，煤泥水上清液的浊度逐渐降低，且煤泥沉降速度加快。絮凝剂用量达到最佳时，继续增加药剂用量，煤泥水沉降效果无明显改善，出现沉降速度下降、浊度回升的现象，这是因为絮凝剂分子发生了结构化，影响煤泥正常沉降。综合考虑上清液浊度和沉降速度，500万、1 000万分子量PAM最佳用量分别为12、14 g/t。由于2者用量差别不大，综合考虑，选择1 000万分子量的PAM为合适的絮凝剂。

2.3 药剂复配正交试验

以煤泥水浓度、凝聚剂和絮凝剂用量为试验因素进行三因素三水平正交试验，选用L9(34)正交试验表。煤泥水质量浓度分别为70、80、90 g/L，凝聚剂PAC用量分别为780、840和900 g/t，絮凝剂1 000万分子量PAM用量分别为13、14和15 g/t。正交试验因素水平表见表2。配制好所需浓度的煤泥水，按照先加凝聚剂后加絮凝剂的顺序进行沉降试验，将沉降速度和煤泥水上清液浊度作为考察指标。

表2三因素三水平试验方案
Table2Testofthreefactorsandthreelevels

水平因素A煤泥水浓度/(g·L-1)因素BPAC用量/(g·t-1)因素CPAM用量/(g·t-1)170780132808401439090015

实践证明，过度追求煤泥水上清液澄清度，不仅会增加药耗，还会增加煤泥水处理难度，因此对2个指标进行“加权平均综合评分”，综合评分=透光率×0.8-沉降速度×1.2，用直观分析法和方差分析法对试验结果进行分析，试验结果和直观分析见表3，方差分析见表4。

1)直观分析:综合评分越低越好。由表3可知，5号试验综合评分最低，即煤泥水的综合沉降效果最好，此时煤泥水上清液浊度为21 NTU，沉降速度为11.76 cm/min。

表3正交试验结果与直观分析
Table3Orthogonaltestresultsandintuitionisticanalysis

试验编号A1B2C3空白列4浊度/NTU沉降速度/(cm·min-1)综合评分11(70)1(780)1(13)12310.345.99212(840)2(14)2319.6813.18313(900)3(15)32712.047.1542(80)123267.8911.33522312111.762.6962312308.7013.5673(90)1322410.177.0083213289.2311.3293321367.2620.09k18.788.1110.299.59k29.199.0714.8711.25T=92.31k312.8013.605.619.94R4.035.499.261.66

注:k1、k2、k3分别为l、2、3水平试验结果(综合评分)的平均值；R为极差；T为综合评分的加和。

表4方差分析
Table4Varianceanalysis

方差来源偏差平方和S自由度f平均偏差平方和VF值临界值显著性A29.415214.7086.416F0.10(2,2)=9无显著影响B51.659225.82511.267F0.05(2,2)=19显著影响C128.516264.25828.031F0.01(2,2)=99显著影响误差e4.58522.292总和214.7158

2)极差分析:极差R反映了该因素对试验指标的重要程度，极差越大，说明该因素的水平变化对试验指标的影响越显著。由表3可知，影响煤泥水沉降因素的主次顺序为:C(絮凝剂用量)、B(凝聚剂用量)、A(煤泥水浓度)，根据综合评分越低越好，可得最优水平组合方案为C3B1A1。

3)方差分析:F值可以说明该因素对试验指标的影响程度，并且F值与对应临界值的差距越大，这种影响就越显著。由表4可知，絮凝剂用量对煤泥水沉降效果有显著影响，凝聚剂用量对煤泥水沉降效果有一定影响，而煤泥水浓度小范围变化对煤泥水沉降效果无显著影响。由F值的大小可确定试验因素的主次顺序为:C、B、A，验证了极差分析的正确性，确定最优方案为C3B1A。由于因素A的水平改变对于试验指标无显著影响，可根据实际情况而定，结合极差分析结果，试验优选方案为C3B1A1。

经极差分析和方差分析得到的最优方案为A1B1C3，由于该试验方案不包含在9个试验中，因此需进一步的验证试验。以煤泥水浓度70 g/L、凝聚剂用量780 g/t和絮凝剂用量15 g/t为条件进行试验，此时煤泥水上清液浊度为18 NTU，沉降速度为11.16 cm/min，综合评分为1.01。与5号试验的综合评分对比，不难发现方案A1B1C3的试验结果更好，因此可以得出A1B1C3组合为最优试验方案。

3 结 论

1)对于原煤变质程度低、易泥化的煤泥水体系，单独添加絮凝剂或凝聚剂的沉降效果不佳，而药剂复配试验证明凝聚剂和絮凝剂联用不仅能取得更好的沉降效果，还能在一定程度上减少药耗。

2)絮凝剂和凝聚剂的添加量会影响煤泥水沉降效果，而煤泥水浓度小范围变化对处理效果无明显影响。因此实际应用中，要选择合理的药剂制度，注意监测煤泥水浓度变化，以减少成本，提高煤泥水的处理效果。

3)煤泥水浓度为70 g/t时，凝聚剂和絮凝剂联用的煤泥水沉降最好，凝聚剂PAC最佳用量为780 g/t，絮凝剂1 000万分子量PAM最佳用量为15 g/t，此时煤泥水的上清液浊度为18 NTU，沉降速度为11.16 cm/min。

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