小纪汗选煤厂煤泥水沉降性能试验研究

郭峰亮，李凌月，张宇龙，周生伦，张世宏

(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

近年来，随着煤矿机械化开采程度的快速提高，采出的煤炭中细颗粒所占比例不断增加，进而增大了洗选过程中煤泥的含量[1]。选煤厂煤泥水的浓度也随之增高，加大了煤泥水系统的处理量，再加上煤泥常有高灰、较难沉降等特性，导致煤泥水处理系统的压力加大。煤泥水处理系统是选煤厂的重要环节，不但投资多、工艺复杂，并且管理困难、生产成本大，其处理效果对选煤厂的经济、社会效益具有重要影响[2-3]。对选煤厂的煤泥水进行有效处理，可以节省加药量，减轻劳动强度，有利于选煤厂洗水的闭路循环，并对选煤厂其他生产环节产生积极影响。因此，国内外学者对高效的煤泥水处理技术开展了大量的研究工作[4-8]。

煤泥水处理的关键是如何使细粒煤泥得到快速沉降，处理方式是向煤泥水中加入一定浓度的絮凝剂和凝聚剂，从而使煤泥结为絮团，以较快的速度沉入浓缩池底部[9]。但是煤泥在浓缩池中的絮凝沉降过程非常复杂，具有不确定性、滞后性和大惯性的特点。煤泥沉降效果与煤泥水的沉降特性、絮凝剂和凝聚剂的浓度及添加比例等诸多因素都有关系，所以充分研究相关因素对絮凝沉降过程的影响规律，对实现煤泥水自动精准加药具有重要意义[10]。为此，笔者采取小纪汗选煤厂的煤泥水样品，进行了煤泥水沉降性能试验研究。

2 试验过程

试验选用的小纪汗选煤厂煤泥水样品浓度为75.12 g/L。首先采用激光粒度仪对煤泥的粒度组成进行测试，然后进行絮凝沉降性能试验。试验参数的选取：絮凝剂浓度为4 g/m3，6 g/m3，8 g/m3，10 g/m3，12 g/m3；凝聚剂与絮凝剂质量比分别为0∶1，3∶1，6∶1，9∶1，12∶1。试验采用50 mL量筒作为沉降试验的器皿，选取初始沉降速度为评价絮凝沉降效果的指标。初始沉降速度v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。

煤泥水絮凝沉降试验的设计及结果见表1。其中，絮凝剂浓度和凝聚剂与絮凝剂质量比分别以A、B代表。根据试验数据，分别采用以下4种模型对初始沉降速度同絮凝剂浓度、凝聚剂与絮凝剂质量比的关系进行了拟合。

线性模型(Y=k1A+k2B)；

2FI模型(Y=k1A+k2B+k3AB)；

二次方模型(Y=k1A+k2B+k3A2+k4B2+k5AB)；

立方模型(Y=k1A+k2B+k3A2+k4B2+k5AB+k6A3+k7B3+k8AB2+k9A2B)。

表1 煤泥水絮凝沉降试验设计及结果

3 结果与讨论

为了有效制定煤泥水的加药策略，对煤泥水的粒度特性进行了分析，建立了初始沉降速度的数学模型，并分析了絮凝剂浓度、凝聚剂与絮凝剂质量比对初始沉降速度的影响。

3.1 煤泥水粒度特性分析

在煤泥水中，煤泥颗粒的性质决定了煤泥水的性质，其中，煤泥颗粒的粒度组成会对煤泥水处理的难易程度产生很大影响，粒度组成的变化会引起固液两相之间相对运动速度的变化。随着颗粒粒度的增大，沉降速度也会加快，从而产生更好的分离效果；如果颗粒的粒度很小，将会较难进行分离，这是由于煤泥中细粒比例增大时，将加剧颗粒的布朗运动，增加颗粒间表面电荷斥力，使煤泥水具有某些胶体的性质，增加了煤泥水的粘度，从而对煤泥水的沉降产生不利影响。

小纪汗选煤厂煤泥水粒度分布结果如图1所示。可以看出，给入浓缩池的煤泥水颗粒粒度很细，小于0.05 mm粒级约占总量的80%，小于0.01 mm粒级也占到总量的36%。根据斯托克斯公式，颗粒的沉降速度与其粒径的平方成正比，颗粒的沉降速度会随着粒径的减小而变慢；另外，由于重力作用会随着颗粒粒度的减小而变小，这会使得布朗运动造成的影响越来越显著，从而促使颗粒处于悬浮状态。由于该煤泥水中微细颗粒较多，需要对其进行有效的絮凝沉降。

图1 煤泥水粒度分布示意

3.2 初始沉降速度数学关联式的建立

根据初始沉降速度试验数据，对4种模型进行了R2综合分析，见表2。由表2可见，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。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可以看出，模型中的A、A2因素显著。通过模拟得出了初始沉降速度v与A、B两因素的数学关联式：

v(cm/min)=-141.85+47.33A+2.27B-

2.29A2-0.20B2+0.11AB

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。学生化残差的正态分布见图2，实验值和预测值的对比见图3。可以看出，学生化残差基本符合正态分布，试验值和预测值吻合度较高。

表2 R2综合分析(初始沉降速度)

表3 二次方模型参数的方差分析(初始沉降速度)

图2 初始沉降速度学生化残差的正态分布

图3 初始沉降速度实验值和预测值的对比

3.3 絮凝剂浓度和凝聚剂与絮凝剂质量比对初始沉降速度的影响

图4为絮凝剂浓度和凝聚剂与絮凝剂质量比对初始沉降速度的影响。由图4可知，凝聚剂与絮凝剂质量比一定时，随着絮凝剂浓度的增加，初始沉降速度先增大后减小，当絮凝剂浓度为10 g/m3时，初始沉降速度最大。这是因为随着絮凝剂浓度的增大，单位面积的絮凝剂分子增多，与絮凝剂分子接触的煤泥水颗粒也越来越多，使得煤泥水颗粒更容易形成絮团，并以较快的速度下沉；但是当絮凝剂的浓度过高时，煤泥水颗粒的表面会全部被絮凝剂分子包住，这会对煤泥水颗粒的絮凝产生不利影响，使颗粒间产生斥力，形成分离状态。从图4中还可以看出，絮凝剂浓度一定时，初始沉降速度随着凝聚剂与絮凝剂质量比的增加逐步增大，但变化幅度较小。

图4 絮凝剂浓度和凝聚剂与絮凝剂质量比对初始沉降速度的影响

4 结 语

(1)小纪汗选煤厂煤泥水中微细颗粒较多，0.05 mm以下的物料约占总量的80%，0.01 mm以下的物料占到总量的36%。

(2)影响初始沉降速度的显著因素为絮凝剂浓度。随着絮凝剂浓度的增加，初始沉降速度先增大后减小；当絮凝剂浓度为10 g/m3时，初始沉降速度最大。

(3)建立了初始沉降速度与各影响因素间的数学关联模型。

(4)在试验选定比例范围内，絮凝剂浓度一定时，凝聚剂与絮凝剂质量比越大，煤泥水沉降速度越快。