煤泥水的水质特性及处理技术.doc

平顶山市中鹰选矿设备有限公司 www.ZYXKGS.com在选煤工艺中煤泥水处理涉及面广、投资大，难于管理 。煤泥水特别稳定，静置几个月也不会自然沉降，处理非常困难。为了满足煤泥水闭路循环的水质要求，防止煤泥水闭路循环过程中水质的恶化，保护环境，煤泥水的处理技术研究也愈显必要。煤矿煤泥水可以分为两类：一类是由地质年代较短、灰分和杂质含量较高的原煤在洗选时所产生的；另一类是由地质年代较长， 煤质较好的原煤在洗选时所产生的。本试验用洗选长焰煤和无烟煤的煤泥水（分别称为长焰煤煤泥水和无烟煤煤泥水）进行研究，对比其水质特性，研究其处理技术。1 煤泥水来源及水质特性分析1.1 煤泥水来源试验以长焰煤煤泥水和无烟煤煤泥水作为研究对象，长焰煤煤泥水取自陕北某选煤厂，长焰煤属于烟煤，是烟煤中地质年代最短，变质程度最低的煤种，其灰分较高、水分较多；无烟煤煤泥水取自山西晋城某选煤厂，无烟煤是地质年代最长，煤化程度最深的煤种，含碳量最多，灰分和水分均较少，发热量很高。1.2 煤泥水水质特性1.2.1 煤泥水的一般性质对长焰煤煤泥水和无烟煤煤泥水的一般性质进行了常规分析，分析结果如表1 所示。由表1 可知，两种煤泥水均呈弱碱性，带有一定的负电荷，但它们的SS 和CODCr相差较大，密度也存在一定的差异。1.2.2 煤泥的矿物组成煤泥水是一种复杂的多分散体系，它由一些粒度、形状、密度、岩相等不同的颗粒，以不同比例混合而成。煤泥的成分很复杂，各选煤厂煤泥的矿物组成以及岩相特征都不一样。对煤泥的矿物组成进行分析，有助于合理地选择混凝剂，也有助于对混凝过程和机理的理解。煤泥的矿物组成分析结果见表2。由表2 可知， 两种煤泥的矿物组成的主要成分为都是SiO2和Al2O3，其次是化合C，其中SiO2的含量都在41.5%以上，无烟煤煤泥中的Al2O3含量较长焰煤煤泥中的Al2O3含量高，长焰煤煤泥中化合C 的含量高于无烟煤煤泥中化合C 的含量，其余含量均较少。1.2.3 煤泥水的颗粒粒度分布煤泥水中所含颗粒粒度的分布对处理效果有较大的影响，煤泥颗粒的粒度分布，尤其是微细级的含量，对煤泥水的处理有着决定性的意义。由斯托克斯公式可以知道，颗粒沉降速度与颗粒直径的平方成正比，粒径越小，沉速越慢，沉淀分离的难度就越大。试验采用美国贝克曼公司生产的LS230/sum+型粒度分析分布仪进行煤泥粒度分布测定，分析结果如图1 所示。由图1 可知，长焰煤煤泥水和无烟煤煤泥水中细微煤泥颗粒（250 m 的煤泥颗粒的含量（11.43%）高于其在无烟煤煤泥水中的含量（1.66%）。1.2.4 煤泥水性质对比通过以上分析可知，不同煤质的煤泥水由于原煤性质的差异，它们的性质有很大的差别，主要表现在：地质年代较长的煤煤化程度较高，所含灰分较少，因而煤泥水悬浮物浓度较小，而地质年代较短的煤煤化程度较低，所含灰分较多，煤泥水悬浮物浓度较大；同时由于地质年代较长的煤的硬度相对较高，不易在煤炭洗选加工过程中破碎，从而使煤泥水中250 m 的煤泥颗粒含量相对较低，而地质年代较短的煤硬度较低、易破碎，致使煤泥中250 m 的煤泥颗粒含量相对较高。但从对表1、表2 的分析可知，不同煤质的煤泥水的性质也存在一定的共性，主要表现为：表面带有一定的负电荷，细微煤粒含量较高以及煤泥矿物组成主要成分相似，都是SiO2和Al2O3等。这些因素都表明，煤泥水是一种带负电的胶体分散体系，难于发生自然沉降。中鹰选矿浮选机：煤泥水的水质特性及处理技术2 试验部分2.1 试验材料2.1.1 试验仪器DBJ-621 六联搅拌仪，BS210S 电子天平，pHS-3C 精密pH 计，202-1A 型电热恒温干燥箱，LS230/sum+型粒度分析分布仪等。2.1.2 混凝剂和絮凝剂试验用混凝剂有氯化铁、氯化铝、氯化钙和硫酸镁，均为AR 级，质量分数为2%；絮凝剂选用广州市宇洁化工有限公司生产的聚丙烯酰胺系列产品，产品相对分子质量分别为6 106、8 106、1.2 107、1.6107， 阳离子度分别为10%20%、25%35%和35%45%的阳离子型聚丙烯酰胺以及质量分数为0.1%的非离子型聚丙烯酰胺。2.2 试验方法2.2.1 试验设计对不同煤质煤泥水的性质、煤泥颗粒的粒度组成和矿物组成成分进行分析，对比分析煤泥水的性质，合理选择混凝剂和絮凝剂，通过正交试验，最终确定煤泥水处理的最佳试验条件。2.2.2 煤泥水悬浮物浓度的测定经滤纸过滤后，于105 下烘干1 h，置干燥皿中冷却后称重，计算煤泥水悬浮物浓度。2.2.3 混凝沉淀试验方法混凝剂最佳pH 适用范围为5.57.01，PAM 的最佳pH 适用范围为3.57.04，由于煤泥水呈弱碱性，在混凝沉淀试验前，取一定量的煤泥水，使用弱HNO3溶液调节，为了减小投药量，将pH 调至7.0，然后使用DBJ-621 型六联搅拌仪进行混凝沉淀试验，向其中加入混凝剂，以一定速度搅拌，其后再向其中加入絮凝剂，继续搅拌，迅速将煤泥水移入量筒中，沉降30 min，测定上清液悬浮物浓度。中鹰选矿浮选机：煤泥水的水质特性及处理技术3 结果与讨论3.1 混凝剂的选择由于煤泥水是带负电的胶体分散体系，且煤泥水浓度较高，因此选择通过投加阳离子型混凝剂来降低 电位。本试验选用氯化铁、氯化铝、氯化钙和硫酸镁进行试验，试验条件为：取250 mL 煤泥水，向其中加入混凝剂，在120 r/min 的速度下搅拌120s，迅速将煤泥水移入100 mL 量筒中，沉降30min，测定上清液悬浮物浓度。试验结果见图2 和图3。从试验结果可知，混凝剂的投加量对去除效果的影响较大， 在加药量较小的情况下，由于Al3+、Fe3+的价位较Ca2+、Mg2+高，三价阳离子混凝剂的处理效果较二价阳离子的处理效果好；处理长焰煤煤泥水的混凝剂投加量高于无烟煤煤泥水的投加量；试验所形成的絮体体积较小，沉降速度慢。本试验混凝剂使用氯化钙处理长焰煤煤泥水，加药量为2 mL； 使用氯化铝处理无烟煤煤泥水，加药量为1 mL。3.2 絮凝剂的选择由于单纯投加阳离子型混凝剂所形成的絮体体积较小，因此投加高分子絮凝剂PAM， 使絮体通过架桥作用形成较大的絮团，从而加速沉降过程。不同类型的PAM 对去除效果具有一定的影响，本试验在中性条件下投加混凝剂后，研究了不同分子质量的阴离子型PAM 以及不同阳离子度的阳离子型PAM 对SS 去除效果的影响。然后使用筛选出的絮凝剂，对煤泥水进行对比试验分析， 最终确定了处理两种煤泥水的最优絮凝剂。中鹰选矿浮选机：煤泥水的水质特性及处理技术3.2.1 阴离子型PAM 分子质量对去除效果的影响取250 mL 长焰煤煤泥水或无烟煤煤泥水，先加入2 mL 氯化钙溶液或者1 mL 氯化铝溶液，在120 r/min 的速度下搅拌60 s，再分别向其中加入相对分子质量分别为6106、8106、1.2107 和1.6107的阴离子型PAM 2 mL 或1 mL， 在120 r/min 的速度下搅拌60 s，迅速将煤泥水移入100 mL 量筒中，沉降30 min，测定上清液悬浮物浓度。试验结果见图4。由图4 可知，阴离子型PAM 分子质量对悬浮物去除效果的影响较大，其中相对分子质量为8106的阴离子型PAM 对两种煤泥水的去除效果均较好，主要是由于当PAM 分子质量太大时，分子链太长不能有效打开，故无法起到架桥作用，因此絮凝效果并不佳， 故选用相对分子质量为8106 的阴离子型PAM 进行试验。3.2.2 阳离子型PAM 阳离子度对去除效果的影响取250 mL 长焰煤煤泥水或无烟煤煤泥水，先加入2 mL 氯化钙溶液或者1 mL 氯化铝溶液， 在120r/min 的速度下搅拌60 s，再分别向其中加入不同阳离子度的阳离子型PAM 2 mL 或1 mL，在120 r/min的速度下搅拌60 s，迅速将煤泥水移入100 mL 量筒中，沉降30 min，测定上清液悬浮物浓度。试验结果见图5。由图5 可知，阳离子型PAM 阳离子度对悬浮物去除效果的影响较大，阳离子度越高，去除效果越好，这主要是由于阳离子度越大，阳离子链节所占的比例越大，混凝初期电性中和能力越强，因此选用阳离子度为35%45%的阳离子型PAM 进行试验。3.2.3 絮凝剂的选择试验根据上述试验结果，分别选取相对分子质量为8106 的阴离子型PAM、阳离子度为35%45%的阳离子型PAM 和非离子型PAM 进行混凝沉淀试验。取250 mL 长焰煤煤泥水或无烟煤煤泥水，先加入2 mL氯化钙溶液或者1 mL 氯化铝溶液， 在120 r/min 的速度下搅拌60 s， 再分别向其中分别加入不同量的相对分子质量为8106 的阴离子型PAM、阳离子度为35%45%的阳离子型PAM 和非离子型PAM，在120 r/min 的速度下搅拌60 s，将煤泥水移入100 mL量筒中，沉降30 min，测定上清液悬浮物浓度。试验结果见图6 和图7。由图6、图7 可知，絮凝剂的投加量对悬浮物去除效果的影响较大。非离子型PAM 不带电，主要通过架桥作用，吸附煤泥胶体颗粒5-7。在加药量较小的情况下，非离子型PAM 的去除率高于阴离子型PAM 和阳离子型PAM， 但随着加药量的进一步增大，非离子型PAM 对悬浮物的去除率逐渐下降；阴离子型PAM 带负电，由于它主要通过架桥作用降低煤泥水悬浮物浓度， 因此其投加量对长焰煤煤泥水悬浮物去除效果影响较小， 而对于煤泥颗粒含量较低的无烟煤煤泥水，随着加药量的增加，过量的阴离子型PAM 相互排斥， 反而降低了对悬浮物的去除率；阳离子型PAM 带正电，加药量少时，主要表现为电性中和作用，随着加药量的增加，架桥作用逐渐成为主导，其对悬浮物的去除效果逐渐增大，当加药量进一步增大，过量的阳离子型PAM 相互排斥，去除率降低。对于长焰煤煤泥水， 试验絮凝剂使用阳离子度为35%45%的非离子型PAM 进行处理；考虑到无烟煤煤泥水浓度较低， 试验絮凝剂使用相对分子质量为8106 的阴离子型PAM 进行处理。中鹰选矿浮选机：煤泥水的水质特性及处理技术3.3 煤泥水处理最佳试验条件的确定根据上述试验结果，用CaCl2和非离子型PAM处理长焰煤煤泥水，用AlCl3和相对分子质量为8106 的阴离子型PAM 处理无烟煤煤泥水，考虑到混凝剂和絮凝剂的加药量和搅拌时间对处理效果也有一定的影响，本试验分别对两种不同煤质的煤泥水进行4 因素3 水平正交试验，确定出最佳试验条件，其中长焰煤煤泥水水样：在250 mL 中投加质量分数2%的氯化钙溶液3 mL，以120 r/min 的速度搅拌90 s，再投加质量分数0.1%的非离子型PAM 2 mL，搅拌60 s；无烟煤煤泥水水样：在250 mL 中投加质量分数2%的氯化铝溶液1 mL，以120 r/min 的速度搅拌60 s， 再投加相对分子质量为8106 的质量分数0.1%的阴离子型PAM 溶液1 mL， 搅拌30 s，沉降30 min。在最佳试验条件下， 长焰煤煤泥水的悬浮物质量浓度从14 260 mg/L 下降至270 mg/L， 去除率为98.2%；无烟煤煤泥水的悬浮物质量浓度从968 mg/L下降为32 mg/L，去除率为97.7%；煤泥水中加入混凝剂后， 电位明显降低，但其后加入PAM， 电位变化不大。以上试验结果表明，通过投加混凝剂，降低了煤泥胶体颗粒表面的 电位， 形成了较小的絮体；絮凝剂加入后，通过架桥作用，使絮体体积进一步增大，沉降效果明显，悬浮物浓度去除效果好，且加药量小，满足煤泥水闭路循环的水质要求，实现节约用水。4 结论（1）比较分析表明，不同煤质的煤泥水的性质存在一定的共性，主要表现为：表面带有一定的负电荷、细微煤粒含量较高以及煤泥矿物组成主要成分相似，都是SiO2和Al2O3等。这些因素都表明，煤泥水是一种带负电的胶体分散体系，难于发生自然沉降。不同煤质的煤泥水由于原煤的煤化程度和灰分不同，它们的悬浮物浓度和煤泥粒度分布有差别较大，煤化程度较低的煤种悬浮物浓度高，250 m的较细煤粒含量较低。（2） 无机阳离子混凝剂和有机高分子絮凝剂的种类对煤泥水的去除效果影响较大。由于Al3+、Fe3+的价位较Ca2+、Mg2+高，三价阳离子混凝剂的处理效果较二价阳离子的处理效果好，但使用混凝剂形成的絮体体积较小；相对分子质量为8106 的阴离子型PAM 由于分子链链长适中，去除效果较好，阳离子度为35%45%的阳离子型PAM 由于阳离子链节所占的比例大，电性中和能力强，去除效果较好，使用絮凝剂形成的絮体体积较大。（3）不同类型的有机高分子絮凝剂去除悬浮物的作用机理不同，并且它们的投加量对去除效果的影响也不同。在加药量较小的情况下，非离子型PAM 对悬浮物的去除率最好； 阴离子型PAM 在加药量较小的情况下以架桥作用为主，随着加药量的增大，由于阴离子型PAM 带负电，相互排斥，导致去除率下降； 阳离子型PAM 在加药量较小的情况下，主要表现为电性中和作用，随着加药量的增大，相互排斥，对悬浮物的去除率下降；非离子型PAM 主要表现为架桥作用，加药量对悬浮物去除效果的影响相对较小。（4） 本试验使用氯化钙和非离子型PAM 组合处理长焰煤煤泥水，使用氯化铝和相对分子质量为8106 的阴离子型PAM 组合处理无烟煤煤泥水，最佳试验条件是先将煤泥水用稀HNO3溶液调节pH 至中性，然后对长焰煤煤泥水采用在250 mL 煤泥水中投加质量分数2%的氯化钙溶液3 mL，以120 r/min 的速度搅拌90 s， 再投加质量分数0.1%的非离子型PAM 2 mL，搅拌60 s；对无烟煤煤泥水采用在250 mL 煤泥