影响煤泥水沉降的因素分析

影响爆泥水沉降的因素分析刘亮【摘要】阐述了难沉降煤泥水的特点及其对选煤厂生产乃至整个矿区生态环境的影响；分析了煤泥中矿物组成、粒度组成、水质、浓度、粘度、煤泥量、浓缩沉降面积以及药剂制度等因素对煤泥水沉降的影响，提出了解决煤泥水难沉降的几点建议.【期刊名称】《煤炭加工与综合利用》【年(卷)，期】2013(000)0z1【总页数】5页(P20-24)【关键词】选煤厂;煤泥水;泥化;处理;影响因素【作者】刘亮【作者单位】泰戈特(北京)工程技术有限公司，北京100022【正文语种】中文【中图分类】TD946.2煤泥水处理系统是选煤厂生产过程中的重要环节之一。煤泥水处理效果不仅直接影响选煤厂的经济效益，同时对矿区环境和水资源的节约利用也有重要意义。典型的难沉降煤泥水几天甚至几月都不能彻底澄清，严重时可导致整个分选系统瘫痪，影响选煤厂连续生产和煤炭产品质量。从目前各选煤厂的运行情况看，随着矿井开采的不断深入，井下地质条件与预测情况变化很大，煤层变薄、构造和断层较多，顶底板泥岩大量混入，导致选煤厂煤泥量大幅度增加，尤其是高灰细泥的增加，使浓缩机的浓缩效率和压滤机的单位处理能力显著降低，煤泥水分也明显升高，不但影响煤质，而且影响整个系统的正常生产。1难沉降煤泥水的特点实际运行中，煤泥水（尤其是选煤厂的浮选尾矿）的主要特点是浊度高、灰分高、固体颗粒表面多数带负电荷，同性电荷间的斥力使这些微粒在水中保持分散状态［1］。它们在水中不仅受重力的作用，还受介质布朗运动的影响。此外，由于煤泥水中固体颗粒界面之间的互相作用，如吸附、溶解、化合等，使得煤泥水的性质相当复杂，不但具有悬浮液的性质，还具有胶体的性质。基于这些原因，多数选煤厂的煤泥水很难自然澄清。1.1难沉降煤泥水以粘土矿物为主煤泥的矿物质组成包括粘土矿物、氧化矿物、碳酸盐矿物、硫化矿物、硫酸盐矿物等，其中粘土矿物是煤中最主要的矿物质。难沉降煤泥水中含有大量易泥化的粘土矿物，这些矿物在水中易吸水膨胀、泥化成微米级颗粒，难沉降煤泥水中小于5pm级含量大幅增加，改变了煤泥水的粒度组成、粘度特性以及水质特征，导致颗粒沉降速度急剧降低，沉降面积严重不足，煤泥水高浓度循环。1.2难沉降煤泥水水质状况较差难沉降煤泥水的水质状况有三个特点：中性pH值，总离子含量及水质硬度都较低，这种水质条件使得煤泥水成为分散状态，不利于颗粒的聚沉［1］。1.3高浓度循环或外排与选矿厂尾矿的开放体系不同，煤泥水系统是一个封闭系统，其特点为流量大（选煤厂每小时循环水可达数千立方米）、循环周期短（1h可完成多个循环）、空间有限（难以靠浓缩与脱水设备直接完成回收）。煤泥水的难沉降特性、闭路的生产系统以及低廉的运行成本，使得选煤厂煤泥水浓度通常达到50~80g/L,这种情况不仅恶化选煤效果，而且极易发生细泥积聚导致煤泥水外排。2影响煤泥水沉降的因素分析煤泥水系统是一个典型的固液两相体系，煤泥水的难沉降源于煤泥自身与煤泥水系统两个层面，实现难沉降煤泥水的快速澄清，实质就是要实现固液两相的高效分离，因此固相特征和液相特征，共同决定了煤泥水的整体性质，加之煤泥水系统是一个强制循环的运行体系，这种强制循环形成了煤泥水的循环反馈机制。溶液化学反应使水体硬度不断降低，而胶体化学反应使体系更加分散，浓度不断增高。两者叠加效应将使煤泥水越循环越难沉降，越循环煤泥浓度越高。最终导致高浓度煤泥水外排，絮凝沉降失效。因此分别研究固相及液相特征，以及煤泥水在强制循环过程中的工艺因素，对解决煤泥难沉降的问题具有重要意义。2.1煤泥中矿物组成对其沉降效果的影响煤泥的矿物组成复杂，主要有石英、方解石、粘土矿物和黄铁矿等。其中粘土矿物种类很多，主要有高岭土、蒙脱石、绿泥石等。在这些矿物中石英和方解石自身性质稳定、不易机械粉碎和泥化，所以对煤泥水的沉降影响不大。黄铁矿类物质氧化后溶解度增大，在水中生成Fe3+离子，促成有利于颗粒沉降的水质环境，因此从理论上讲，黄铁矿的存在有利于煤泥水沉降。而对煤泥水沉降产生不利影响的是粘土矿物，粘土矿物遇水极易泥化，且粒度微细、不仅本身难沉降，还使煤泥水粘度大幅增加。图1为神华神东分公司保德选煤厂难处理煤泥水中固体物的XRD分析结果。（K:高岭土；Q:石英；S:菱铁矿；C:方解石；I:伊利石；B:菱镁矿）图1保德原煤泥水中固体XRD分析从图1可以看到，该煤泥中的主要矿物为高岭石和石英，含有少量的菱镁矿和菱铁矿以及伊利石。高岭石等粘土矿物的存在，对煤泥水处理带来很大影响，这也是造成该厂煤泥水难沉降的重要因素。2.2煤泥粒度组成对其沉降的影响由于煤泥水系统中煤泥颗粒微细，煤泥与水介质的相对运动速度较小，因此煤泥粒度组成对煤泥水沉降的影响可以用斯托克斯沉降末速公式来分析和解释［2］。颗粒在水介质中的自由沉降速度可按斯托克斯公式求得：颗粒在煤泥水中的沉降为干扰沉降，其沉降速度可按利亚申柯公式计算：式中：u——颗粒在水中的自由沉降速度，cm/s;ug——颗粒在煤泥水中的干扰沉降速度，cm/s;M——常温下水的粘度外=0.01P；6颗粒的密度，g/cm3;d颗粒的粒度，cm;X—颗粒的球形系数，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——实验指数，一般取n=5~6;入一一煤泥水固体容积浓度，入=1/(R6+1);R——煤泥水液固比。从上式可以看出，沉降末速与颗粒直径的平方成正比，与体系的动力粘度成反比，受体系密度和悬浮液浓度的影响，对于颗粒越微细的体系，该公式适应性越好。对于难沉降煤泥水体系，由于煤泥尺寸微细，因此沉降末速极小，在煤泥水动态循环的过程中没有足够的沉降时间，造成微细煤泥循环积聚，澄清效果急剧恶化。2.3水质状况对煤泥水沉降的影响水是构成煤泥水系统的液相体系，水质状况对煤泥在其中的沉降效果影响很大，而在表征水质状况的诸多因素中，硬度的影响最为明显，对于难沉降煤泥水，水质硬度甚至起着决定性的作用［3］。从表1可以看出，在循环水的溶液组成中，难沉降煤泥水的硬度都较低。煤泥水呈稳定的类胶体分散体系，该体系之所以稳定是因为微细颗粒具有双电层结构，其表面带有负电荷，互相之间因静电斥力而处于分散状态。微细颗粒表面具有未补偿的键能，极性水分子在键能表面定向排列，形成水化膜，阻止颗粒接触碰撞。微细颗粒质量甚轻，重力对其影响极小，相对而言受水分子热运动的影响极为强烈，导致它们稳定地悬浮在水体之中［4］。对于此类煤泥水，在浓缩澄清过程中必须添加药剂，使体系硬度升高后才能实现煤泥的高效聚沉。表1典型难沉降煤泥水中的离子组成厂名Na++K+/mg・L-1Ca2+/mg・L-1Mg2+/mg・L-1Al3+/mg・L-1Fe3+/mg・L-1总离子含量硬度煤泥水特性临焕424.2213.629.900.612.881479.924.19难沉降淮北522.5629.167.011439.332.85难沉降夹河328.7736.964.241.352.501188.806.15难沉降2.4煤泥水浓度对沉降的影响煤泥水浓度是煤泥水性质的重要表征，浓度变化直接决定了系统中煤泥量的大小。浓度增大进入系统中的煤泥量增大，带来煤泥水性质的一系列变化：诸如系统细煤泥的绝对含量增加，体系动力粘度增大，颗粒相对运动速度减小，水中离子含量发生变化，浓缩机沉降面积不足，药剂制度紊乱，药剂不能充分分散等问题。当井下过断层时，砰石及煤泥含量急剧增加，此时对煤泥水系统的影响非常严重。例如在神东公司石圪台选煤厂，该厂一年中大部分时间煤质状况都较好，煤泥含量及灰分较低，但是每当井下过断层，或者是煤质状况恶化时，系统中的煤泥量便会大幅增加，而且灰分较高，导致浓缩及压滤系统能力严重不足，药剂添加紊乱，浓缩机溢流浓度急剧升高，几乎接近入料浓度。2.5煤泥水粘度对沉降的影响工艺过程中，煤泥水粘度实质是煤泥水浓度、粒度组成、矿物组成的一个综合表征，在很大程度上受药剂条件的影响。粘度增大，颗粒沉降速度将显著减小，煤泥水处理难度增大，煤泥水的有效粘度随着煤泥水浓度的增大而增大，随着煤泥组成粒度的减小而增大，一般后者的影响更为明显。有实验表明，当水中的煤泥粒度小于45顷时，煤泥水的有效粘度急剧增大，而当水中的煤泥粒度大于45顷时，煤泥水的有效粘度与水相差不大。在工业过程，由于药剂添加不合理，导致煤泥水粘度产生很大变化，从而影响煤泥沉降效果。絮凝剂本身粘度较大，如果在添加过程中没有充分混合，或者由于粒度组成变细，浓度升高导致药剂量偏大时，煤泥水的浓度将会急剧增大，导致煤泥沉降困难，甚至会出现药剂〃中毒”，煤泥无法沉降的现象。2.6煤泥水流量对煤泥沉降的影响煤泥水流量是影响煤泥水沉降的一个重要的外部工艺因素，一般情况下如果煤泥水性质稳定，则进入煤泥水系统的煤泥水量也相对稳定。当煤泥性质发生变化，如井下过断层，入洗量增加，煤泥含量增大且泥化严重时，由于洗选系统用水量增大，将会导致进入煤泥水系统的煤泥水量大幅增加。煤泥水流量增大，表明进入系统的水量和煤泥量都会增大，由于水流速度加快，药剂分散不完全，直接导致药剂亏量，浓缩面积不够，颗粒来不及沉降就已排出，导致煤泥水高浓度快速循环，循环水水质在很短时间内急剧恶化，并且难以发现，难以处理。2.7药剂制度对煤泥水沉降的影响絮凝剂为有一定线性长度的高分子有机聚合物，其作用机理是利用有机高分子的架桥作用，依靠静电键合、氢键键合以及共价键键合等方式将微粒吸附在一起，形成大而蓬松的絮团，从而加速了沉降［5］。一般而言絮凝剂的反应时间很短，加入后很快就可以看到絮团成型。目前选煤厂一般选用聚丙烯酰胺作为煤泥水处理部分的絮凝剂，不同分子量絮凝剂对不同性质煤泥水的沉降效果也不同。试验采用三种来自不同厂家、不同分子量的絮凝剂作为研究对象，以考察对某一特定的煤泥水，不同分子量絮凝剂的絮凝效果以及最佳用量。试验结果见图2。图2不同分子量絮凝剂沉降曲线对比从图2中可以看出，随着絮凝剂用量的增加，煤泥沉降速度加快，并逐渐达到最大值，药剂量继续增加，沉降速度减小。就三种药剂而言：1200万分子量絮凝剂与1000万分子量絮凝剂沉降效果相差不大，用量少，沉降快。800万分子量絮凝剂沉降效果较差。但分子量过高会造成药剂溶解困难，加上大分子运动迟缓，吸附的固体颗粒空间距离太大等原因，反而会影响絮凝效果。所以，阴离子型聚丙烯酸胺分子量以600~1200万为宜。从分光光度计的测试数据来看，采用各种聚丙烯酰胺絮凝后的澄清液均比较浑浊，透光率低，表明澄清液中残留了较多的细粒。试验中可观察到明显的选择性絮凝现象，即聚丙烯酰胺只能使细粒煤絮凝，而浅色的泥质颗粒则滞留于澄清液中。所以，只添加絮凝剂还不能满足工业生产的需求，还需要添加一定量的凝聚剂才能达到高效澄清。特别是对于高浓度微细粒难沉降煤泥水体系，只加絮凝剂无法实现煤泥水深度澄清，药剂量偏大反而会使系统粘度急剧增大，导致煤泥水无法处理。凝聚剂主要是无机电解质，其作用机理是改变颗粒表面的电性质，通过电性中和的作用来解除布朗运动，使微粒能够聚集在一起，形成小而紧密的凝聚体。凝聚剂对悬浮液中微细粒子作用明显，但由于微细颗粒比表面积较大，且电中和过程中移动速度缓慢，所以聚团形成需要较长的时间。试验数据显示，随着凝聚剂用量的增加，澄清液透光率提高，与聚丙烯酰胺配合使用后的澄清液透光率可达90%以上，可以满足工业洗选的要求。但同时也会导致颗粒的沉降速度变慢，固体沉淀物密实程度降低。凝聚剂用量过多时，絮团呈漂浮状态，基本不沉降。2.8浓缩面积对煤泥水沉降的影响分级设备中的沉降分离过程，一般引入海伦模型。该模型假定煤泥水中的固体颗粒和流动速度在整个水池断面上均匀分布，并保持不变，悬浮液在分级设备中的流动是理想的缓慢流动，颗粒只要一离开流动层，就认为已经成为沉淀物，该模型又称浅池原理。根据浅池原理，在某一分级粒度下，煤泥水流量W(m3/h)、设备面积S(m2)与分级粒度下沉速度v(m/s)之间存在如下关系：W=Sv(3)即当分级粒度一定时，所需的设备面积与煤泥水流量成正比。当沉降面积S为1时，由(3)式可得W=v=3，说明分级粒度的下沉速度与分级设备的单位负荷在数值上是相等的。式中，3为分级设备单位负荷，m3/(m2・h)。分级设备的选取，在设计中常用沉淀设备的单位面积负荷来计算。沉淀设备的单位面积负荷通常以每平方米沉淀面积及每小时所能处理的矿浆量来表示。S=KW/3(4)式中，K为不均衡系数，取1.25。从以上的公式推导中可以看到，虽然沉淀设备的单位负荷在数值上与分级粒度下的沉降速度相等，但是同一分级粒度下的沉降速度并不唯一。不同粒度组成、不同浓度、不同水质条件下的煤泥水在相同分级粒度下的沉降速度可能完全不同。而式(4)中仅以一个固定的经验值来反映分级设备的单位负荷，导致浓缩设备不能适应煤泥水的性质变化，当煤泥水性质发生变化时，便会出现浓缩面积不足，分级粒度上限提高，浓缩机溢流高浓度循环等事故。3难沉降煤泥水处理的几点建议煤泥水系统是一个复杂的固液两相分散体系，对于难沉降煤泥水，微细颗粒与水形成一个稳定的类胶体体系，组成煤泥水系统的各个因素都会对煤泥水沉降带来影响，对于该类煤泥水的处理，应该从以下几个方面进行改进。在煤泥水系统设计过程中，要全面考虑煤质、选煤厂水质对煤泥水系统可能造成的影响。首先要系统分析入洗原煤的矿物组成，通过泥化实验确定泥化程度，对于矿井型选煤厂，还有必要对井下底板、顶板及夹砰层的性质进行泥化实验分析，预测顶底板及夹砰的混入对煤泥水系统产生的影响。对于选煤厂用水，应该对水中的离子含量，特别是水质硬度进行细致分析，以方便在后续生产过程中通过调整药剂加入量来改变水质，实现煤泥水的澄清。在生产过程中应该及时预测，相互协调，随着开采机械化程度的提高以及井下地质条件的恶化，入洗