王 健 馬 偉 田 晉 許文科 謝廣元 彭耀麗 胡鵬飛

(1.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048000；2.山西神悅節(jié)能技術(shù)有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048000；3.山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司選煤廠，山西省晉城市，048000；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

浮選尾煤進(jìn)行脫水處理是實(shí)現(xiàn)選煤廠內(nèi)煤泥水閉路循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，這有益于保護(hù)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益。由于浮選尾煤具有粒度細(xì)、粘度大以及黏土礦物多等特點(diǎn)，導(dǎo)致煤泥壓濾環(huán)節(jié)壓濾速率低，影響企業(yè)正常的生產(chǎn)。同時(shí)，較高的濾餅水分會(huì)造成水資源浪費(fèi)、運(yùn)輸成本增加、儲(chǔ)運(yùn)難度大、熱值下降。在煤泥壓濾的過程中，采用添加助濾劑的方法可以在不改變現(xiàn)有工藝及設(shè)備的前提下改善壓濾效果，具有簡(jiǎn)單、快捷、成本低、見效快的優(yōu)勢(shì)，因而受到了廣泛的研究與應(yīng)用。

目前，按其作用特征主要分為無機(jī)鹽、高分子絮凝劑和表面活性劑這3類煤用助濾劑。郝亞洲等研究人員在新集一礦選煤廠助濾劑的選擇與應(yīng)用中采用了CaCl2與PAM復(fù)配使用的加藥制度，大大提高了壓濾速度；羅曉玲等研究人員對(duì)比了十二烷基苯磺酸鈉、咪唑啉兩種表面活性劑對(duì)煤泥的助濾作用；Naureen Alam 等研究表明最佳的絮凝劑用量能提高壓濾速度，但過大的絮團(tuán)不利于脫水，而且使濾餅水分升高。

由于各選煤廠的煤泥水性質(zhì)不同，尋找到針對(duì)性更好的助濾劑對(duì)提高壓濾效率意義重大。本研究通過不同類型助濾劑的實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)試驗(yàn)，探尋適宜于趙莊選煤廠煤泥壓濾的助濾劑以提高壓濾機(jī)的處理能力，降低濾餅水分。

1 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品取自趙莊選煤廠濃縮機(jī)底流，濃度為 500 g/L，通過小篩分對(duì)濃縮機(jī)底流的粒度組成進(jìn)行分析，濃縮機(jī)底流小篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1。采用布魯克XRD-S8對(duì)濃縮機(jī)底流進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖1所示。

表1 濃縮機(jī)底流小篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，濃縮機(jī)底流中-0.045 mm粒級(jí)占63.74%，灰分為32.19%。

由圖1可以看出，其中主要的礦物成分為石英和高嶺土。

1.2 實(shí)驗(yàn)室抽濾試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，先在燒杯內(nèi)加入80 mL礦漿，添加一定量的助濾劑后攪拌均勻，倒入布氏漏斗中，打開真空泵進(jìn)行抽濾并計(jì)時(shí)，當(dāng)布氏漏斗下方10 s內(nèi)無濾液滴落時(shí)，抽濾結(jié)束，記錄抽濾時(shí)間，測(cè)量濾餅水分。 試驗(yàn)中使用的助濾劑包括FM-1、5445-1、1000-3和聚合氯化鋁。

圖1 濃縮機(jī)底流樣品的XRD分析圖譜

1.3 煤泥絮凝體分形維數(shù)計(jì)算

在燒杯中取100 mL的濃縮機(jī)底流，添加助濾劑后攪拌均勻，用注射器吸取少量的礦漿置于載玻片上，在偏光顯微鏡下觀察，拍照。使用軟件ImageJ對(duì)照片進(jìn)行二值化處理，并提取凝聚體的投影面積與最大長(zhǎng)度進(jìn)行分形維數(shù)計(jì)算。本研究中采用英國(guó)學(xué)者J.Gregory提出的分型維數(shù)求解方法。絮凝體的投影面積S與最大長(zhǎng)度L滿足關(guān)系式見式(1)：

S=αLDf

(1)

式中：Df——絮凝體的分形維數(shù)；

α——比例常數(shù)。

對(duì)此關(guān)系式進(jìn)行變換可得出LnS=DfLnL+Lnα。從此關(guān)系式可以看出，lnS與lnL有線性關(guān)系，Df是直線的斜率。

1.4 工業(yè)試驗(yàn)

工業(yè)試驗(yàn)過程中使用藥劑攪拌桶對(duì)助濾劑進(jìn)行溶解，然后采用藥劑泵添加至濃縮機(jī)底流入料管道出口處，使進(jìn)入煤泥桶的礦漿與藥劑有一定的混合時(shí)間。記錄同一臺(tái)壓濾機(jī)，在添加兩種藥劑及空白條件下的上料時(shí)間。因?yàn)楫?dāng)壓濾入料越容易脫水，壓濾機(jī)的上料時(shí)間越短。工業(yè)試驗(yàn)原理如圖2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

在濃縮機(jī)底流中添加不同種類的助濾劑進(jìn)行抽濾試驗(yàn)，各助濾劑添加量對(duì)抽濾時(shí)間影響的結(jié)果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖2 工業(yè)試驗(yàn)原理

圖3 FM-1助濾試驗(yàn)結(jié)果

圖4 聚合氯化鋁助濾試驗(yàn)結(jié)果

圖5 5445-1助濾試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、圖4、圖5和圖6可以看出，隨著助濾劑用量的增加，抽濾時(shí)間不斷減少，最終減少幅度趨于平緩。對(duì)于本試驗(yàn)中使用的濃縮機(jī)底流而言，F(xiàn)M-1藥劑的效果最好，抽濾時(shí)間由空白試驗(yàn)的382 s降低到了藥劑用量為500 g/t時(shí)的170 s，在藥劑用量為300 g/t時(shí)抽濾時(shí)間就能降低到203 s；聚合氯化鋁效果次之，抽濾時(shí)間由空白試驗(yàn)的382 s降低到了藥劑用量為1750 g/t時(shí)的205 s。

圖6 1000-3助濾試驗(yàn)結(jié)果

2.2 分形維數(shù)分析

絮凝體的結(jié)構(gòu)對(duì)過濾特性有顯著影響。在添加助濾劑后，煤泥形成的絮凝體結(jié)構(gòu)具有自相似性和標(biāo)度不變性，可以使用分形維數(shù)來準(zhǔn)確描述和定量分析其結(jié)構(gòu)。因此，可通過分形維數(shù)這一新視角對(duì)助濾劑的添加量進(jìn)行優(yōu)化。添加不同用量的FM-1藥劑后，煤泥絮凝體的形貌照片及分形維數(shù)如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

圖7 FM-1添加量50 g/t時(shí)煤泥絮凝體照片及分形維數(shù)

圖8 FM-1添加量100 g/t時(shí)煤泥絮凝體照片及分形維數(shù)

圖9 FM-1添加量300 g/t時(shí)煤泥絮凝體照片 及分形維數(shù)

由圖7、圖8、圖9和圖10的煤泥絮凝體照片可以看出，隨著FM-1藥劑添加量的增加，絮凝體越來越大，絮凝體形狀越來越接近圓形。絮凝體的分形維數(shù)Df也隨著藥劑用量的增加不斷升高，說明絮凝體結(jié)構(gòu)從疏松逐漸變得緊密，而緊密的絮凝體結(jié)構(gòu)是有益于脫水的。當(dāng)藥劑添加量為300 g/t時(shí)，Df為1.91，相比于50 g/t藥劑添加量時(shí)的1.73，Df值有明顯的升高；當(dāng)繼續(xù)增加藥劑用量至500 g/t，Df為1.97，Df值上升得很少，這說明300 g/t的FM-1藥劑添加量是比較合適的，添加過多的藥劑不能進(jìn)一步優(yōu)化絮凝體的結(jié)構(gòu)。這與實(shí)驗(yàn)室抽濾試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

2.3 工業(yè)試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，選取FM-1和聚合氯化鋁這2種藥劑在趙莊選煤廠進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，選取聚合氯化鋁用量為1750 g/t和FM-1用量為300 g/t進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。各條件下均進(jìn)行了多組試驗(yàn)，為添加兩種藥劑及空白試驗(yàn)壓濾機(jī)的上料時(shí)間見表2。

由表2可以看出，添加聚合氯化鋁和FM-1均能有效縮短壓濾機(jī)的上料時(shí)間。添加1750 g/t的聚合氯化鋁，壓濾機(jī)上料時(shí)間從不加藥的643 s減少到550 s；添加300 g/t的FM-1，壓濾機(jī)上料時(shí)間從不加藥的643 s減少到430 s。對(duì)比2種助濾劑，可以看出FM-1的助濾效果更好，能大幅提高壓濾機(jī)的處理能力。此外，在此藥劑用量下，F(xiàn)M-1的用量約為聚合氯化鋁用量的1/6，能大幅降低加藥環(huán)節(jié)的工作量。

表2 各條件下的壓濾機(jī)上料時(shí)間

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)室抽濾試驗(yàn)表明，選取的幾種助濾劑中，對(duì)于趙莊選煤廠濃縮機(jī)底流FM-1藥劑的助濾效果最好，聚合氯化鋁次之。

(2)隨著FM-1藥劑添加量的增加，絮凝體分形維數(shù)不斷增加，絮凝體結(jié)構(gòu)變得緊密，有利于過濾脫水。使用分形維數(shù)對(duì)藥劑用量進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室過濾試驗(yàn)結(jié)果相一致。

(3)工業(yè)試驗(yàn)表明FM-1助濾劑提高了現(xiàn)場(chǎng)的壓濾效果，提高了生產(chǎn)能力且能大幅降低加藥環(huán)節(jié)的工作量。