田軍章

(中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450007)

李陽選煤廠隸屬于潞安集團李陽煤業(yè)有限公司，位于山西省和順縣，是設計能力為1.20 Mt/a的礦井型選煤廠。礦井位于沁水煤田的東北部，沁水煤田是陷落柱較多的煤田[1]。錢文溥提出的“膏溶說”認為：奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r中，有厚度在30 m以上的硬石膏，遇水形成石膏，石膏溶解速度快，上覆巖層塌陷就形成陷落柱。山西省沁水盆地石油普查鉆探也證實了這種觀點[2-3]。小型陷落柱與煤層一同開采，對原煤煤質和煤炭分選有較大影響[4]。當李陽煤礦礦井遇到陷落柱時，入選原煤中細粒含量增加，煤泥水組成發(fā)生變化，選煤廠的生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)分選密度不穩(wěn)、介耗高、循環(huán)水濃度增加、浮選效果差、精煤產(chǎn)率低等一系列問題，嚴重影響了生產(chǎn)的正常進行。為保證正常生產(chǎn)，李陽選煤廠對煤泥水的組成進行了分析，并進行了煤泥水沉降試驗，采用不同的藥劑添加配比，通過對比沉降效果，得到了有效的煤泥水處理方案。

1 煤泥性質

1.1 煤泥粒度組成

當李陽選煤廠入選礦井開采陷落柱原煤時，在選煤廠濃縮機入料處，按照GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能試驗方法》的規(guī)定采取煤泥水樣品[5]，按照GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗方法》的規(guī)定對該樣品進行小篩分試驗，結果見表1。

表1 李陽選煤廠煤泥小篩分試驗結果

由表1可知：該煤泥灰分中等，灰分隨粒度變化不大。但煤泥中<0.045 mm粒級產(chǎn)率達49.81%，細粒級含量高，這是煤泥難于沉降的主要原因。

1.2 煤泥水自然沉降

自然沉降是指無外加藥劑、無絮凝傾向或弱凝結傾向的固體顆粒在懸浮液中自然地離散沉降,特點是顆粒之間不發(fā)生黏附，其形狀、粒度等都保持不變。自然沉降試驗是在250 mL的細頸量筒中進行的，試驗操作步驟為：① 用攪拌器將煤泥水攪拌均勻；②在攪拌過程中，用燒杯取樣并倒入細頸量筒至滿刻度；③將裝滿煤泥水的細頸量筒加蓋后，雙向翻轉5次后靜置；④每隔5 min記錄一次沉淀層下降體積。根據(jù)煤泥水中沉淀層體積變化數(shù)據(jù)和對應時間，繪出煤泥水自然沉降曲線。李陽選煤廠煤泥水自然沉降曲線如圖1所示。

圖1 李陽選煤廠煤泥水自然沉降曲線

由圖1可知：煤泥水在35 min后基本完成了自然沉降，沉降完成后，上清液較渾濁。這與生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的濃縮池沉降效果差，循環(huán)水濃度高的情況下是一致的，說明煤礦過陷落柱時的原煤煤泥水不易自然沉降。

2 煤泥水沉降試驗

2.1 絮凝沉降試驗

煤泥水中部分細粒顆粒的沉降速度極慢，表面帶有很高的負電性，阻止顆粒間相互接近，使細顆粒不能凝聚成較大的顆粒，導致煤泥水長時間不沉降。為加速顆粒沉降，可以通過投加絮凝劑來破壞煤泥水體系的穩(wěn)定狀態(tài)。絮凝是一個復雜的物理化學過程，首先是膠體顆粒脫穩(wěn)并形成細小的凝聚體，然后在絮凝劑分子結構的活性基團橋連作用下使顆粒形成大面積的絮團，從而加快沉降速度[6-8]。

試驗時，在燒杯中加入500 mL煤泥水，并加入一定劑量的絮凝劑溶液，利用攪拌器在100 r/min的攪拌強度下攪拌 20 s，然后迅速將煤泥水移入500 mL量筒中 ，沉降 1 min后測定煤泥沉降速度。沉降速度的計算公式為：

V= (h1-h2)/t，

(1)

式中：V為沉降速度，cm/min；h1為量筒中煤泥水的總高度，cm；h2為沉降一定時間后沉淀層的高度，cm；t為沉降時間，min。

聚丙烯酰胺是一種有機高分子聚合物，其作用機理主要有吸附、橋架及電性中和作用[9]，可以吸附水中的懸浮顆粒，使細顆粒形成比較大的絮團，加快沉降的速度。聚丙烯酰胺按其側鏈所帶的官能團的不同可以分為非離子、陰離子和陽離子等類型，因自身性質不同，在處理不同的煤泥水時效果亦不同。試驗選用了非離子型聚丙烯酰胺(分子量1 000萬)、陽離子型聚丙烯酰胺(分子量1 000萬)和陰離子型聚丙烯酰胺(分子量1 200萬)，三種藥劑配制成質量濃度為 0.1% 的溶液。向500 mL煤泥水中分別加入1、2、3、4、5 mL絮凝劑溶液，即各自對應添加2、4、6、8、10 g/m3絮凝劑，沉降 1 min后，記錄試驗數(shù)據(jù)。煤泥沉降速度與藥劑用量的關系如圖2所示。

由圖2可知：隨著加藥量的增加，加入三種聚丙烯酰胺時煤泥水的沉降速度都是先增大后減小，當添加藥量分別是2、4、6、8、10 g/m3時，添加陽離子型聚丙烯酰胺的沉降速度對應是：35.6、36.4、37.5、36.5、34.9 cm/min；添加陰離子聚丙烯酰胺的沉降速度對應是：34.8、35.5、36.1、35.3、34.4 cm/min；添加非離子聚丙烯酰胺的沉降速度對應是：34.2、34.5、35.5、34.4、33.8 cm/min。當絮凝劑的用量過多時會導致絮體重新變成穩(wěn)定的膠體，絮凝效果反而下降。經(jīng)對比，相同加藥量條件下，陽離子型聚丙烯酰胺的沉降效果比陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺效果好。雖然陽離子型聚丙烯酰胺比陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺沉淀速度稍快，但總體沉降速度依然緩慢，最高速度僅為37.5 cm/min，且沉降完成后上清液較渾濁，澄清效果差。

圖2 煤泥沉降速度與藥劑用量關系曲線

2.2 凝聚沉降試驗

煤泥水中微小的顆粒可視為膠體，膠體微粒之間具有范德華力與靜電力[10]。范德華力是引力，對顆粒的聚集有利，靜電力是斥力，對顆粒的聚集不利[11]。正常情況下，二力是平衡的，若減小顆粒間的斥力，就會打破平衡，發(fā)生凝聚。向懸浮液中加入電解質，電解質會電離出帶正電的離子，而煤泥顆粒一般帶負電荷，二者中和，就發(fā)生顆粒聚集， 煤泥水中微粒就會沉降，這就是凝聚原理[12-14]。

根據(jù)選煤廠選用凝聚劑情況和煤泥水的性質，選擇聚合氯化鋁和氯化鈣兩種凝聚劑進行凝聚沉降試驗。試驗中， 兩種藥劑都配制成質量濃度為 1% 的溶液。煤泥水凝聚沉降試驗結果見表2。

表2 煤泥凝聚沉降試驗結果

由表2 可知：單獨使用氯化鈣的沉降效果比單獨使用聚合氯化鋁要好，但兩種凝聚劑都不能使上清液澄清，因此應考慮凝聚劑和絮凝劑混合使用。

3 混凝沉降試驗

混凝沉降是將凝聚劑和絮凝劑按照一定的順序投加到懸浮液中，通過電性中和、壓縮雙電層作用、吸附架橋作用和沉析物網(wǎng)捕作用等將水體中的顆粒聚合形成更大的顆粒，最終達到沉降的目的?；炷两翟趯嶒炇一蚬こ躺辖?jīng)常被應用，從前述的試驗結果可知，單獨使用絮凝劑或凝聚劑對煤泥水沉降都有一定效果，但效果均不理想。為探索有效的煤泥水處理方法，需要進行混凝沉降試驗。

目前，國內有許多相關的試驗與報道，先加凝聚劑攪拌后再加絮凝劑的效果較好[15]。這是因為煤泥水中的顆粒荷負電荷，而凝聚劑加入后會電離出正離子，這樣就會在煤泥水系統(tǒng)中發(fā)生電中和反應，壓縮煤泥水中的顆粒表面雙電層。此時再加入絮凝劑進行絮凝，顆粒就能進行很好地沉降。

確定了加藥順序后，采用聚合氯化鋁、氯化鈣分別與陽離子型、非離子型、陰離子型聚丙烯酰胺做交叉混凝沉降試驗，通過多次正交試驗結果對比分析發(fā)現(xiàn)：在用三種絮凝劑單獨做絮凝沉淀試驗時，陽離子型聚丙烯酰胺沉降效果最好；而與凝聚劑配合做混凝沉降試驗時，卻發(fā)現(xiàn)陰離子型聚丙烯酰胺沉降效果最好，而且氯化鈣做凝聚劑效果優(yōu)于氯化鋁。因此在混凝試驗時，凝聚劑選用氯化鈣，絮凝劑選用陰離子型聚丙烯酰胺。采用不同劑量的陰離子型聚丙烯酰胺與氯化鈣做混凝沉降試驗發(fā)現(xiàn)，當陰離子型聚丙烯酰胺用量為6 g/m3時，沉降效果最佳。

按照GB/T 18712—2002《選煤用絮凝劑性能試驗方法》的標準進行試驗[5]。采用氯化鈣作凝聚劑，充分攪拌后，再加入6 g/m3陰離子型聚丙烯酰胺進行混凝沉降試驗，混凝沉降試驗結果見表3。

表3 煤泥混凝沉降試驗結果

由表3可知：對比絮凝沉降試驗初始沉降最高速度為37.5 cm/min、凝聚沉降試驗初始沉降最高速度為8.5 cm/min，混凝沉降試驗的初始沉降速度有了很大提高，最高達到72.84 cm/min，而且混凝沉降試驗上清液比絮凝、凝聚沉降試驗上清液清晰，沉降速度快，混凝沉降效果明顯優(yōu)于絮凝沉降和凝聚沉降試驗。

根據(jù)試驗結果，在生產(chǎn)中按照按400 g/m3的凝聚劑(氯化鈣)添加量，攪拌均勻后加入浮選尾礦，按6 g/m3的絮凝劑(陰離子型聚丙烯酰胺)的添加量加入濃縮池。生產(chǎn)實踐表明：煤泥水可快速沉降，循環(huán)水由黑變清，循環(huán)水的固體濃度由28 g/L降到1 g/L；噸干煤泥浮選藥劑用量由2.5 kg降到1.3 kg;介耗由1.9 kg/t降到1.1 kg/t；精煤產(chǎn)率由56%上升到61%，取得良好效益。

4 結論

(1)礦井過陷落柱時的原煤煤泥水很難自然沉降，是因煤泥中細顆粒含量高，<0.045 mm粒級的顆粒占本級的百分比達到49.81%，這些細粒懸浮在水中，難以沉降。

(2)選用非離子型、陽離子型、陰離子型聚丙烯酰胺單獨做絮凝劑，都有一定的沉降效果，其中陽離子型聚丙烯酰胺的絮凝效果優(yōu)于其他兩種，但總體速度較慢，最高才達到37.5 cm/min，沉降效果不明顯，上清液中懸浮細顆粒較多。

(3)聚合氯化鋁或氯化鈣單獨做凝聚劑，都有沉降效果，其中氯化鈣凝聚效果優(yōu)于聚合氯化鋁，但沉降速度慢。當氯化鈣用藥量高達400 g/m3時，速度才達到8.50 cm/min，且上清液也有渾濁現(xiàn)象，總體沉降效果不理想。

(4)混凝沉降試驗的最佳試驗條件是先加400 g/m3的凝聚劑(氯化鈣)，攪拌30 s后，再加6 g/m3的絮凝劑(陰離子型聚丙烯酰胺)，沉降速度最快，達到72.48 cm/min，而且能獲得清的上清液。