李阳选煤厂煤泥水沉降试验研究

田军章

(中赟国际工程有限公司，河南 郑州 450007)

李阳选煤厂隶属于潞安集团李阳煤业有限公司，位于山西省和顺县，是设计能力为1.20 Mt/a的矿井型选煤厂。矿井位于沁水煤田的东北部，沁水煤田是陷落柱较多的煤田[1]。钱文溥提出的“膏溶说”认为：奥陶系中统峰峰组石灰岩中，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，上覆岩层塌陷就形成陷落柱。山西省沁水盆地石油普查钻探也证实了这种观点[2-3]。小型陷落柱与煤层一同开采，对原煤煤质和煤炭分选有较大影响[4]。当李阳煤矿矿井遇到陷落柱时，入选原煤中细粒含量增加，煤泥水组成发生变化，选煤厂的生产系统出现分选密度不稳、介耗高、循环水浓度增加、浮选效果差、精煤产率低等一系列问题，严重影响了生产的正常进行。为保证正常生产，李阳选煤厂对煤泥水的组成进行了分析，并进行了煤泥水沉降试验，采用不同的药剂添加配比，通过对比沉降效果，得到了有效的煤泥水处理方案。

1 煤泥性质

1.1 煤泥粒度组成

当李阳选煤厂入选矿井开采陷落柱原煤时，在选煤厂浓缩机入料处，按照GB/T 18712—2002《选煤用絮凝剂性能试验方法》的规定采取煤泥水样品[5]，按照GB/T 477—2008《煤炭筛分试验方法》的规定对该样品进行小筛分试验，结果见表1。

表1 李阳选煤厂煤泥小筛分试验结果

由表1可知：该煤泥灰分中等，灰分随粒度变化不大。但煤泥中<0.045 mm粒级产率达49.81%，细粒级含量高，这是煤泥难于沉降的主要原因。

1.2 煤泥水自然沉降

自然沉降是指无外加药剂、无絮凝倾向或弱凝结倾向的固体颗粒在悬浮液中自然地离散沉降,特点是颗粒之间不发生黏附，其形状、粒度等都保持不变。自然沉降试验是在250 mL的细颈量筒中进行的，试验操作步骤为：① 用搅拌器将煤泥水搅拌均匀；②在搅拌过程中，用烧杯取样并倒入细颈量筒至满刻度；③将装满煤泥水的细颈量筒加盖后，双向翻转5次后静置；④每隔5 min记录一次沉淀层下降体积。根据煤泥水中沉淀层体积变化数据和对应时间，绘出煤泥水自然沉降曲线。李阳选煤厂煤泥水自然沉降曲线如图1所示。

图1 李阳选煤厂煤泥水自然沉降曲线

由图1可知：煤泥水在35 min后基本完成了自然沉降，沉降完成后，上清液较浑浊。这与生产过程中发现的浓缩池沉降效果差，循环水浓度高的情况下是一致的，说明煤矿过陷落柱时的原煤煤泥水不易自然沉降。

2 煤泥水沉降试验

2.1 絮凝沉降试验

煤泥水中部分细粒颗粒的沉降速度极慢，表面带有很高的负电性，阻止颗粒间相互接近，使细颗粒不能凝聚成较大的颗粒，导致煤泥水长时间不沉降。为加速颗粒沉降，可以通过投加絮凝剂来破坏煤泥水体系的稳定状态。絮凝是一个复杂的物理化学过程，首先是胶体颗粒脱稳并形成细小的凝聚体，然后在絮凝剂分子结构的活性基团桥连作用下使颗粒形成大面积的絮团，从而加快沉降速度[6-8]。

试验时，在烧杯中加入500 mL煤泥水，并加入一定剂量的絮凝剂溶液，利用搅拌器在100 r/min的搅拌强度下搅拌 20 s，然后迅速将煤泥水移入500 mL量筒中 ，沉降 1 min后测定煤泥沉降速度。沉降速度的计算公式为：

V= (h1-h2)/t，

(1)

式中：V为沉降速度，cm/min；h1为量筒中煤泥水的总高度，cm；h2为沉降一定时间后沉淀层的高度，cm；t为沉降时间，min。

聚丙烯酰胺是一种有机高分子聚合物，其作用机理主要有吸附、桥架及电性中和作用[9]，可以吸附水中的悬浮颗粒，使细颗粒形成比较大的絮团，加快沉降的速度。聚丙烯酰胺按其侧链所带的官能团的不同可以分为非离子、阴离子和阳离子等类型，因自身性质不同，在处理不同的煤泥水时效果亦不同。试验选用了非离子型聚丙烯酰胺(分子量1 000万)、阳离子型聚丙烯酰胺(分子量1 000万)和阴离子型聚丙烯酰胺(分子量1 200万)，三种药剂配制成质量浓度为 0.1% 的溶液。向500 mL煤泥水中分别加入1、2、3、4、5 mL絮凝剂溶液，即各自对应添加2、4、6、8、10 g/m3絮凝剂，沉降 1 min后，记录试验数据。煤泥沉降速度与药剂用量的关系如图2所示。

由图2可知：随着加药量的增加，加入三种聚丙烯酰胺时煤泥水的沉降速度都是先增大后减小，当添加药量分别是2、4、6、8、10 g/m3时，添加阳离子型聚丙烯酰胺的沉降速度对应是：35.6、36.4、37.5、36.5、34.9 cm/min；添加阴离子聚丙烯酰胺的沉降速度对应是：34.8、35.5、36.1、35.3、34.4 cm/min；添加非离子聚丙烯酰胺的沉降速度对应是：34.2、34.5、35.5、34.4、33.8 cm/min。当絮凝剂的用量过多时会导致絮体重新变成稳定的胶体，絮凝效果反而下降。经对比，相同加药量条件下，阳离子型聚丙烯酰胺的沉降效果比阴离子型、非离子型聚丙烯酰胺效果好。虽然阳离子型聚丙烯酰胺比阴离子型、非离子型聚丙烯酰胺沉淀速度稍快，但总体沉降速度依然缓慢，最高速度仅为37.5 cm/min，且沉降完成后上清液较浑浊，澄清效果差。

图2 煤泥沉降速度与药剂用量关系曲线

2.2 凝聚沉降试验

煤泥水中微小的颗粒可视为胶体，胶体微粒之间具有范德华力与静电力[10]。范德华力是引力，对颗粒的聚集有利，静电力是斥力，对颗粒的聚集不利[11]。正常情况下，二力是平衡的，若减小颗粒间的斥力，就会打破平衡，发生凝聚。向悬浮液中加入电解质，电解质会电离出带正电的离子，而煤泥颗粒一般带负电荷，二者中和，就发生颗粒聚集， 煤泥水中微粒就会沉降，这就是凝聚原理[12-14]。

根据选煤厂选用凝聚剂情况和煤泥水的性质，选择聚合氯化铝和氯化钙两种凝聚剂进行凝聚沉降试验。试验中， 两种药剂都配制成质量浓度为 1% 的溶液。煤泥水凝聚沉降试验结果见表2。

表2 煤泥凝聚沉降试验结果

由表2 可知：单独使用氯化钙的沉降效果比单独使用聚合氯化铝要好，但两种凝聚剂都不能使上清液澄清，因此应考虑凝聚剂和絮凝剂混合使用。

3 混凝沉降试验

混凝沉降是将凝聚剂和絮凝剂按照一定的顺序投加到悬浮液中，通过电性中和、压缩双电层作用、吸附架桥作用和沉析物网捕作用等将水体中的颗粒聚合形成更大的颗粒，最终达到沉降的目的。混凝沉降在实验室或工程上经常被应用，从前述的试验结果可知，单独使用絮凝剂或凝聚剂对煤泥水沉降都有一定效果，但效果均不理想。为探索有效的煤泥水处理方法，需要进行混凝沉降试验。

目前，国内有许多相关的试验与报道，先加凝聚剂搅拌后再加絮凝剂的效果较好[15]。这是因为煤泥水中的颗粒荷负电荷，而凝聚剂加入后会电离出正离子，这样就会在煤泥水系统中发生电中和反应，压缩煤泥水中的颗粒表面双电层。此时再加入絮凝剂进行絮凝，颗粒就能进行很好地沉降。

确定了加药顺序后，采用聚合氯化铝、氯化钙分别与阳离子型、非离子型、阴离子型聚丙烯酰胺做交叉混凝沉降试验，通过多次正交试验结果对比分析发现：在用三种絮凝剂单独做絮凝沉淀试验时，阳离子型聚丙烯酰胺沉降效果最好；而与凝聚剂配合做混凝沉降试验时，却发现阴离子型聚丙烯酰胺沉降效果最好，而且氯化钙做凝聚剂效果优于氯化铝。因此在混凝试验时，凝聚剂选用氯化钙，絮凝剂选用阴离子型聚丙烯酰胺。采用不同剂量的阴离子型聚丙烯酰胺与氯化钙做混凝沉降试验发现，当阴离子型聚丙烯酰胺用量为6 g/m3时，沉降效果最佳。

按照GB/T 18712—2002《选煤用絮凝剂性能试验方法》的标准进行试验[5]。采用氯化钙作凝聚剂，充分搅拌后，再加入6 g/m3阴离子型聚丙烯酰胺进行混凝沉降试验，混凝沉降试验结果见表3。

表3 煤泥混凝沉降试验结果

由表3可知：对比絮凝沉降试验初始沉降最高速度为37.5 cm/min、凝聚沉降试验初始沉降最高速度为8.5 cm/min，混凝沉降试验的初始沉降速度有了很大提高，最高达到72.84 cm/min，而且混凝沉降试验上清液比絮凝、凝聚沉降试验上清液清晰，沉降速度快，混凝沉降效果明显优于絮凝沉降和凝聚沉降试验。

根据试验结果，在生产中按照按400 g/m3的凝聚剂(氯化钙)添加量，搅拌均匀后加入浮选尾矿，按6 g/m3的絮凝剂(阴离子型聚丙烯酰胺)的添加量加入浓缩池。生产实践表明：煤泥水可快速沉降，循环水由黑变清，循环水的固体浓度由28 g/L降到1 g/L；吨干煤泥浮选药剂用量由2.5 kg降到1.3 kg;介耗由1.9 kg/t降到1.1 kg/t；精煤产率由56%上升到61%，取得良好效益。

4 结论

(1)矿井过陷落柱时的原煤煤泥水很难自然沉降，是因煤泥中细颗粒含量高，<0.045 mm粒级的颗粒占本级的百分比达到49.81%，这些细粒悬浮在水中，难以沉降。

(2)选用非离子型、阳离子型、阴离子型聚丙烯酰胺单独做絮凝剂，都有一定的沉降效果，其中阳离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果优于其他两种，但总体速度较慢，最高才达到37.5 cm/min，沉降效果不明显，上清液中悬浮细颗粒较多。

(3)聚合氯化铝或氯化钙单独做凝聚剂，都有沉降效果，其中氯化钙凝聚效果优于聚合氯化铝，但沉降速度慢。当氯化钙用药量高达400 g/m3时，速度才达到8.50 cm/min，且上清液也有浑浊现象，总体沉降效果不理想。

(4)混凝沉降试验的最佳试验条件是先加400 g/m3的凝聚剂(氯化钙)，搅拌30 s后，再加6 g/m3的絮凝剂(阴离子型聚丙烯酰胺)，沉降速度最快，达到72.48 cm/min，而且能获得清的上清液。