电场强化难沉降煤泥水处理的研究

李文成,李明明,2

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院,黑龙江 哈尔滨 150022;2.山西工学院 能源产业学院,山西 朔州 036000)

随着细粒级煤泥的产量和灰分越来越高,导致煤泥水自然沉降不仅速度慢,而且效果差。煤泥水的处理成为了选煤厂难度最大和投入最多的环节之一[1-3],因此强化煤泥水沉降成了近年来的热点话题。

电场强化煤泥水沉降是一种处理煤泥水的新技术,一些学者在此方面取得了一定的研究成果。陈洪砚等[4]用小型通电试验装置应用于煤泥水沉降,发现电絮凝可以强化难以自然沉降的微粒级矿物。陈帅[5]运用通电装置强化煤泥水沉降,上清液透过率和初始沉降速度都会得到改善。Yoshida等[6]将膨润土悬浮液使用电泳技术处理,使其变得澄清。在此基础上,Lockhart等[7]对粘土矿物的悬浮液和尾矿同样使用电泳技术处理,得到了相同的效果。除上述文献外,还有报道指出[8-11]通过外加电场的方式可以明显提高煤泥水的沉降效果。综上所述,学者们对于电场强化煤泥水沉降都给予了肯定,然而围绕着电场参数展开深度探讨的报道较少。因此本文以宁东低阶煤为试样,首先采用单因素法对外加电场的参数进行试验,分析参数对煤泥水沉降的影响;而后利用响应面法对条件优化,得到试验的最佳条件。研究成果以期能够为难沉降煤泥水的处理提供参考依据。

1 试验部分

1.1 煤样性质

本文选取宁东某选煤厂的煤泥为研究对象。煤样灰分46.15%,表明样品中矸石含量大。样品中含有10.37%的SiO2和8.56%的Al2O3是其主要化学组分,相应的其他脉石矿物成分为高岭石、蒙脱石、石英,化学多元素分析和物相分析见表1和图1.

图1 煤泥的X-射线衍射图

表1 化学多元素分析

将煤样配制成5种不同质量浓度(10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L)的煤泥水,充分混合后沉降8 h,在6 h左右各浓度煤泥水均沉淀完全,在试验过程中仍然可见上层清液较为浑浊,煤泥水沉降效果综合指标均小于0.5,结合煤样灰分较高,含有较多粘土矿物可知,该煤泥水为难沉降煤泥水。

1.2 仪 器

试验所用的仪器有外加电场的煤泥水沉降装置、X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、马弗炉等。

外加电场的煤泥水沉降装置如图2所示,该装置的主体为一个标有刻度为1 000 mL的有机玻璃筒,配有电源、电极夹和不锈钢电极且电极面积20.25 cm2.

图2 外加电场的煤泥水沉降装置

1.3 试验方法及评价指标

将温度15 ℃和质量浓度40 g/L的煤泥水放入外加电场的煤泥水沉降装置中,调整好参数并接通电源,记录沉降速度、絮团高度和上清液浊度。采用综合指标做煤泥水沉降效果的评价指标,如公式 (1) 和公式 (2)所示[12]。

(1)

(2)

式中:H0为量筒中1 000 mL煤泥水的高度,取25.5 cm;H1为煤泥水沉降后的絮团高度,cm.

2 结果与讨论

2.1 电解质种类对煤泥水沉降效果的影响

因煤泥水中含有电解质的量较少导致其整体的电导率过低,这样不仅会增加电极的消耗,而且还会降低絮凝效果。因此需要补加电解质来强化煤泥水沉降的效果。常见的电解质化合价为+1、+2、+3价的盐酸盐类化合物,因此本试验采用的3种电解质为NaCl、CaCl2、AlCl3.

固定电流1.2 A,通电20 min,pH值7.8,考察电解质种类对煤泥水沉降效的影响,结果如图3所示。

图3 电解质影响煤泥水沉降的规律曲线

由图3可知,随着3种电解质投加量的增加,煤泥水沉降效果的综合指标均呈现先增加后降低的趋势;电解质NaCl的最佳投放量为0.8 g,综合指标为1.12;电解质CaCl2的最佳投放量为0.6 g,综合指标为1.23;电解质AlCl3的最佳投放量为0.4 g,综合指标为1.15.曲线呈现这种趋势的原因是煤颗粒表面荷负电,加入少量电解质时,其由于胶体颗粒的负电性呈现分散状态,形成稳定的胶体体系;随着电解质的加入颗粒表面电位降低,碰撞概率增高,导致其脱稳、凝聚;随着阳离子含量不断升高,使矿浆中的颗粒重新回到分散状态。

综上所述,3种电解质的最佳效果为:CaCl2> AlCl3>NaCl,电解质CaCl2的沉降效果最佳,最佳的投加量为0.6 g;CaCl2的沉淀效果最佳可能是由于Na+的吸附机理为静电吸附,Al3+在静电吸附的基础上还可能有羟基络合吸附,而Ca2+在吸附机理上要复杂得多,除静电吸附外,还会有一羟基络合吸附和沉淀吸附,与水分子结合生成特殊结构的多面体络合物会降低颗粒表面的自由能,使其更易于凝聚。

2.2 电流强度对煤泥水沉降效果的影响

固定CaCl20.6 g,通电20 min,pH值7.8,考察电流强度(1.0 A、1.2 A、1.4 A、1.6 A、1.8 A)对煤泥水沉降的影响。试验结果如图4所示。

图4 电流强度影响煤泥水沉降的规律曲线

由图4可知,煤泥水沉降效果的综合指标随着电流的增大先急剧增加后缓慢降低;当电流为1.2 A时,效果最佳,综合指标可达1.05.这是因为随着电流的增大溶液中的Fe3+增多导致煤颗粒凝聚,但是过大的电流会导致电极板迅速钝化从而降低电极板的溶解速率,致使电中和作用缓慢导致电絮凝效果下降。在电流为1.2 A时为临界点,即1.2 A为饱和电解电流[13]。

2.3 通电时间对煤泥水沉降效果的影响

固定CaCl20.6 g,电流1.2 A,pH值7.8.考察通电时间(5 min、10 min、15 min、20 min、25 min)对煤泥水沉降效果的综合指标的影响,试验结果如图5所示。

图5 通电时间影响煤泥水沉降的规律曲线

由图5可知,煤泥水沉降效果的综合指标随着通电时间的增加呈现逐渐增大的趋势,具体的变化为10 min前增速缓慢,10～20 min急速增加,20 min后增速逐渐下降。这是因为通电时间越长,阳极的消耗越大,导致溶液中的Fe3+越多,颗粒与颗粒之间的电荷越少从而越易于沉降。综合考虑通电时间选择20 min,综合指标为0.77.

2.4 pH值对煤泥水沉降效果的影响

固定CaCl20.6 g,通电20 min,电流1.2 A.考察pH值(4、5、6、7.8、8、9、10)对煤泥水沉降的影响,试验结果如图6所示。

图6 pH值影响煤泥水沉降的规律曲线

由图6可知,煤泥水沉降效果的综合指标随着pH值的增大先升高后降低,在碱性条件下,综合指标发生快速升高;当pH=9时,煤泥水沉降效果的综合指标最大,最大值为1.00.可能是随着溶液中OH-的含量增高,Ca2+与阳极电解的Fe3+生成微溶沉淀将颗粒黏附导致沉降速度加快,致使综合指标上升;随着OH-含量越来越高,溶液中颗粒间的斥力占据主导作用导致颗粒稳定悬浮于上清液中,致使综合指标降低。

2.5 煤泥水沉降的响应面条件优化

在上述试验条件的基础上,固定CaCl20.6 g,考察电流大小、通电时间、煤泥水pH值对煤泥水沉降效果的综合指标的影响,使用Design-Expert 8.0.6.1软件[14-15]中BBD模块设计优化试验,试验设计如表2和表3所示,结果如图7和表4所示。

图7 各因素交互作用对综合指标的影响趋势图

表2 响应面分析因素与水平

表3 响应面分析方案与试验结果

表4 响应面试验方差分析

由表3和表4可知,P值<0.000 1,表明该模型是显著的;AB、AC、BC的F值分别为12.19、14.17、24.23,表明各因素之间都有着较强的交互作用;失拟项为0.282 0>0.05,表明模型无失拟。通过计算可得多项二次回归方程:Y=1.22+0.063A+0.082B+0.017C-0.041AB+0.033AC+0.043BC-0.15A2-0.078B2-0.051C2.

由图7可知,各因素的响应曲面的坡度都很大,等高线图中的轮廓均呈现椭圆形。响应曲面的坡度越大,证明两因素对综合指标的影响越显著;等高线图中的轮廓越椭圆,证明两因素的交互作用越强。因此,各因素对综合指标的影响均比较显著,而且3个因素中两两之间均存在显著的交互作用,交互作用的大小顺序为:BC>AC>AB.

2.6 煤泥水沉降的条件验证试验

软件优化后的结果如表5所示,考虑到实验条件的设计,对优化后的条件进行了细微调整并进行了验证试验。优化前试验得到的综合指标为1.32,优化后试验得到的综合指标为1.33,两者结合几乎没有差别,说明响应面法优化法对本次试验可行。

表5 验证性试验条件与结果

3 结 语

1) 在单因素试验的基础上,通过响应面法优化电流强度、pH值和通电时间3个变量因素与响应值煤泥水沉降效果的综合指标进行回归拟合,得到P值<0.000 1,证明该模型较为显著。

2) 3个变量对响应值影响的主效应关系由小到大是:通电时间>电流大小>pH值;两两交互作用大小为:通电时间和pH>电流强度和pH>电流强度和通电时间。

3) 在响应面优化工艺条件下,煤泥水沉降效果的综合指标为1.32,接近理论值1.33,证明该方法切实可行。