浅谈煤泥水沉降分析

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  [摘 要]简单分析了煤泥水的性质以及难以沉降的原因,通过试验总结了加药的最佳比例,阐述了影响加药量的因素,最后简单介绍了采用自动加药系统的优点。
  [关键词]煤泥水 药剂 沉降
  中图分类号:X752 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)09-0260-02
  当前的选煤工艺过程中不可避免要耗用大量的水,从而产生大量的煤泥水。为了减少水耗,实现洗水闭路循环,必须将煤泥水进行处理。如果处理不好,不仅浪费宝贵的水资源,而且回影响洗选效果,增加生产成本,并对环境造成严重污染。因此加强洗煤厂煤泥水管理,尤其是泥化条件下煤泥水系统的研究和管理,具有重要的意义。
  一.煤泥水性质
  煤泥水是由悬浮液、电解质和胶体组成的混合物,由于固体颗粒的粒度组成大小不一,又是一个多分散系统,其组成及特性比较复杂,了解煤泥水的特性,选择合适的絮凝剂,对于及时排除颗粒物,获取澄清的循环水,实现选煤厂洗水闭路循环具有重要的意义。
  煤泥水的主要特点是浓度高、粒度细、灰分高,颗粒表面多数带负电荷。同性相斥,使得这些微粒在水中保持分散状态,它们在水中不仅受重力的作用,还受布朗运动影响。此外,煤泥水不但具有悬浮液的特点,往往还具有胶体的某些性质。
  二.影响煤泥水沉降的因素
  选煤厂中的煤泥水是由煤泥和水组成的。煤泥水的性质既与煤泥的性质有关,又与水的性质有关。那么煤泥水的沉降性能既会受固相煤泥的影响,又会受液相水的影响。在固相煤泥的性质中,煤泥的粒度和灰分对其絮凝、沉降特性影响较大。一般地,粒度组成较粗的煤泥水体系处理起来比较容易,通常粒度越细,煤泥水越稳定,沉降越困难。通过凝聚和絮凝原理可知,凝聚剂对粒度较细的胶体粒子作用效果较好,而高分子絮凝剂对粗颗粒煤泥水作用效果较理想。煤泥颗粒的灰分不同,其表面的电性质就存在着一定的差异,煤泥的灰分不同,煤泥水沉降性能就不同。在液相水的性质中,煤泥水的矿化度、硬度和pH值对煤泥的絮凝和沉降特性影响较大。矿化度通常是表示溶解在水中的固体总量,又可称为含盐量。硬度通常表示水中能生成水垢的钙镁离子的总含量。由于钙、镁离子本身带正电荷,它能与荷负电的煤泥颗粒进行吸附,从而降低颗粒表面的电动电位,使颗粒间的斥力减小,发生凝聚作用,最终导致煤泥颗粒的沉降。因此,一般矿化度、硬度越大,对煤泥水的沉降越有利。一般煤泥和细泥粒的等电点(即电位等于0时的矿浆pH值)约为4~5。当水的pH值接近颗粒的等电点时,颗粒表面电位极低,颗粒易于聚团,所以当水的pH值低时,颗粒易于絮凝。
  一些研究报道表明,煤泥水难于沉降的根本原因是它是悬浮颗粒带有较强的负电荷的胶体体系,并且主要体现在胶体的电动电位上。因为:
  (1)带有较强的负电荷的胶粒之间产生较强的静电斥力,而且电动电位越高,胶粒间的静电斥力越大,胶体越稳定;
  (2)由于受水分子热运动的撞击,使微粒在水中作不规则运动,即“布朗运动”。布朗运动因胶粒间互相排斥而使胶体具有稳定性;
  (3)由于胶粒带电,将极性水分子吸引到它的周围形成一层“水化膜”。水化膜能阻止胶粒问的互相接触;
  可见,胶体的稳定性和电动电位之间存在着一种依存关系,只有降低或消除电动电位,胶体的稳定性才会被破坏。
  三.凝聚和絮凝机理
  1.凝聚機理
  由于煤泥水中细小的固体颗粒表面常有剩余电荷(相同的固体颗粒带有相同的电荷),在细小颗粒表面上存在一定的电位差,在自然pH值下,多数颗粒带负电。为了消除电位差,使整个颗粒处于电中性状态,颗粒表面附近通过静电作用吸附了一定数量的反号离子,形成双电层结构。当两个颗粒双电层产生重叠时,重叠之处的反号离子同时处于两个颗粒的作用范围之内,产生的斥力更大,重叠区的反号离子将重新分配,当重叠区的离子浓度高于其它部位,结果引起离子向非重叠区渗透。另外,双电层的重叠破坏了原有电平衡,使两个颗粒不能继续靠近,产生排斥现象。正是这种排斥现象的产生才使煤泥水中固体颗粒保持相对分散状态而难于自然沉降。这种分散是由固体颗粒表面的电荷引起的,所以往煤泥水中加入某种电解质,通过电解质在水中电离出的正电离子去中和固体表面电荷,压缩双电层,降低了颗粒的表面电动电位,减小了斥力,使凝聚发生。
  2.絮凝机理
  在煤泥水中加入具有较长线性分子结构的高分子化合物,这些高分子化合物在水中溶解并发生电离作用并通过静电键合、氢键合、共价键合等作用与煤泥水的固体颗粒发生吸附作用。由于这些线性化合物分子结构通常很长,在水中充分的伸展,而且链上有很多活性基团,因此通常可以同时粘结多个颗粒,从而引起颗粒的聚集,形成絮团。
  3.复配作用
  絮凝剂与凝聚剂对煤泥沉降所引起的机理完全不同。凝聚剂靠改变颗粒表面的电性质来实现凝聚作用。当它处理粒度大、荷电量大的颗粒时,用量大,成本高;处理荷电量小的微细颗粒时,作用较好,得到的澄清水和沉淀物的质量都很高。絮凝剂用于水处理时,不改变颗粒的表面电性,颗粒间的力仍然存在,产生的絮团蓬松,其间还有大量的水,澄清水中还含有细小的颗粒,但絮凝剂用量较低。凝聚剂和絮凝剂在煤泥水处理中各有优缺点,复合使用能进一步提高煤泥水澄清效果。
  凝聚剂和絮凝剂在配合使用时,一定要先加凝聚剂后加絮凝剂,这样可以提高药剂作用效果。生产实践表明,两种药剂配合使用,用药成本不仅不会大幅度增加,而且大多数洗煤厂的用药成本反而降低了。
  四.药剂的选择
  洗选中心现有八个厂,各厂煤泥性质不同,其中石圪台厂,布尔台厂,保德厂泥化比较严重,高灰细泥的含量较大,粘性高。现除石圪台洗煤厂絮凝剂选用国外的Magnafloc3230外,其他都选用国内生产的聚丙烯铣胺。
  汽巴公司于2006年8月8日至8月17日在神东公司石圪台洗煤厂做了有关絮凝剂使用实验,针对于汽巴公司的絮凝剂产品Magnafloc3230和国产絮凝剂分别进行了实验室对比实验和实际生产实验。   汽巴公司的絮凝剂Magnafloc3230国产絮凝剂的澄清度对比(表1):
  澄清度的数值直接决定煤泥水的处理效果,溢流液的澄清度高说明煤泥水中的细小颗粒沉降的越多,所得煤泥量就越多,浓缩池的底流密度就大,有利于提高后面加压过滤机的工作效率,降低煤泥中的含水率,从实验室结果可以看出,汽巴公司的絮凝剂Magnafloc3230的加药量为1.5ml的时候,澄清度为33,这个澄清度远远高于加入4.5ml国产絮凝剂澄清度为16的效果。由于配制的浓度同为0.04g/l,因此可以得出,在实验室条件下,汽巴公司的絮凝剂Magnafloc 3230的加药量为国产药剂的1/3,并能得到更好的澄清效果。
  石圪台洗煤厂煤泥水的固含变化剧烈,在所得到的生产数据中,其固含变化在4.3g/l至66.8g/l范围内,并且波动性很强,固含相对稳定的范围值在10g/l至30g/l,固含越高,相应的絮凝剂的用量也要增加。(现在石圪台洗煤厂的块煤全部入洗,末煤不入洗。若末煤全部入洗,其固含变化将更为剧烈,固含的最大值也将大幅提高)。煤泥水中悬浮颗粒细小,颗粒表面的物理属性和电荷性复杂。由于石圪台煤矿矸石泥化现象严重,煤泥水中含有大量的矸石的细小颗粒,并且细煤颗粒与矸石颗粒表面的物理性质不同,所带电荷数量不均,导致煤泥水处理难度加大。
  由于煤泥水中的矸石颗粒细小且量大,并且颗粒所带电荷与细煤颗粒所带电荷数不同,且分布不均。因此需要所选用的絮凝剂的分子量和离子度的要求很高,针对性要强。汽巴公司絮凝剂的种类众多,在这两种属性差别很小的条件下,就可以有不同的絮凝剂产品,所以絮凝剂的针对性很强,Magnafloc3230就是针对石圪台洗煤厂的煤泥水的特点所筛选出来的。
  汽巴絮凝剂虽然在用量上较聚丙烯铣胺少,絮凝效果也比之明显,但是由于价格昂贵,反而增加了生产成本,因此只适合像石圪台洗煤厂这种泥化比较严重的情况下使用。
  五.加药比例
  (一)药物介绍:洗选中心各厂现场普遍使用的药剂为:阴离子聚丙烯酰胺,阳离子聚合氯化铝。
  1.聚丙烯酰胺
  聚丙烯酰胺是丙烯酰胺单体在引发剂作用下均聚或共聚所得聚合物的统称,聚丙烯酰胺简称PAM,亦称三号凝聚剂,是线状水溶性高分子聚合物,分子量在1000-1400万之间,外观为白色粉末状或无色粘稠胶体状,无臭、中性、溶于水,温度超过120℃时易分解。
  聚丙烯酰胺分子中具有阳性基因(-CONH),能与分散在溶液中的悬浮粒子吸附和架桥,有着极强的絮凝作用,是水溶性高分子材料中应用最广泛的品种之一。聚丙烯酰胺(PAM)易溶于水,几乎不溶于有机溶剂,在中性和碱性介质中呈高聚合物电解质的特征,对盐类电解质敏感,与高价金属离子能交联成不溶性的凝胶体,由于其分子链中具有极性基团,故而能通过吸附污水中悬浮的固体粒子,使粒子间架桥或通过电荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物。所以它可以加速悬浮液中粒子的沉
  降,有非常明显的加快溶液澄清、促进过滤的效果。
  聚丙烯酰胺有阳离子型(CPAM)、阴离子型(APAM)、非离子型(NPAM)等品种。阴离子型结构式为(CHCH)CONH;非离子结式为:
  [—CH—CH—CH—CH—]CONHCONH;阳离子型结构式:
  [—CH—CH—CH—CH]CONHCONHCHN(CH)。
  2.聚合氯化铝
  聚合氯化铝(PolyaluminiumChloride)简称PAC。通常也称作碱式氯化铝或混凝剂等,它是介于ALCL3和AL(OH)3之间的一种水溶性无机
  高分子聚合物,化学通式为[Al(OH)nCl6-n]m其中m代表聚合程度,n表示PAC产品的中性程度。颜色呈黄色或淡黄色、深褐色、深灰色树脂状固体。该产品有较强的架桥吸咐性能,在水解过程中,伴随发生凝聚,吸附和沉淀等物理化学过程。聚合氯化铝与传统无机混凝剂的根本区别在于传统无机混凝剂为低分子结晶盐,而聚合氯化铝的结构由形态多变的多元羧基络合物组成,絮凝沉淀速度快,适用PH值范围宽,对管道设备无腐蚀性,净水效果明显。
  (二)加药比例
  由于各厂煤泥水性质不同,最佳的加药比例也不同。笔者根据《选煤厂煤泥水沉降实验方法》(MT190-88),对补连塔洗煤厂进行了煤泥水沉降试验,试验结果表明,阴离子与阳离子比例为1:2.5时,煤泥沉降速度及上层液面澄清度最好。其他洗煤厂可据此方法制定本厂最佳的加药比例。
  六.影响加药量因素
  影响加药量的因素主要有搅拌,矿物的分散度,水质。
  当煤泥水的添加絮凝剂后,适当的搅拌是药剂与煤粒充分接触的必要条件,这样可节约药剂约40%.但这里指的搅拌主要是指药剂与煤粒的混凝,不是机械的搅拌,只要水流中加入一些湍流的设施,以利于药剂与煤粒在流动過程中的充分混合即可,相反过分的机械搅拌会降低沉降速度。
  粒度对絮凝效果有一定影响,如颗粒大则不需添加絮凝剂,而粒度级细时,膨胀的概论大,但它的粒度分布是比较杂乱的,当加入一定量的絮凝剂时则会改变整个分散系的粒度分布,所有适当的用量将有利于絮凝的进行。
  七.加药方式
  洗选中心现有两种加药方式,即手动加药和自动加药。目前,在各洗煤厂产量逐步最大化的前提下,自动加药系统越来越凸显出它自身的优势。
  (一)自动加药系统实施的必要性
  洗选中心现有的洗水闭路循环系统都是浓缩一压滤模式,这一模式中浓缩这一环节的加药十分关键。加药的前提就是药液的制备。目前浓缩用药为干粉状高分子聚丙烯酰胺,由于聚丙烯酰胺呈粘性,极难溶解,人工配制费时费力且配制浓度和加药效果很难保证。而人工加药的粗放、不确定性及不可控性会给生产带来很多不利影响,例如:加药量过大致使药剂大量浪费,使加药费用过高增加产品成本,加药量过大还会使回水中残留过多的有效药剂成分,这些药剂都具有强腐蚀性,严重腐蚀洗选设备,使洗选设备老化过快;还有,加药的不及时会导致溢流水“浑水”现象,使洗选环节洗产品脱泥、脱介效果不好,影响洗产品质量;更为甚者,由于加药的不合理而产生压耙现象,从而影响选煤正常生产,同时在处理压耙事故时,煤泥水不得不向外直接排放,这就客观上对周边环境造成了严重的污染。因此,实现煤泥水处理药剂的自动配制和自动添加就成为当前各选煤厂努力的目标和发展的客观要求。
  (二)自动加药系统包括三个部分:
  1.药剂自动制备系统
  药剂自动制备系统是一种新型,高效,实用的药剂制备设备。整个过程完全实现自动完成,配药设计合理,可保证药剂有效,均匀的配置,以发挥药剂的最大作用。
  2.药剂投加系统
  由两台流速可调的螺旋转子式计量泵(给料泵),将药液输送至浓缩机。
  3.监测控制系统
  监测控制系统是独立于制备,投加系统的一个部分。安装在浓缩机上,可以实现对煤泥沉降速度和澄清水的透光度的测试,从而反馈信号,分别控制絮凝剂及凝聚剂的投加量,保证煤泥水处理系统既可以得到合适的沉降速度,又可以得到合格的澄清水。
  (三)自动加药系统的优势:
  1.节省药剂用量,降低生产成本
  自动加药系统通过实时监测信号控制给料泵,随时根据浓缩机的沉降及溢流情况调整加药量。从而杜绝人工加药的随意性和不准确性,降低成本。
  2.保证生产连续稳定,减少生产事故
  自动加药系统始终保持合适的加药量,一方面,不会出现加药量大而造成过度沉降;另一方面,也可避免加药量过小而产生的溢流水浓度过高,处理量过低等不利影响。
  3.降低工人劳动强度,便于生产管理
  自动加药系统只需要人工将药剂一次性加入,其他工作由系统自动完成,大大节省了人力。
  八.结语
  随着洗水闭路循环及环境保护要求的日益提高,煤泥水处理在洗煤厂中变得越来越重要,由于大量极细颗粒的存在,使得煤泥水处理起来十分困难。尽管随着工艺流程及设备的不断改进,这一现象已有所改观,但是根据煤泥水的性质,合理选择并使用药剂对煤泥水处理仍十分重要。特别是在难净化煤泥水的处理中仍具更重要意义。用户对煤炭产品质量的要求越来越严格,尤其是目前煤炭市场竞争日趋激烈。要想立足脚跟,占稳煤炭市场就必须拓展思路,就必须打破旧的生产经营模式,大胆创新,优化产品结构,使产品满足市场的要求。
  参考文献
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