含煤系高岭土煤泥的沉降实验研究

 王会平1，张鸿波1，王云婷2，阮兴福1

（1．黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江哈尔滨150027；2．中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083）

摘要：根据煤系高岭土煤泥的矿物组成和性质分析，对影响沉降的因素进行试验。结果表明：煤泥中含有大量黏土类矿物，粒度较细，<0. 045mm含量可达41. 50%，灰分为50. 35%，对影响沉降因素的分析可知，凝聚剂与絮凝剂配合使用，有机药剂采用APAM，无机药剂为CaCl2，用量为每吨于煤泥加入CaCl2 40kg/t、APAM200g/t，其沉降效果较好；试验中样品在pH值由酸性调整为弱碱性至碱性条件下，沉降速度加快，加入凝聚剂后，煤泥水中的阳离子浓度增加使电动电位降低，煤泥水硬度增加，煤系高岭土煤泥的沉降效果得到明显改善。

关键词：煤系高岭土；沉降；絮凝；凝聚

中图分类号：TD94文章编号：1004-4051(2016)06-0114-04

 对于采用湿法分选的选煤厂来说，经重选作业后会产生大量的煤泥水，煤泥水系统是实现洗水闭路循环的关键环节。煤泥水系统运行状况的好坏直接影响到分选设备的分选效果、重介质消耗等指标。当煤泥水系统严重恶化时，会导致整个选煤系统无法正常运行甚至停产。许多学者都对煤泥水进行研究，分析影响煤泥水沉降的因素。盖春燕对高泥化煤泥水特性与处理工艺进行研究，认为药剂种类和用量等因素对煤泥水沉降影响较大；张明青等分析了煤泥水中Ca2+浓度、水质硬度和黏土类型对煤泥水絮凝沉降的影响；SABAH．E等对选煤厂尾矿的絮凝效果进行评价。对含有煤系高岭土煤泥水的沉降分析，相关文献资料较少。高岭土质软、极易分散于水中，形成粒度极细的颗粒，并且长期保持悬浮状态，导致煤系高岭土型煤泥水极难沉降、极难处理。本文从含煤系高岭土煤泥性质的分析人手，对影响煤系高岭土煤泥的沉降因素进行研究，以期对选煤厂中含煤系高岭土煤泥水的试验和处理方法提供参考。

1试验

1.1试验材料与试剂

 1)试样的获得与制备。试验用煤样来源为淮南某煤矿，经化验得原煤灰分为25. 71%，通过筛分取-0.5mm煤泥进行浮选，浮选后煤泥精矿灰分为9. 78%，尾矿灰分为32. 20%。对浮选尾矿经过滤、干燥后，配制20g/L浓度的煤泥水。

 2)试验药剂。使用的药剂，将不同的凝聚剂和絮凝剂配合使用，确定能够使煤系高岭土煤泥沉降效果较好的凝聚剂和絮凝剂种类和用量。试验中选用有机絮凝剂药剂为阴离子聚丙烯酰胺( APAM)，非离子聚丙烯酰胺(NPAM)，阳离子聚丙烯酰胺(CPA Ml( WM800,+30%))，阳离子聚丙烯酰胺( CPAM2( MW800,+5%)，聚氧化乙烯(PEO)，聚丙烯酸钠，壳聚糖；所配药剂浓度均为0. 1%。无机凝聚剂为氯化钙、聚合氯化铝、氢氧化钙、明矾；所配药剂的浓度为0.1g／m L，药剂为分析纯。

1.2试验方法

 1)煤泥矿物组成与性质分析。取少量干燥后的浮选尾矿磨至-0. 074mm以下，采用X射线衍射(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)对煤泥进行分析检测，确定其矿物组成和化学成分。

 2)粒度组成与灰分。试验对浮选尾矿采用湿法筛分，筛分过程按照《煤炭筛分试验方法( GB/T477-2008)》执行，采用标准套筛，并测定各粒级的灰分。

 3)影响沉降因素分析。对煤泥水进行自然沉降和絮凝沉降试验。观察在自然沉降条件下煤泥水的沉降情况，同时对试样进行絮凝沉降试验。对不同pH值条件下的煤泥水进行试验，分析煤泥水的沉降效果。试验采用JS94G+微电泳仪测煤泥水的电动电位，测得样品在未加任何药剂煤泥的电动电位与添加药剂后煤泥的电动电位的对比。

 4)煤泥水上清液浊度分析。煤泥水上清液浊度分析采用实验室用浊度仪进行测定。

2  结果与讨论

2.1  煤泥物相与成分分析

 对煤泥样品进行矿物组成分析与化学元素分析，其结果见图1、表1。

 由图1可知煤泥中主要的矿物是高岭石、蒙脱石、伊利石、伊蒙混层，还有少量的白云石和黄铁矿。高岭石和蒙脱石是煤泥水中存在的主要黏土矿物，遇水极易分散成微细颗粒，该颗粒比表面积大、亲水性强、表面电负性强，因而颗粒间的静电斥力大，并在煤泥水中形成稳定的分散悬浮体系，使煤泥水处理变得复杂，难于脱水、沉降。

2.2煤泥粒度组成分析

 对样品进行粒度组成分析，结果见表2。

 由表2可知，<0. 045mm的细粒煤泥占41. 50%，灰分为50. 35%，并且随着粒度的减小，灰分逐渐变大。而浮选尾矿的灰分为32. 20%，灰分较低，说明煤泥中的高灰细泥以极细颗粒悬浮于煤泥水中，形成细泥覆盖，造成低灰分的煤粒没有被浮选，导致一部分精煤仍存在于煤泥水中。而细粒煤泥含量高对煤泥水影响较大，能使煤泥水的许多性质发生急剧变化，不利于煤泥水澄清处理作业。

2.3药剂对煤泥沉降的影响

2.3.1  凝聚剂种类对煤泥沉降的影响

 试验中在不添加任何药剂自然沉降条件下，所配置的煤泥水在静止放置48h后，用肉眼观察，量筒上部分有少量固体物质下沉，但煤泥水表面仍然有微细颗粒悬浮在溶液中，自然沉降效果较差。选用不同的无机凝聚剂（氯化钙、聚合氯化铝、氯化铁、氢氧化钙、明矾）和所配制的阴离子聚丙烯酰胺APAM配合，药剂用量为无机药剂40kg/t，有机药剂125 g/t。综合考虑凝聚剂种类对该种煤泥水沉降的影响。结果见图2。  

由图2可以看出，与聚丙烯酰胺联合用药时，静止后30s内，CaCl2较其他无机凝聚剂沉降速度快，上清液较澄清，说明与聚丙烯酰胺联合用药时，CaCl2的效果较好。

2.3.2CaCI2与絮凝剂的联合用药效果试验

 试验中选用不同的絮凝剂(阴离子聚丙烯酰胺(APAM)，聚氧化乙烯(PEO)，非离子聚丙烯酰胺(NPAM)，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM1，MW800)，阳离子聚丙烯酰胺( CPAM2，WM800)，壳聚糖，聚丙烯酸钠）与CaCl2配合使用，药剂用量为CaCl2 40kg/t，有机絮凝剂用量为125g/t。观察絮凝剂种类对煤系高岭土煤泥沉降效果的影响。结果见图3。

 由图3可知，在相同的20g／L的煤泥水浓度和在各药剂适宜用量的情况下，各药剂的絮凝效果不同，与其他絮凝剂相比，APAM具有最佳絮凝沉降效果，沉降速度较快和上层澄清液浊度最小；分子量MW为800，水解度为30%的阳离子聚丙烯酰胺CPAM1具有最快的沉降速度；沉降时间延长后APAM、聚氧化乙烯和壳聚糖具有较好的压实程度。因此，与氯化钙配合使用沉降效果较好的为APAM。

2.3.3药剂用量试验  ．

 通过上述两组试验确定沉降效果较好的药剂为氯化钙和有机絮凝剂APAM配合使用，应对在不同药剂用量情况下煤泥沉降的效果进行试验。结果见表3。

 由表3可知，两种药剂配合使用时，药剂用量不同，絮凝效果也不同。其中，两种药剂配合使用药剂用量不同时，澄清层高度在30s内有一定差别，但相差不大，而上清液的澄清度相差较大，特别是CaCl2用量为40kg/t时，上清液澄清度较高，而APAM用量为200g/t时，上清液澄清度最好。实际生产中，由网络所查数据，无水CaCl2价格为1200元／t，APAM价格为8000～13000元／t，根据该试验中药剂用量得处理每吨干煤泥所花费CaCl24.8元，APAM1.2～1.95元。因此，综合考虑絮凝效果和实际生产中药剂消耗产生的费用，认为CaCl2用量为40kg/t、APAM用量为200g/t时絮凝沉降效果较好。

2.4 pH值对煤泥水絮凝沉降的影响

 试验用pH试纸测得煤泥水和试验用水的pH值均为5.6，呈酸性。不加Na OH溶液的煤泥水，自然沉降速度相对较慢，浊度较高，压实程度较差。试验中加入凝聚剂和絮凝剂后，再加入2mL的Na OH溶液的煤泥水，煤泥水的沉降速度明显增快，浊度显著降低，压实程度提高。而在加入4mL的Na OH溶液的煤泥水中，pH值为8.5，当加入Na OH溶液摇晃后，不加CaCl2和APAM，煤泥水能够迅速的自然沉降。由此可知，对于该种煤泥水及使用CaCl2和APAM混凝时，随着煤泥水pH值增大，对沉降越有利。而对实际的现场生产来说，pH值为8.5的煤泥水碱性强，对设备的腐蚀也会有较大影响，同时pH值直接影响颗粒表面电性、电荷密度及药剂的使用情况等，因此应该根据现场实际生产用水进行适当调节，即满足实际生产需求，又能够调节煤泥水的沉降效果。

2.5水质硬度对煤系高岭土煤泥沉降效果的影响

 通过试验结果分析可知，试验中添加氯化钙40kg/t后，煤泥的沉降效果较好，用JS94G+微电泳仪测煤泥水的电动电位，电动电位值由原本未加药剂时的- 20. 35mV降低到-8.9mV。这是由于煤泥水中添加适量的阳离子，如钙离子，镁离子，铝离子后，可中和煤泥中高灰细泥表面的负电荷，降低电动电位，使煤泥颗粒间斥力减小，再添加适量絮凝剂后，煤泥沉降效果会明显改善。

3结  论

 1)对含煤系高岭土煤泥进行XRD分析、XRF分析和筛分分析可知，煤泥中含有大量的黏土类矿物，粒度较细，<0. 045mm含量可达41. 50%，灰分为50. 35%，这些矿物在水中极易泥化，分散悬浮于煤泥水中，对煤泥水处理系统产生较大影响。

 2)由煤泥水的絮凝试验可知，有机药剂絮凝效果较好的为APAM;无机药剂絮凝效果较好的为CaCl2。用量试验可知，CaCl2和APAM用量分别为40kg/t、APAM用量为200g/t时，煤泥的沉降效果较好。

 3)试验中将该含煤系高岭土煤泥在pH值由酸性调整为弱碱性至碱性条件下，沉降效果有明显改善，同时加入凝聚剂后，煤泥水中的阳离子浓度增加，电动电位降低，煤泥水的硬度增加，进一步促进了含煤系高岭土煤泥的沉降。