胡鵬飛 徐初陽 周歡歡 邱 寧

（安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

壓濾技術(shù)是選煤廠中細(xì)粒煤回收和實(shí)現(xiàn)煤泥水閉路循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，壓濾效果的好壞直接影響著選煤廠的各環(huán)保指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。隨著采煤機(jī)械化程度的提高、水力采煤技術(shù)的發(fā)展以及近年來我國原煤煤質(zhì)的下降，選煤廠中細(xì)粒煤和超細(xì)粒煤的含量越來越多，灰分也有明顯上升。選煤廠煤泥水中高灰細(xì)粒煤泥含量的增加使壓濾環(huán)節(jié)的處理變得十分困難，在壓濾入料中添加助濾劑可以解決壓濾困難的問題，這是一種不改變現(xiàn)有壓濾工藝流程的簡便而有效的方法。

本文探討了助濾劑的助濾機(jī)理，針對淮南礦業(yè)集團(tuán)某選煤廠壓濾入料中高灰細(xì)粒煤泥含量高及壓濾困難等問題，采用添加助濾劑的方法來改善壓濾入料的性質(zhì)以提高壓濾效果，最終實(shí)現(xiàn)了煤泥水閉路循環(huán)。

1 煤泥水的性質(zhì)分析

采用GB／T19093-2003對煤泥粒度組成進(jìn)行了分析，小篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1。對于粒度-0.045mm的煤泥采用島津SALD-7101型的激光粒度分析儀進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表1 小篩分試驗(yàn)結(jié)果

表2 激光粒度分析結(jié)果

從表1和表2可知，該煤泥水中細(xì)微顆粒所占比例大、灰分高，煤泥灰分也高達(dá)59.20%。小篩分試驗(yàn)結(jié)果中+0.045 mm 級(jí)的產(chǎn)率占81.30%，激光粒度分析結(jié)果中+17.416um 級(jí)的產(chǎn)率占77%。

粒度越小的粒群孔隙率越小，粒群的滲透性越差，即濾餅的阻力越大，易造成入料中心孔附近堵塞、不成餅和粘濾布，影響壓濾效果。同時(shí)細(xì)粒物料的比表面積大，易形成水化膜。此外，煤泥的灰分高表明其中含有大量的礦物成分，而礦物大都有很強(qiáng)的親水性，這會(huì)使微細(xì)顆粒表面水化膜的作用更大，而導(dǎo)致微細(xì)顆粒難以聚集，降低了壓濾速度，增大了濾餅水分。

采用日本島津X 射線衍射儀XRD-6000對煤泥進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 煤泥XRD 分析圖

由圖1 可見，煤泥中的主要礦物成分為高嶺石、石英、綠泥石和方解石，其中石英和高嶺石的波峰最尖，說明石英和高嶺石的含量較多，而石英在很寬的pH 值范圍內(nèi)都是強(qiáng)親水性的物質(zhì)，這會(huì)使石英微細(xì)顆粒表面水化膜的作用增大，導(dǎo)致微細(xì)顆粒難以聚集成大顆粒。

2 試驗(yàn)部分

2.1 藥劑的選擇

試驗(yàn)中使用的助濾劑有氯化鈣、聚氯化鋁、硫酸鋁和聚丙烯酰胺。

2.2 試驗(yàn)步驟

（1）量取100ml的煤泥水，使用注射器將所需藥劑一次性加入到煤泥水中。

（2）用玻璃棒進(jìn)行攪拌，使煤泥水與藥劑充分接觸。

（3）將加藥后的煤泥水倒入真空過濾器的布氏漏斗中，開啟真空過濾器并開始計(jì)時(shí)。

（4）當(dāng)漏斗下無濾液濾出時(shí)，關(guān)閉真空過濾器，記錄過濾時(shí)間。

（5）取出布氏漏斗中的濾餅，稱重后放入烘箱烘干，對干濾餅稱重并計(jì)算濾餅水分。

（6）最后以過濾時(shí)間和濾餅水分來評價(jià)助濾劑的效果。

煤泥水中顆粒的電動(dòng)電位使用Zeta電位分析儀測得。

3 結(jié)果與分析

3.1 無機(jī)鹽凝聚劑對煤泥的助濾作用及分析

在煤泥水中分別添加不同用量的氯化鈣、硫酸鋁和聚氯化鋁進(jìn)行過濾試驗(yàn)，不同凝聚劑對過濾時(shí)間和濾餅水分的影響結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同凝聚劑對過濾時(shí)間的影響

圖3 不同凝聚劑對濾餅水分的影響

由圖2和圖3 可見，隨著各凝聚劑用量的增大，煤泥水過濾時(shí)間不斷減少，濾餅水分不斷降低。對于本試驗(yàn)中所使用的煤泥水而言聚氯化鋁的效果更好，不加藥劑時(shí)過濾時(shí)間為28 min，濾餅水分為35.6%。而當(dāng)聚氯化鋁的用量增加到2100g／m3時(shí)過濾時(shí)間降為7.6 min，水分降為33.0%。

測定不同聚氯化鋁用量下煤泥水中顆粒的Zeta電位，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚氯化鋁對Zeta電位的影響

由圖4可見，試驗(yàn)用煤泥水中顆粒表面的Zeta電位較大，在加入聚氯化鋁之后，Zeta電位有了明顯降低，當(dāng)聚氯化鋁用量為90g／m3時(shí)顆粒表面Zeta電位由-67.3mV 降低為-44.5mV。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，表面荷負(fù)電的煤泥顆粒之間相互排斥，在水中呈穩(wěn)定分散狀態(tài)，難以凝聚形成較大的顆粒。而凝聚劑能壓縮顆粒表面的雙電層，降低Zeta電位，提高顆粒之間的碰撞凝聚幾率，改善煤泥粒度，提高壓濾速度。試驗(yàn)中聚氯化鋁的助濾效果最好，一方面是高價(jià)陽離子（Al3+）比相對低價(jià)的陽離子 （Ca2+）更利于壓縮固體顆粒表面雙電層，另一方面是聚氯化鋁能生成多核絡(luò)合物，能同時(shí)吸附捕捉到多個(gè)懸浮顆粒，從而形成松散絮團(tuán)，提高了其助濾效果。

3.2 高分子絮凝劑對煤泥的助濾作用及分析

在煤泥水中分別添加了不同用量的陽離子型聚丙烯酰胺和陰離子型聚丙烯酰胺，分子量均為1000萬，不同離子型絮凝劑對過濾時(shí)間和濾餅水分的影響如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見，隨著聚丙烯酰胺用量的增大，煤泥水過濾的時(shí)間不斷減少，濾餅水分先降低再升高。高分子絮凝劑是長鏈狀的，鏈上有若干活性的基團(tuán)，活性基團(tuán)越多，其吸附能力也就越強(qiáng)，微細(xì)顆粒能形成更大的絮團(tuán)，增大了過濾物料的粒度。但高分子絮凝劑產(chǎn)生的絮團(tuán)蓬松，結(jié)構(gòu)中央帶水，用量越大，濾餅中會(huì)含有越高的水分。陽離子型聚丙烯酰胺比陰離子型聚丙烯酰胺對降低過濾時(shí)間的效果更好，但助濾效果差別不大。

測定不同聚丙烯酰胺用量下煤泥水中顆粒的Zeta電位，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖5 不同離子型絮凝劑對過濾時(shí)間的影響

圖6 不同離子型絮凝劑對濾餅水分的影響

圖7 不同離子型絮凝劑對Zeta電位的影響

由圖7 可見，在加入陽離子型聚丙烯酰胺之后，Zeta電位有所降低，當(dāng)陽離子型聚丙烯酰胺用 量 為50 g／m3時(shí)，顆 粒 表 面Zeta 電 位 由-65.5mV降低為-61.0mV。而陰離子型聚丙烯酰胺對Zeta電位基本無影響。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，聚丙烯酰胺的水解產(chǎn)物絮凝時(shí)，當(dāng)聚電解質(zhì)所帶的電荷符號(hào)與煤泥水中顆粒帶電荷符號(hào)的相反時(shí)，聚丙烯酰胺除了橋聯(lián)作用外，還有一定的電性中和作用，在這種情況下，盡管分子量相同，帶相反電荷的聚丙烯酰胺具有更好的助濾效果。但在本試驗(yàn)中陽離子型聚丙烯酰胺的助濾優(yōu)勢不是太明顯，考慮陽離子型聚丙烯酰胺價(jià)格高、不易獲得，不適合用于工業(yè)生產(chǎn)，故選取陰離子型聚丙烯酰胺為高分子絮凝劑。

3.3 凝聚劑與絮凝劑復(fù)配對煤泥的助濾作用分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)采用聚氯化鋁和分子量為1000萬的陰離子型聚丙烯酰胺復(fù)配進(jìn)行過濾試驗(yàn)。使用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，確定藥劑用量和試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 凝聚劑與絮凝劑復(fù)配試驗(yàn)及結(jié)果

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用數(shù)據(jù)處理軟件DPS中的二次逐步回歸分析，得到二次回歸方程，見式 （1）：

式中：Y——過濾時(shí)間，s；

X1——聚氯化鋁用量，g／m3；

X2——絮凝劑用量，g／m3。

二次回歸方程參數(shù)如表4所示。

表4 二次回歸方程參數(shù)

由表4可知，相關(guān)系數(shù)R=0.9818，相關(guān)；D-W=1.67為Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量，服從正態(tài)分布；總體的顯著性檢驗(yàn)值F=26.7261＞F0.05（3，3）。綜上可知，回歸方程是顯著的，能真實(shí)反映煤泥過濾時(shí)間與助濾劑添加量之間的關(guān)系。

根據(jù)DPS 軟件得出因數(shù)間的最佳組合如下：在聚氯化鋁用量為1607.80g／m3、絮凝劑用量為70g／m3時(shí)，過濾時(shí)間能減少到345s。

為了驗(yàn)證逐步回歸方程以及試驗(yàn)方案優(yōu)化的可行性，在藥劑用量的最佳值條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測出過濾時(shí)間為405s，過濾時(shí)間是所有試驗(yàn)中最短的。這說明用DPS數(shù)據(jù)處理軟件建立的方程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析是準(zhǔn)確的。

采用日立S-3000N 型掃描電鏡對空白試驗(yàn)濾餅與最佳藥劑組合下的濾餅進(jìn)行微觀電鏡掃描，掃描電鏡圖片見圖8和圖9。

圖8 空白試驗(yàn)濾餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9 最佳藥劑組合下濾餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由圖8可知，空白試驗(yàn)形成的濾餅結(jié)構(gòu)緊密，細(xì)小顆粒緊密粘在一起，濾餅內(nèi)的孔隙小，孔隙率低。由圖9可知，最佳藥劑組合下的濾餅結(jié)構(gòu)非常疏松，內(nèi)部有大量裂痕。

試驗(yàn)證明，把凝聚劑和絮凝劑兩者配合起來使用將獲得較理想的效果。凝聚劑先把細(xì)小顆粒凝聚成較大一點(diǎn)的顆粒，這些顆粒的電性較小，容易參與絮凝劑的架橋作用，且顆粒與顆粒間的斥力小，產(chǎn)生的絮團(tuán)比較緊密，水分較少。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，在該選煤廠壓濾車間進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與結(jié)果如表6所示。

由表6可知，在壓濾入料中添加聚氯化鋁與聚丙烯酰胺后，壓濾時(shí)間從空白試驗(yàn)的85 min下降到60min，濾餅水分從29.5%下降到24.6%，且生產(chǎn)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了煤泥水閉路循環(huán)。

表6 工業(yè)性試驗(yàn)條件及結(jié)果

5 結(jié)論

（1）煤泥水中高灰細(xì)粒煤泥含量高，顆粒表面荷負(fù)電較大，是煤泥過濾效率低的內(nèi)在原因。在壓濾入料中添加助濾劑能夠改善壓濾入料的性質(zhì)，提高壓濾效率。

（2）凝聚劑能壓縮顆粒表面雙電層，降低Zeta電位。聚氯化鋁還能生成多核絡(luò)合物，同時(shí)吸附捕捉到多個(gè)懸浮顆粒，從而形成松散絮團(tuán)，比試驗(yàn)中使用的其他凝聚劑有更好的助濾效果。

（3）陽離子聚丙烯酰胺除了橋聯(lián)作用外，還有一定的電性中和作用，在這種情況下，盡管分子量相同，帶相反電荷的聚丙烯酰胺具有更好的助濾效果。但考慮到陽離子型聚丙烯酰胺價(jià)格高且難獲取，本試驗(yàn)中選取陰離子型聚丙烯酰胺。

（4）凝聚劑與絮凝劑配合使用比使用單一藥劑的助濾效果更好。

（5）由DPS數(shù)據(jù)處理軟件對復(fù)配試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立回歸方程，確定最優(yōu)藥劑配比，能更準(zhǔn)確地找到最優(yōu)方案。

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