沈 寧

(神華寧煤集團(tuán) 太西洗煤廠，寧夏 石嘴山753000)

對(duì)于采用濕法分選的選煤廠而言，為了滿足各工藝環(huán)節(jié)對(duì)循環(huán)水質(zhì)量的要求，經(jīng)主選作業(yè)后產(chǎn)生的煤泥水必須經(jīng)過一定的工藝處理才能在選煤廠循環(huán)使用。煤泥水系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)、確保清水選煤的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)煤泥水系統(tǒng)嚴(yán)重惡化時(shí)，整個(gè)選煤系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行[1-2]，甚至出現(xiàn)停產(chǎn)[3-4]。煤泥水內(nèi)集中了原煤中最細(xì)、最難處理的顆粒，而這些顆粒粒度細(xì)、灰分高、粘性大、難以沉降，難于用常規(guī)的沉淀、回收、脫水設(shè)備與方法進(jìn)行處理，必須選擇適當(dāng)?shù)拿耗嗨跄两倒に囂幚怼ｈb于煤泥水處理的重要性和復(fù)雜性，近年來國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)煤泥水絮凝沉降展開了大量的研究[5-7]，但多數(shù)研究集中于對(duì)絮凝劑和凝聚劑種類及用量[8-9]、攪拌強(qiáng)度[10-11]等因素的考察，而忽略了煤泥水處理過程中流場(chǎng)環(huán)境(由流場(chǎng)型式及其能量輸入狀態(tài)決定)和藥劑作用時(shí)間的影響。因此，在對(duì)藥劑用量影響研究的基礎(chǔ)上，綜合流場(chǎng)類型和藥劑作用時(shí)間進(jìn)行煤泥水沉降效果的多因素考察，對(duì)于煤泥水沉降理論體系的構(gòu)建與完善，進(jìn)一步優(yōu)化煤泥水的處理效果具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

選取陜西澄合礦區(qū)煤樣作為煤泥水沉降試驗(yàn)原料，并將<0.5 mm粒級(jí)煤樣配成濃度為35 g/L的煤泥水。選用聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁作為絮凝劑和凝聚劑進(jìn)行煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

構(gòu)建試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)比例幾何尺寸攪拌槽作為試驗(yàn)攪拌槽[13-14]：槽體直徑T=200 mm，葉輪直徑D=66.7 mm，葉輪離槽底的高度Hi=66.7 mm，葉輪葉片寬度w=13.2 mm，擋板數(shù)目為4個(gè)，擋板寬度Wb=20 mm。試驗(yàn)過程中控制煤泥水液面高度H=T=200 mm。

為了廣泛考察流場(chǎng)類型這一因素的影響，流場(chǎng)形成元件——葉輪的選擇尤為重要[15-16]。試驗(yàn)選取葉片數(shù)相同的徑流式葉輪、軸流式葉輪與混流式葉輪(圖1)構(gòu)建徑流式、軸流式與混流式流場(chǎng)，并進(jìn)行相應(yīng)流場(chǎng)類型及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的研究。

圖1 三種葉輪型式

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)以煤泥水溢流濃度作為煤泥水沉降特性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。煤泥水?dāng)嚢杈鶆蚝?，加入一定量凝聚劑和絮凝劑，攪拌、靜置4 min后，移取距液面10 cm處的上清液測(cè)定其濁度，并以此來判定煤泥水沉降效果[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 藥劑用量對(duì)煤泥水沉降效果的影響

試驗(yàn)時(shí)，凝聚劑用量為0.05 g，攪拌混合30 s后，添加絮凝劑，其加入量分別為0.005、0.01、0.05、0.10、0.15、0.25、0.50 g，攪拌1.5 min后，靜置取樣分析煤泥水絮凝沉降效果(圖2)；在同樣操作條件下，絮凝劑用量為0.05 g，改變凝聚劑用量，在用量為0.005、0.01、0.05、0.10、0.15、0.25、0.50 g條件下進(jìn)行煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

由圖2和圖3分析可知：無論是絮凝劑還是凝聚劑，當(dāng)藥劑用量較少時(shí)，由于只有少部分煤泥顆粒與藥劑作用，大部分煤泥顆粒仍然懸浮在水中未能進(jìn)行有效絮凝沉降，因此，上清液濁度較高；隨著藥劑用量的增加，煤泥顆粒絮凝沉降效果有所提升，當(dāng)凝聚劑和絮凝劑用量分別為0.05 g和0.05 g時(shí)，煤泥水絮凝沉降可達(dá)到最佳效果；隨著藥劑用量的進(jìn)一步增加，由于藥劑不能有效分散，因此，同煤泥顆粒有效作用的藥劑量減少，大部分煤泥顆粒懸浮在煤泥水上清液中不能有效絮凝沉降，致使煤泥水上清液濁度較高。

圖2 絮凝劑用量對(duì)煤泥水沉降效果的影響

圖3 凝聚劑用量對(duì)煤泥水沉降效果的影響

2.2 藥劑作用時(shí)間對(duì)煤泥水沉降效果的影響

為了實(shí)現(xiàn)煤泥水的有效沉降，藥劑在煤泥水體系中需要停留一定的時(shí)間，因此有必要考察凝聚劑和絮凝劑的作用時(shí)間對(duì)煤泥水絮凝沉降效果的影響。試驗(yàn)時(shí)，固定凝聚劑與煤泥混合作用時(shí)間為30 s，絮凝劑與煤泥混合時(shí)間分別設(shè)定為0.25、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 min。煤泥水絮凝沉降效果如圖4所示。在同樣操作條件下，固定絮凝劑與煤泥混合作用時(shí)間為1.5 min，凝聚劑與煤泥顆?；旌蠒r(shí)間分別設(shè)定為15、30、45、60、90 s，煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 絮凝劑作用時(shí)間對(duì)煤泥水沉降效果的影響

圖5 凝聚劑作用時(shí)間對(duì)煤泥水沉降效果的影響

由圖4和圖5可以看出，隨著藥劑作用時(shí)間的增加，煤泥水絮凝沉降效果變化明顯：當(dāng)絮凝劑作用時(shí)間為1.5 min時(shí)，上清液濁度最小為14.5 NTU；當(dāng)凝聚劑作用時(shí)間為30 s時(shí)，上清液濁度最小為14.6 NTU。隨著藥劑作用時(shí)間的進(jìn)一步增加，煤泥水絮凝沉降效果惡化。分析該過程可知：藥劑作用時(shí)間過短，意味著藥劑的分散程度及其與煤泥顆粒的接觸不充分；而藥劑作用時(shí)間過長(zhǎng)，其自身的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)可能遭到破壞，部分已聚集成大顆粒的煤泥顆粒也遭到破壞。由此可見，藥劑作用時(shí)間同樣影響煤泥水絮凝沉降效果。

2.3 流場(chǎng)類型及流場(chǎng)能量輸入對(duì)煤泥水沉降效果的影響

2.3.1 徑流式流場(chǎng)及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響

選取徑流式葉輪作為攪拌葉輪，試驗(yàn)時(shí)，攪拌轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min開始，每增加100 r/min設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)考察參數(shù)，直至轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，加入0.05 g凝聚劑，攪拌30 s，再加入0.05 g絮凝劑，繼續(xù)攪拌1.5 min，靜置4 min后檢測(cè)上清液濁度。徑流式流場(chǎng)對(duì)煤泥水沉降效果的影響如圖6所示。

圖6 徑流式流場(chǎng)及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響

由圖6可以看出，在徑流式流場(chǎng)作用下，在較小的能量輸入狀態(tài)(即攪拌強(qiáng)度太低)時(shí)，藥劑與煤泥顆粒不能充分接觸，加之藥劑分布不均勻，煤泥顆粒與藥劑作用效果不好，導(dǎo)致煤泥水絮凝沉降效果較差。隨著攪拌強(qiáng)度的提高，藥劑分散效果得到改善，藥劑與煤泥顆粒充分接觸，煤泥水沉降效果提升；當(dāng)攪拌強(qiáng)度為400 r/min時(shí)，煤泥水絮凝沉降效果最佳，此時(shí)上清液濁度為14.9 NTU。隨著攪拌強(qiáng)度進(jìn)一步增加，煤泥水絮凝沉降效果下降，這是由于攪拌強(qiáng)度過于劇烈，破壞了藥劑的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致藥劑與煤泥顆粒作用效果變差，同時(shí)，已經(jīng)凝聚成大顆粒的煤泥被破碎成小顆粒，影響了煤泥水絮凝沉降。

2.3.2 軸流式流場(chǎng)及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響

在相同條件下，選取軸流式葉輪作為攪拌葉輪，能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響如圖7所示。由圖7可以看出，在軸流式流場(chǎng)作用下，隨著能量輸入的增加(即攪拌轉(zhuǎn)速增加)，對(duì)應(yīng)煤泥水沉降效果同樣出現(xiàn)“先改觀、再惡化”的現(xiàn)象；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，煤泥水絮凝沉降效果最好，其對(duì)應(yīng)上的清液濁度為32.7 NTU。

圖7 軸流式流場(chǎng)及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響

2.3.3 混流式流場(chǎng)及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響

進(jìn)一步試驗(yàn)，在相同操作條件下，選取混流式葉輪作為攪拌葉輪，能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響如圖8所示。

由圖8可知，在混流式流場(chǎng)作用下，隨著能量輸入的增加(即攪拌轉(zhuǎn)速增加)對(duì)應(yīng)煤泥水沉降效果同樣出現(xiàn)“先改觀、再惡化”的現(xiàn)象；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，上清液濁度最小為31.1 NTU，為最佳試驗(yàn)條件。

2.3.4 不同流場(chǎng)類型作用效果對(duì)比

徑流式葉輪在攪拌過程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切作用，當(dāng)其低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，有利于藥劑分散，實(shí)現(xiàn)藥劑與煤泥顆粒的有效作用；但在轉(zhuǎn)速過高時(shí)，較強(qiáng)的剪切力破壞藥劑結(jié)構(gòu)與大顆粒煤泥聚團(tuán)，使煤泥水絮凝沉降效果變差。

圖8 混流式流場(chǎng)及能量輸入狀態(tài)對(duì)煤泥水沉降效果的影響

軸流式葉輪在攪拌過程中剪切力很弱，因此最佳攪拌速度要比徑流式葉輪高才能提供合適的剪切條件；在高轉(zhuǎn)速條件下，由于以形成軸向循環(huán)流場(chǎng)為主，而剪切力作用較弱，因此對(duì)藥劑結(jié)構(gòu)和煤泥大顆粒破壞作用也相對(duì)較輕，對(duì)應(yīng)煤泥水絮凝沉降效果優(yōu)于徑流式葉輪。

由于混流式葉輪的剪切力介于徑流式葉輪和軸流式葉輪之間，因此，當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，藥劑分散效果比徑流式葉輪差但優(yōu)于軸流式葉輪；當(dāng)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，對(duì)藥劑結(jié)構(gòu)和大顆粒煤泥的破壞作用比軸流式葉輪強(qiáng)但弱于徑流式葉輪。

3 正交試驗(yàn)與分析

綜合考慮藥劑用量、流場(chǎng)類型、攪拌強(qiáng)度以及藥劑混合時(shí)間對(duì)煤泥水絮凝沉降效果的影響，選取L18(37)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表與正交試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化工藝方案為A1B1C1D1E1F1。由各因素水平下的平均濁度值分析可知，凝聚劑用量0.15 g(A3)、絮凝劑用量0.15 g(B3)、徑流式流場(chǎng)(C1)、攪拌強(qiáng)度400 r/min(D1)、絮凝劑作用時(shí)間2.5 min(E2)、凝聚劑作用時(shí)間30 s(F1)，即A3B3C1D1E2F1也是較好的工藝條件，但由于這個(gè)條件不在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的18次試驗(yàn)當(dāng)中，所以補(bǔ)做試驗(yàn)A3B3C1D1E2F1，并與工藝方案A1B1C1D1E1F1進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。最終確定優(yōu)化工藝方案為A1B1C1D1E1F1。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 工藝方案A1B1C1D1E1F1與A3B3C1D1E2F1結(jié)果對(duì)比

利用極差來描述各因素中水平變化所引起的試驗(yàn)指標(biāo)離散程度，即可反映各因素所起作用的大小。由表2數(shù)據(jù)分析可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，極差值由大到小對(duì)應(yīng)的因素依次為：流場(chǎng)類型、攪拌強(qiáng)度、凝聚劑用量、絮凝劑用量、凝聚劑作用時(shí)間、絮凝劑作用時(shí)間，說明流場(chǎng)類型對(duì)煤泥水絮凝沉降效果的影響最大，攪拌強(qiáng)度次之，之后依次為凝聚劑用量、絮凝劑用量、凝聚劑作用時(shí)間，絮凝劑作用時(shí)間對(duì)煤泥水絮凝沉降效果影響最小。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了藥劑用量、流場(chǎng)類型、流場(chǎng)能量輸入、藥劑作用時(shí)間等因素對(duì)煤泥水沉降效果的影響，主要結(jié)論如下：

(1)藥劑用量對(duì)煤泥水絮凝沉降有重要的影響，藥劑用量過少或過多都不利于藥劑分散及其與煤泥顆粒的充分接觸，都會(huì)影響煤泥水絮凝沉降效果。

(2)凝聚劑和絮凝劑作用時(shí)間過短，藥劑與煤泥顆粒不能充分作用；作用時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成藥劑結(jié)構(gòu)以及已聚集成大顆粒的煤泥顆粒的破壞。

(3)徑流式流場(chǎng)比軸流式流場(chǎng)和混流式流場(chǎng)更有利于煤泥水絮凝沉降，當(dāng)徑流式葉輪攪拌轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，煤泥水絮凝沉降效果相對(duì)較好。不論何種流場(chǎng)作用，隨著能量輸入的增加，煤泥水絮凝沉降效果均出現(xiàn)“先改觀、再惡化”的現(xiàn)象。

(4)正交試驗(yàn)極差分析可知，影響煤泥水絮凝沉降最主要的因素是流場(chǎng)類型、流場(chǎng)能量輸入(即攪拌強(qiáng)度)和藥劑用量，其次是藥劑作用時(shí)間；總體而言，流場(chǎng)類型和流場(chǎng)能量輸入是決定煤泥水沉降效果最關(guān)鍵的因素。