王亞健，趙 翔，張嘉云，申 杰，杜 軍，花曉中，王鵬輝，徐宏祥，黃 根

(1.山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 064100；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化環(huán)學(xué)院 礦山與城市固廢資源化工程研究中心，北京 100083)

浮選精煤脫水是選煤廠煤泥水處理的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，其合理與否直接影響全廠的工藝系統(tǒng)、分選效率及周圍環(huán)境。隨著原煤開采機(jī)械化程度的提高，選煤廠入選原煤中小于0.5 mm粒級(jí)煤泥含量不斷增加，浮選精煤粒度也越來越細(xì)，給細(xì)粒精煤脫水帶來了困難[1-3]。

目前，選煤廠浮選精煤通常采用精煤壓濾機(jī)和加壓過濾機(jī)脫水，濾布孔徑一般為160～200目，由于浮選精煤中微細(xì)顆粒含量增多，產(chǎn)品水分往往偏高且不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致總精煤水分較高[4]；并且微細(xì)顆粒在壓濾過程中透過濾布進(jìn)入濾液，造成大量浮選精煤損失。同時(shí)含微細(xì)顆粒較多的濾液進(jìn)入煤泥濃縮池，造成煤泥量增加，也造成濃縮池中煤泥顆粒沉降壓濾困難，使得煤泥灰分升高。這些問題都會(huì)給選煤廠造成經(jīng)濟(jì)損失，增加運(yùn)營成本。因此減少微細(xì)粒浮選精煤的損失對(duì)于選煤企業(yè)意義重大。

為了減少微細(xì)粒浮選精煤的損失，本文提出浮選精煤絮凝壓濾工藝，即采用高分子絮凝劑和凝聚劑作用于浮選精煤絮凝沉降過程，研究絮凝劑種類及用量、凝聚劑種類及用量對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響，探索浮選精煤絮凝壓濾工藝的脫水效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試劑

浮選精煤煤樣取自山西長治市屯留縣余吾選煤廠，測得煤樣總灰分為7.32%，通過浮選精煤的X-射線衍射(XRD)分析(如圖1)表明，煤中主要含無機(jī)物高嶺石、部分黃鐵礦和石英。煤樣粒度分析見表1。

由表1可以看出，隨著粒度的減小，各粒級(jí)產(chǎn)率逐漸增加，其中細(xì)粒級(jí)(小于0.074 mm)顆粒占主導(dǎo)，含量高達(dá)71.75%；并且隨著粒度的減小，各粒級(jí)的灰分呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，表明煤質(zhì)均勻性差，微細(xì)粒級(jí)的煤含量較多且灰分較高，對(duì)后續(xù)的浮選精煤壓濾脫水工藝影響較大。

圖1 煤樣X-射線衍射(XRD)圖譜

粒度/mm產(chǎn)率/%灰分/%0.5～0.39.967.420.3～0.253.487.210.25～0.12515.726.520.074～0.12522.646.630.045～0.07423.716.72<0.04524.499.04合計(jì)100.007.32

試驗(yàn)所用的化學(xué)試劑為氯化鈣(CaCl2)、明礬、聚合氯化鋁(PAC)、陰離子型絮凝劑(分子量分別為1 000萬、600萬和300萬)、陽離子型絮凝劑(陽離子度分別為20%、30%)。以上試劑均為化學(xué)純，試驗(yàn)用水均為去離子水。

將CaCl2、明礬、PAC配制成濃度為5%的溶液，陰離子型絮凝劑、陽離子型絮凝劑配制成濃度為0.1‰的溶液，各100 mL，備用。

1.2 絮凝劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗(yàn)

取5個(gè)250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同類型的絮凝劑4 mL；在沉降時(shí)間30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s、300 s和600 s時(shí)，記錄沉降界面高度；并在沉降時(shí)間5 min、10 min、30 min和60 min時(shí)取出上清液樣品，利用濁度計(jì)(WZS-186型，下同)測試樣品濁度。

1.3 絮凝劑用量對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗(yàn)

在確定了最佳絮凝劑種類后，取5個(gè)250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同用量的絮凝劑，在沉降時(shí)間 30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s、300 s和600 s時(shí)，記錄沉降界面高度，并在沉降時(shí)間5 min、10 min、30 min和60 min時(shí)取出上清液樣品，利用濁度計(jì)測試樣品濁度。

1.4 凝聚劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗(yàn)

取若干個(gè)250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同類型的凝聚劑，投加量均為800 mg/L。由于凝聚劑對(duì)溶液沉降速度影響較小，在前期試驗(yàn)中三種絮凝劑沉降界面的高度基本無差別，因而試驗(yàn)主要通過溶液濁度的變化來評(píng)價(jià)凝聚劑效果。在沉降時(shí)間5 min、10 min、30 min和60 min時(shí)取出上清液樣品，利用濁度計(jì)測試樣品濁度。

1.5 凝聚劑用量對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響試驗(yàn)

在確定最佳凝聚劑種類后，取5個(gè)250 mL具塞量筒，分別稱取37.5 g煤樣放入量筒，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，分別加入不同用量的凝聚劑，在沉降時(shí)間5 min、10 min、30 min和60 min時(shí)取出上清液樣品，利用濁度計(jì)測試樣品濁度。

1.6 絮凝劑和凝聚劑協(xié)同作用對(duì)浮選精煤絮凝效果的影響

在最佳的絮凝劑和凝聚劑類型和用量條件下，取1個(gè)250 mL具塞量筒，稱取37.5 g煤樣放入其中，加入去離子水，配制成150 g/L的浮選精煤溶液，充分潤濕后，加入凝聚劑和絮凝劑，在沉降時(shí)間5 min、10 min、30 min和60 min時(shí)取出上清液樣品，利用濁度計(jì)測試樣品濁度。

1.7 浮選精煤絮凝壓濾脫水試驗(yàn)

在絮凝劑和凝聚劑的最優(yōu)種類和最佳用量條件下，進(jìn)行浮選精煤絮凝壓濾脫水試驗(yàn)。取2個(gè)900 mL燒杯，分別稱取100 g煤樣放入杯中，加入去離子水，配制成500 mL浮選精煤溶液，充分潤濕后，在1號(hào)燒杯中加入前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果中最佳用量的凝聚劑和絮凝劑，2號(hào)燒杯中不加藥劑。設(shè)置相同壓濾條件進(jìn)行壓濾試驗(yàn)，對(duì)比二者濾餅水分和濾液濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響

2.1.1 絮凝劑種類對(duì)浮選精煤絮凝沉降界面高度的影響

絮凝劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降界面高度的影響如圖2所示。

圖2 不同絮凝劑種類與沉降界面高度之間的關(guān)系

從圖2可以看出，在相同時(shí)間(0～300 s)內(nèi)，浮選精煤絮凝沉降界面下降速度最快的是分子量為1 000萬的陰離子型絮凝劑，其次是陽離子度為30%的陽離子型絮凝劑；而分子量600萬、300萬以及陽離子度為20%的絮凝劑效果較差，且這3種絮凝劑的效果相近。在沉降時(shí)間達(dá)到600 s時(shí)，所有絮凝劑各自作用后的煤漿最后沉積物高度相近，為6～8 cm。

2.1.2 絮凝劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降后上清液濁度的影響

絮凝劑類型對(duì)上清液濁度影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 絮凝劑種類與煤漿上清液濁度的關(guān)系

從圖3可以看出，在浮選精煤溶液中加入絮凝劑后，隨著時(shí)間的增長，煤漿上清液濁度逐漸降低。在相同時(shí)間內(nèi)效果最好的為分子量1 000萬的陰離子型絮凝劑，其次為陽離子度為30%的陽離子型絮凝劑，其他絮凝劑的效果均不理想。這是因?yàn)榉肿恿看蟮男跄齽碛懈L的分子鏈，含有更多的基團(tuán)，陰離子絮凝劑在煤粒表面為環(huán)式或尾式吸附，易于在煤粒間產(chǎn)生架橋作用，能夠在分子鏈上粘連更多的微細(xì)煤炭顆粒，并且對(duì)煤粒表面的雙電層有壓縮作用，易于形成更大、更緊實(shí)的絮團(tuán)，使得煤漿絮凝沉降更快，煤漿上清液中固體含量減少，濁度更低[6-7]；陽離子型絮凝劑的分子鏈上含有陽離子，而煤炭顆粒在水中表面呈負(fù)電性，陽離子能中和這些顆粒表面的負(fù)電性，減少顆粒表面斥力，有利于顆粒聚集和絮凝。在絮凝作用初期，陽離子型絮凝劑中的陽離子能夠更快的中和煤顆粒表面電荷，促進(jìn)煤顆粒的聚集和絮凝，使得陽離子型絮凝劑在初期降低濁度的效果比陰離子型絮凝劑更好。但是陽離子型絮凝劑的分子量相較于陰離子型絮凝劑相差懸殊，較難形成大而緊實(shí)的絮團(tuán)，沉降速度慢，同時(shí)較短的分子鏈對(duì)微細(xì)顆粒的吸附能力較弱，使得煤漿上清液中微細(xì)顆粒含量增多，濁度增加[8]。

綜合考慮沉降速度和上清液濁度的試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳絮凝劑為分子量1 000萬的陰離子型絮凝劑。

2.2 絮凝劑用量對(duì)浮選精煤絮凝沉降速度的影響

絮凝劑用量對(duì)浮選精煤絮凝沉降界面高度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 絮凝劑用量與沉降界面高度的關(guān)系

從圖4可以看出，隨著絮凝劑用量的增加，煤漿沉降速度先增大后減小。當(dāng)絮凝用量為1.6 mg/L時(shí)，沉降速度達(dá)到最大。這主要是當(dāng)絮凝劑用量不足時(shí)，絮凝體為絮團(tuán)和自由體，絮體粒徑較小，導(dǎo)致沉降速度緩慢；隨著用量的逐漸增加，絮體結(jié)構(gòu)變得緊實(shí)，煤漿中自由體減少，絮團(tuán)體積逐漸變大，沉降速度加快；當(dāng)絮凝劑用量超過最佳用量后，結(jié)構(gòu)上未飽和的支鏈相互排斥、擁擠而向空間伸展，導(dǎo)致絮體的孔隙率增大，含水率升高，在膠體顆粒周圍形成水化外殼，使得絮凝沉降效果惡化，沉降速度下降[9-10]。

2.3 凝聚劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降上清液濁度的影響

凝聚劑類型對(duì)浮選精煤絮凝沉降上清液濁度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 凝聚劑種類與上清液濁度的關(guān)系

從圖5可以看出，在相同凝聚劑用量和相同沉降時(shí)間的條件下，對(duì)上清液濁度影響最大的是氯化鈣和明礬，且沉降效果比較相近；而PAC的效果最差。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果排除凝聚劑PAC，后續(xù)考察氯化鈣和明礬兩種凝聚劑用量對(duì)上清液濁度的影響。

2.4 凝聚劑用量對(duì)浮選精煤絮凝沉降上清液濁度的影響

明礬和氯化鈣的用量對(duì)煤漿上清液濁度的影響如圖6所示。從圖6可以看出，在相同沉降時(shí)間下，上清液濁度隨著氯化鈣用量的增加先降低后增加。其中凝聚劑最佳用量為600 mg/L，濁度最低能夠達(dá)到119 NTU。在相同沉降時(shí)間下，隨著明礬用量的增加，煤漿上清液濁度先降低后增加，其中明礬最佳用量為400 mg/L，濁度最低能夠達(dá)到118.2 NTU。其作用原理為：當(dāng)凝聚劑用量較少時(shí)，凝聚劑壓縮雙電層的效果較弱，ζ電位降低較為緩慢，故此時(shí)凝聚劑效果較差；隨著凝聚劑用量的增加，凝聚劑壓縮雙電層能力逐漸增強(qiáng)，ζ電位快速降低，凝聚劑效果逐漸變好，上清液中微細(xì)顆粒減少，濁度降低[11]。當(dāng)凝聚劑使用過量時(shí)，會(huì)使得煤漿中的煤顆粒再次帶電，顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，降低顆粒凝聚概率，從而使得凝聚劑效果反而變差[12]。綜合兩種凝聚劑對(duì)上清液濁度的影響以及用量條件試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳凝聚劑為明礬。

圖6 凝聚劑用量與上清液濁度的關(guān)系

2.5 絮凝劑和凝聚劑協(xié)同作用對(duì)浮選精煤絮凝沉降效果的影響

絮凝劑和凝聚劑協(xié)同作用時(shí)對(duì)浮選精煤絮凝效果的影響如圖7所示。

圖7 絮凝劑和凝聚劑共同作用時(shí)的濁度變化

從圖7可知，在分子量1 000萬陰離子型絮凝劑和明礬的共同作用下，浮選精煤溶液的上清液濁度隨時(shí)間的增加而逐漸降低，濁度最低能夠達(dá)到16.81 NTU，相較于絮凝劑或者凝聚劑單獨(dú)使用時(shí)，上清液濁度大幅降低，絮凝沉降效果增強(qiáng)。

2.6 浮選精煤絮凝沉降壓濾脫水試驗(yàn)

按照上述實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果進(jìn)行浮選精煤絮凝壓濾試驗(yàn)[5]，并設(shè)置空白試驗(yàn)進(jìn)行效果對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 浮選精煤絮凝沉降壓濾脫水試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)壓濾脫水試驗(yàn)可知，在相同壓濾條件下，入料前加入凝聚劑—絮凝劑處理的煤漿壓濾精煤回收率比未加藥的煤漿精煤回收率提升8.9個(gè)百分點(diǎn)，微細(xì)顆粒精煤損失減少61.49%，濾餅水分降低1.67個(gè)百分點(diǎn)，說明對(duì)浮選精煤在壓濾脫水前進(jìn)行絮凝處理對(duì)減少微細(xì)顆粒精煤損失的效果顯著。

3 結(jié) 論

對(duì)浮選精煤絮凝效果最好的分別是分子量1 000萬的陰離子型絮凝劑以及凝聚劑明礬。當(dāng)浮選精煤溶液濃度為150 g/L時(shí)，最佳用量分別是絮凝劑1.6 mg/L和凝聚劑400 mg/L；最佳條件下浮選精煤絮凝沉降上清液濁度能夠降低到16.81 NTU，上清液中微細(xì)顆粒的含量大幅減少。

在最佳藥劑種類和用量條件下，浮選精煤絮凝壓濾脫水的精煤回收率比浮選精煤直接壓濾脫水提升8.9個(gè)百分點(diǎn)，微細(xì)粒精煤損失減少61.49%，濾餅水分降低1.67個(gè)百分點(diǎn)，表明浮選精煤絮凝脫水工藝對(duì)減少浮選精煤壓濾環(huán)節(jié)細(xì)粒精煤的損失具有很好的改善效果。