煤泥性质及其混凝剂作用下的沉降试验研究

张 迁，尹禹琦，许普查

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司洗选中心，宁夏 银川 750411；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

宁东矿区井田含煤地层为侏罗系中统延安组，地质构造复杂、断层多，煤层直接顶板多为泥岩、粉砂岩和炭质泥岩，底板多为泥岩和粉砂岩[1]。该矿区煤炭属于低变质程度的不粘煤，局部分布有长焰煤，该矿区煤具有含氧量高、极性官能团多、遇水易被润湿等性质[2]。煤质分析结果表明，宁东矿区煤泥中的矿物组成主要是石英、高岭土和蒙脱石，其中高岭土和蒙脱石属黏土类矿物，遇水极易泥化并稳定分散于水中，导致压滤机入料中煤泥粒度过细，压滤困难。目前，选煤厂通常使用混凝剂对煤泥水进行处理，以加快煤泥水的沉降速度，降低上清液浊度，实现洗水闭路循环[3]。混凝剂包含凝聚剂和絮凝剂两种，其中，凝聚剂作用机理为电中和及压缩双电层作用加速煤泥颗粒沉降，使上清液浊度减小；絮凝剂作用机理为“架桥”作用使煤泥颗粒形成大絮团加速其沉降[4]。当煤泥水高灰细泥含量低时，使用絮凝剂可以获得较好的沉降效果；反之，需要絮凝剂与凝聚剂联合使用才能取得良好的沉降效果[5，6]。本论文通过研究凝聚剂、絮凝剂及其联合使用对该煤泥水沉降的影响，确定凝聚剂和絮凝剂联合使用的最佳药剂种类及用量。

1 煤泥性质分析及沉降试验方法

1.1 煤泥性质分析

1)工业分析：按照《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)对煤泥(自然风干)进行工业分析。

2)傅里叶红外光谱：利用Nicolet iS5型傅里叶红外光谱仪对煤泥的官能团进行测试。

3)XRF(X射线荧光光谱仪)：利用Bruker D8 Advance型X射线荧光光谱仪对煤泥组成成分进行分析，测试时仪器的管压和管流分别为50 KV和60mA，对元素的测量范围为9号(F)至92号元素(U)。

4)XRD(X射线衍射)：丹东浩元仪器公司制造的DX-2700型X射线衍射仪，测试时仪器的电压和电流分别为35 KV和25 mA，靶材为Cukα，扫描速度为2°/min。

5)接触角测定：试验选用JCY-1型接触角测定仪，工作温度为15 ～ 25℃。测量时，先用天平称量3g已干燥的煤泥，再用压片法对煤泥进行标准制样。制样时，利用千斤顶配合相应模具将煤泥压制成片状，压力为60MPa，制成的煤泥压片厚度为2mm。

6)pH值测定：试验采用PHS-25型pH计对煤泥水进行pH值的测定。

7)Zeta电位：试验采用JS94H型微电泳仪对煤泥Zeta电位进行测量，煤泥水选取自然沉降下含有煤泥颗粒的煤泥水上清液。

1.2 沉降试验方法

首先在带有详细刻度标注的500mL具塞量筒中配制试验所需浓度的煤泥水，之后加入试验所需药剂，人工将量筒进行翻转数次，保证药剂与煤泥水进行充分混合，再将量筒放回原位；立即开始计时，每隔相同时间测定并记录煤泥水的上清液高度、上清液浊度及絮团高度等数据，根据相关公式计算沉降速度和综合指标，沉降速度和综合指标的计算见式(1)、式(2)[7]。

式中，V为沉降速度，cm/min；Ti为某一累计时刻，s；Hi为Ti时刻的澄清区高度，cm；a为首端顺序号；b为末端顺序号；M为a到b的累计数，M=b-a+1。

式中，H0为煤泥水倒入量筒中的高度；H1为煤泥水沉降后的絮团高度。

2 煤泥性质与沉降特性

2.1 煤泥性质分析

2.1.1 工业分析

工业分析结果见表1，煤泥空气干燥基灰分为46.15%，属高灰煤泥[8]。

表1 工业分析 %

2.1.2 官能团分析

图1 煤泥的红外光谱

2.1.3 煤泥XRF和XRD分析

煤泥的荧光光谱分析结果见表2，由表2可知，煤泥的SiO2和Al2O3含量较多，其中SiO2占10.37%、Al2O3占8.56%。

表2 煤泥成分(荧光光谱分析) %

XRD分析是一种对样品组成成分测定的有效分析方法[11]。煤泥的XRD分析如图2所示，由图2可知，煤泥主要矿物成分有高岭石、蒙脱石和石英。其中，高岭石和蒙脱石属于黏土矿物，由于其易泥化的特点，当煤泥中含有这两种矿物时，会导致煤泥水中细微颗粒的含量增加，恶化煤泥水沉降效果。

图2 煤泥的X射线衍射

2.1.4 润湿性分析

润湿性可以用固液界面的接触角表示，经测量，煤泥与水的接触角为49°，表明煤泥具有一定的亲水性[12]。

2.1.5 煤泥水pH值

不同煤泥水的pH值试验结果见表3。由表3可知，煤泥水pH值平均值为7.8，说明煤泥水呈弱碱性，这与官能团分析一致[13]。

表3 煤泥的pH值

2.1.6 Zeta电位

Zeta电位是一种反映颗粒间稳定性的参数[14，15]。本试验对3组煤泥水平行样的Zeta电位进行测试，结果见表4。煤泥颗粒的Zeta电位较高，煤泥颗粒间有较大的静电斥力，煤泥水体系稳定，难以沉降。

表4 煤泥的Zeta电位 mV

据相关研究可知，煤泥水pH值在8左右时，煤泥水的Zeta电位绝对值达到最大。此时，煤泥水中的高岭土等矿物成分表面电负性最大，细微的高岭土等矿物颗粒会稳定地分散于煤泥水中，给煤泥水的沉降澄清造成很大困难[16，17]。高岭土为层状结构的硅酸盐，解离时在其层面存在大量显负电性的Si—O键和Al—O断键及两性Al—OH键，其表面会络合大量的OH-，使颗粒表面带负电，增大表面的负电性。因此，改变煤泥水pH值，中和矿物颗粒表面—OH，对于降低Zeta电位，改善煤泥水沉降效果具有重要意义。

2.2 混凝剂作用下的煤泥水沉降特性分析

在上述试验基础上，研究不同凝聚剂和絮凝剂作用下的煤泥水沉降效果，确定其单独使用时的种类及最佳用量，再将遴选出的凝聚剂和絮凝剂联合使用，最终确定凝聚剂和絮凝剂联合使用时的比例[18]。

2.2.1 凝聚剂作用下的煤泥水沉降特性分析

固定煤泥水温度15℃、浓度40g/L和pH值7.8的条件下，考察AC、PAS和PFS三类凝聚剂作用下的煤泥水沉降效果，结果如图3—图5所示。

图3 不同聚合硫酸铝添加量下煤泥水沉降效果

图4 不同聚合硫酸铁添加量下煤泥水沉降效果

图5 不同聚合氯化铝添加量下煤泥水沉降效果

由图3—图5可以看出，分别使用PFS、PAS和PAC后，煤泥水依次在40、30、9min基本沉降完成。通过对各自上清液浊度进行对比，PFS、PAS对煤泥水的沉降效果不理想。添加PAC后，煤泥上清液浊度相比于前两种明显降低，说明PAC对于煤泥水中细微颗粒作用效果更为显著。由图3(a)可知，随着PAC用量的增加，相同作用时间下煤泥水上清液高度均有所下降。当PAC用量为3～15mL时煤泥水上清液高度下降明显，继续添加PAC至25mL，同等时间下煤泥水上清液高度随着添加量的提升反而降低。由图3(b)可知，随着PAC用量的增加，同时间下煤泥水上清液浊度均有所下降。当PAC添加量为3～15mL时煤泥水上清液浊度下降明显，继续添加PAC至25mL，随着用量的增加，同等时间下煤泥水上清液浊度下降幅度较缓。综合考虑，选择处理效果较佳的PAC作为该煤泥水的凝聚剂，PAC用量为15mL(15kg/t)。

2.2.2 絮凝剂作用下的煤泥水沉降特性

目前，选煤厂进行煤泥水处理时多选用聚丙烯酰胺作为絮凝剂[19]，其为合成高分子絮凝剂，具有高效絮凝优势，在工业领域被广泛应用。聚丙烯酰胺可根据所携带电荷种类不同分为阳离子型、阴离子型、两性离子型和非离子型四种[20，21]。

选用800万分子量的阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子型(APAM)、两性离子型(ACPAM)和非离子型(NPAM)作为絮凝剂进行煤泥水沉降试验，考察该四种絮凝剂对煤泥水沉降效果的影响。试验条件为：煤泥水温度为15℃，煤泥水浓度为40g/L，pH值为7.8，絮凝剂用量为0.5～ 4mL，试验结果如图6所示。

图6 不同种类絮凝剂试验结果

由图6可知，CPAM、ACPAM、NPAM及APAM四类絮凝剂作用下煤泥水最快沉降速度分别为1.13、0.97、1.06和0.63cm/s，表明添加任何一种絮凝剂在加快煤泥水沉降方面均优于添加PAC，其中CPAM作用下煤泥水的沉降速度最快。在煤泥水沉降后的絮团高度方面，随着四种絮凝剂加药量的提升，煤泥水的絮团高度均有所增高，CPAM、ACPAM、NPAM及APAM作用后煤泥水沉降的最低絮团高度分别为2.9、2.6、3.3和2.6cm。在上清液浊度方面，在絮凝剂用量为0.5～4mL范围内，CPAM、ACPAM、NPAM及APAM的最低上清液浊度分别为170.9、188.47、193.69和200.19NTU。综合对比，CPAM作用下煤泥水沉降综合指标最高，达到0.49cm/(s·NTU)，絮凝沉降效果相对最好，NPAM次之，APAM最差。

2.2.3 凝聚剂与絮凝剂联合作用下的煤泥水沉降特性

根据上述试验结果可知，添加凝聚剂PAC时煤泥水絮凝沉降后上清液浊度降低明显，但沉降时间仍然较高。添加絮凝剂CPAM对沉降效率有所提高，但煤泥水综合指标不高，沉降效果不理想。为了进一步提高煤泥水沉降效果，对PAC和CPAM的联合使用效果进行研究。

试验条件：在煤泥水温度为15℃，煤泥水浓度为40g/L，pH为7.8，PAC的用量5～15mL，CPAM的用量为1～3mL，考察不同用量的PAC和NPAM对煤泥水絮凝沉降效果的影响。结果如图7所示。

图7 PAC与CPAM联合作用下的试验结果

由图7可知，当添加CPAM 2mL(150g/t)，PAC 10mL(10kg/t)时，煤泥水沉降效果最好。 对比添加单一混凝剂的沉降效果，PAC与CPAM联合使用时，煤泥水沉降效果显著提升。虽然二者联合使用时沉降速度由1.13cm/s降低至0.65cm/s，但是煤泥水絮团高度、上清液浊度均有明显下降，絮团高度由3.7cm下降至3.57cm，上清液浊度由170.9NTU下降至44.26NTU，综合指标可由0.49cm/(s·NTU)提升至1.26cm/(s·NTU)。

对PAC、CPAM和PAC+CPAM最优用量条件作用下的煤泥水进行Zeta电位测试，结果分别为-23.52、-25.27和-18.79mV。这表明煤泥水在加入PAC、CPAM或PAC+CPAM时均可以显著降低固液界面的电动电位，致使煤泥颗粒之间静电斥力显著降低，进而促使煤泥颗粒脱稳沉降，使上清液浊度降低。PAC与CPAM联合作用下煤泥水Zeta电位绝对值最小，因此其混凝沉降效果最好。

3 结 论

1)宁东枣泉选煤厂煤泥性质研究表明，煤泥空气干燥基灰分高达46.15%，煤泥中含有一定量的高岭石和蒙脱石，易泥化；煤泥中含有较多的含氧官能团，接触角为49°，该煤泥具有一定的亲水性；煤泥水的pH值为7.8，Zeta电位为-32.47mV，表明煤泥颗粒之间存在较大的静电斥力，稳定地分散于煤泥水中，难以沉降。

2)凝聚剂和絮凝剂作用下煤泥水沉降试验结果表明，单独使用凝聚剂时，PAC对煤泥水沉降效果优于PAS和PFS，PAC最佳用量为15kg/t；单独使用絮凝剂时，CPAM处理煤泥水的综合指标优于APAM、ACPAM和NPAM，CPAM最佳用量为150g/t。

3)凝聚剂PAC与絮凝剂CPAM联合作用时，综合指标进一步提高，表明煤泥水沉降效果显著改善；当CPAM用量为150g/t和PAC用量为10kg/t时，煤泥水的沉降效果最好，具体指标为：沉降速度为0.65cm/s，上清液浊度为44.26NTU，絮团高度为3.57cm，综合指标为1.26cm/(s·NTU)。