煤泥壓濾中助濾劑的應用研究

王 健 馬 偉 田 晉 許文科 謝廣元 彭耀麗 胡鵬飛

(1.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西省晉城市，048000；2.山西神悅節能技術有限責任公司，山西省晉城市，048000；3.山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司選煤廠，山西省晉城市，048000；4.中國礦業大學化工學院，江蘇省徐州市，221116)

浮選尾煤進行脫水處理是實現選煤廠內煤泥水閉路循環的重要環節，這有益于保護環境、提高經濟效益。由于浮選尾煤具有粒度細、粘度大以及黏土礦物多等特點，導致煤泥壓濾環節壓濾速率低，影響企業正常的生產。同時，較高的濾餅水分會造成水資源浪費、運輸成本增加、儲運難度大、熱值下降。在煤泥壓濾的過程中，采用添加助濾劑的方法可以在不改變現有工藝及設備的前提下改善壓濾效果，具有簡單、快捷、成本低、見效快的優勢，因而受到了廣泛的研究與應用。

目前，按其作用特征主要分為無機鹽、高分子絮凝劑和表面活性劑這3類煤用助濾劑。郝亞洲等研究人員在新集一礦選煤廠助濾劑的選擇與應用中采用了CaCl2與PAM復配使用的加藥制度，大大提高了壓濾速度；羅曉玲等研究人員對比了十二烷基苯磺酸鈉、咪唑啉兩種表面活性劑對煤泥的助濾作用；Naureen Alam 等研究表明最佳的絮凝劑用量能提高壓濾速度，但過大的絮團不利于脫水，而且使濾餅水分升高。

由于各選煤廠的煤泥水性質不同，尋找到針對性更好的助濾劑對提高壓濾效率意義重大。本研究通過不同類型助濾劑的實驗室與工業試驗，探尋適宜于趙莊選煤廠煤泥壓濾的助濾劑以提高壓濾機的處理能力，降低濾餅水分。

1 試驗樣品與試驗方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品取自趙莊選煤廠濃縮機底流，濃度為 500 g/L，通過小篩分對濃縮機底流的粒度組成進行分析，濃縮機底流小篩分試驗結果見表1。采用布魯克XRD-S8對濃縮機底流進行分析，其結果如圖1所示。

表1 濃縮機底流小篩分試驗結果

由表1可以看出，濃縮機底流中-0.045 mm粒級占63.74%，灰分為32.19%。

由圖1可以看出，其中主要的礦物成分為石英和高嶺土。

1.2 實驗室抽濾試驗方法

實驗室試驗中，先在燒杯內加入80 mL礦漿，添加一定量的助濾劑后攪拌均勻，倒入布氏漏斗中，打開真空泵進行抽濾并計時，當布氏漏斗下方10 s內無濾液滴落時，抽濾結束，記錄抽濾時間，測量濾餅水分。 試驗中使用的助濾劑包括FM-1、5445-1、1000-3和聚合氯化鋁。

圖1 濃縮機底流樣品的XRD分析圖譜

1.3 煤泥絮凝體分形維數計算

在燒杯中取100 mL的濃縮機底流，添加助濾劑后攪拌均勻，用注射器吸取少量的礦漿置于載玻片上，在偏光顯微鏡下觀察，拍照。使用軟件ImageJ對照片進行二值化處理，并提取凝聚體的投影面積與最大長度進行分形維數計算。本研究中采用英國學者J.Gregory提出的分型維數求解方法。絮凝體的投影面積S與最大長度L滿足關系式見式(1)：

S=αLDf

(1)

式中：Df——絮凝體的分形維數；

α——比例常數。

對此關系式進行變換可得出LnS=DfLnL+Lnα。從此關系式可以看出，lnS與lnL有線性關系，Df是直線的斜率。

1.4 工業試驗

工業試驗過程中使用藥劑攪拌桶對助濾劑進行溶解，然后采用藥劑泵添加至濃縮機底流入料管道出口處，使進入煤泥桶的礦漿與藥劑有一定的混合時間。記錄同一臺壓濾機，在添加兩種藥劑及空白條件下的上料時間。因為當壓濾入料越容易脫水，壓濾機的上料時間越短。工業試驗原理如圖2所示。

2 結果與討論

2.1 實驗室試驗

在濃縮機底流中添加不同種類的助濾劑進行抽濾試驗，各助濾劑添加量對抽濾時間影響的結果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖2 工業試驗原理

圖3 FM-1助濾試驗結果

圖4 聚合氯化鋁助濾試驗結果

圖5 5445-1助濾試驗結果

由圖3、圖4、圖5和圖6可以看出，隨著助濾劑用量的增加，抽濾時間不斷減少，最終減少幅度趨于平緩。對于本試驗中使用的濃縮機底流而言，FM-1藥劑的效果最好，抽濾時間由空白試驗的382 s降低到了藥劑用量為500 g/t時的170 s，在藥劑用量為300 g/t時抽濾時間就能降低到203 s；聚合氯化鋁效果次之，抽濾時間由空白試驗的382 s降低到了藥劑用量為1750 g/t時的205 s。

圖6 1000-3助濾試驗結果

2.2 分形維數分析

絮凝體的結構對過濾特性有顯著影響。在添加助濾劑后，煤泥形成的絮凝體結構具有自相似性和標度不變性，可以使用分形維數來準確描述和定量分析其結構。因此，可通過分形維數這一新視角對助濾劑的添加量進行優化。添加不同用量的FM-1藥劑后，煤泥絮凝體的形貌照片及分形維數如圖7、圖8、圖9和圖10所示。

圖7 FM-1添加量50 g/t時煤泥絮凝體照片及分形維數

圖8 FM-1添加量100 g/t時煤泥絮凝體照片及分形維數

圖9 FM-1添加量300 g/t時煤泥絮凝體照片 及分形維數

由圖7、圖8、圖9和圖10的煤泥絮凝體照片可以看出，隨著FM-1藥劑添加量的增加，絮凝體越來越大，絮凝體形狀越來越接近圓形。絮凝體的分形維數Df也隨著藥劑用量的增加不斷升高，說明絮凝體結構從疏松逐漸變得緊密，而緊密的絮凝體結構是有益于脫水的。當藥劑添加量為300 g/t時，Df為1.91，相比于50 g/t藥劑添加量時的1.73，Df值有明顯的升高；當繼續增加藥劑用量至500 g/t，Df為1.97，Df值上升得很少，這說明300 g/t的FM-1藥劑添加量是比較合適的，添加過多的藥劑不能進一步優化絮凝體的結構。這與實驗室抽濾試驗結果是一致的。

2.3 工業試驗

根據實驗室試驗結果，選取FM-1和聚合氯化鋁這2種藥劑在趙莊選煤廠進行了工業試驗。根據實驗室試驗，選取聚合氯化鋁用量為1750 g/t和FM-1用量為300 g/t進行工業試驗。各條件下均進行了多組試驗，為添加兩種藥劑及空白試驗壓濾機的上料時間見表2。

由表2可以看出，添加聚合氯化鋁和FM-1均能有效縮短壓濾機的上料時間。添加1750 g/t的聚合氯化鋁，壓濾機上料時間從不加藥的643 s減少到550 s；添加300 g/t的FM-1，壓濾機上料時間從不加藥的643 s減少到430 s。對比2種助濾劑，可以看出FM-1的助濾效果更好，能大幅提高壓濾機的處理能力。此外，在此藥劑用量下，FM-1的用量約為聚合氯化鋁用量的1/6，能大幅降低加藥環節的工作量。

表2 各條件下的壓濾機上料時間

3 結論

(1)實驗室抽濾試驗表明，選取的幾種助濾劑中，對于趙莊選煤廠濃縮機底流FM-1藥劑的助濾效果最好，聚合氯化鋁次之。

(2)隨著FM-1藥劑添加量的增加，絮凝體分形維數不斷增加，絮凝體結構變得緊密，有利于過濾脫水。使用分形維數對藥劑用量進行優化的結果與實驗室過濾試驗結果相一致。

(3)工業試驗表明FM-1助濾劑提高了現場的壓濾效果，提高了生產能力且能大幅降低加藥環節的工作量。