電場強化難沉降煤泥水處理的研究

李文成,李明明,2

(1.黑龍江科技大學 礦業工程學院,黑龍江 哈爾濱 150022;2.山西工學院 能源產業學院,山西 朔州 036000)

隨著細粒級煤泥的產量和灰分越來越高,導致煤泥水自然沉降不僅速度慢,而且效果差。煤泥水的處理成為了選煤廠難度最大和投入最多的環節之一[1-3],因此強化煤泥水沉降成了近年來的熱點話題。

電場強化煤泥水沉降是一種處理煤泥水的新技術,一些學者在此方面取得了一定的研究成果。陳洪硯等[4]用小型通電試驗裝置應用于煤泥水沉降,發現電絮凝可以強化難以自然沉降的微粒級礦物。陳帥[5]運用通電裝置強化煤泥水沉降,上清液透過率和初始沉降速度都會得到改善。Yoshida等[6]將膨潤土懸浮液使用電泳技術處理,使其變得澄清。在此基礎上,Lockhart等[7]對粘土礦物的懸浮液和尾礦同樣使用電泳技術處理,得到了相同的效果。除上述文獻外,還有報道指出[8-11]通過外加電場的方式可以明顯提高煤泥水的沉降效果。綜上所述,學者們對于電場強化煤泥水沉降都給予了肯定,然而圍繞著電場參數展開深度探討的報道較少。因此本文以寧東低階煤為試樣,首先采用單因素法對外加電場的參數進行試驗,分析參數對煤泥水沉降的影響;而后利用響應面法對條件優化,得到試驗的最佳條件。研究成果以期能夠為難沉降煤泥水的處理提供參考依據。

1 試驗部分

1.1 煤樣性質

本文選取寧東某選煤廠的煤泥為研究對象。煤樣灰分46.15%,表明樣品中矸石含量大。樣品中含有10.37%的SiO2和8.56%的Al2O3是其主要化學組分,相應的其他脈石礦物成分為高嶺石、蒙脫石、石英,化學多元素分析和物相分析見表1和圖1.

圖1 煤泥的X-射線衍射圖

表1 化學多元素分析

將煤樣配制成5種不同質量濃度(10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L)的煤泥水,充分混合后沉降8 h,在6 h左右各濃度煤泥水均沉淀完全,在試驗過程中仍然可見上層清液較為渾濁,煤泥水沉降效果綜合指標均小于0.5,結合煤樣灰分較高,含有較多粘土礦物可知,該煤泥水為難沉降煤泥水。

1.2 儀 器

試驗所用的儀器有外加電場的煤泥水沉降裝置、X射線熒光光譜儀、X射線衍射儀、馬弗爐等。

外加電場的煤泥水沉降裝置如圖2所示,該裝置的主體為一個標有刻度為1 000 mL的有機玻璃筒,配有電源、電極夾和不銹鋼電極且電極面積20.25 cm2.

圖2 外加電場的煤泥水沉降裝置

1.3 試驗方法及評價指標

將溫度15 ℃和質量濃度40 g/L的煤泥水放入外加電場的煤泥水沉降裝置中,調整好參數并接通電源,記錄沉降速度、絮團高度和上清液濁度。采用綜合指標做煤泥水沉降效果的評價指標,如公式 (1) 和公式 (2)所示[12]。

(1)

(2)

式中:H0為量筒中1 000 mL煤泥水的高度,取25.5 cm;H1為煤泥水沉降后的絮團高度,cm.

2 結果與討論

2.1 電解質種類對煤泥水沉降效果的影響

因煤泥水中含有電解質的量較少導致其整體的電導率過低,這樣不僅會增加電極的消耗,而且還會降低絮凝效果。因此需要補加電解質來強化煤泥水沉降的效果。常見的電解質化合價為+1、+2、+3價的鹽酸鹽類化合物,因此本試驗采用的3種電解質為NaCl、CaCl2、AlCl3.

固定電流1.2 A,通電20 min,pH值7.8,考察電解質種類對煤泥水沉降效的影響,結果如圖3所示。

圖3 電解質影響煤泥水沉降的規律曲線

由圖3可知,隨著3種電解質投加量的增加,煤泥水沉降效果的綜合指標均呈現先增加后降低的趨勢;電解質NaCl的最佳投放量為0.8 g,綜合指標為1.12;電解質CaCl2的最佳投放量為0.6 g,綜合指標為1.23;電解質AlCl3的最佳投放量為0.4 g,綜合指標為1.15.曲線呈現這種趨勢的原因是煤顆粒表面荷負電,加入少量電解質時,其由于膠體顆粒的負電性呈現分散狀態,形成穩定的膠體體系;隨著電解質的加入顆粒表面電位降低,碰撞概率增高,導致其脫穩、凝聚;隨著陽離子含量不斷升高,使礦漿中的顆粒重新回到分散狀態。

綜上所述,3種電解質的最佳效果為:CaCl2> AlCl3>NaCl,電解質CaCl2的沉降效果最佳,最佳的投加量為0.6 g;CaCl2的沉淀效果最佳可能是由于Na+的吸附機理為靜電吸附,Al3+在靜電吸附的基礎上還可能有羥基絡合吸附,而Ca2+在吸附機理上要復雜得多,除靜電吸附外,還會有一羥基絡合吸附和沉淀吸附,與水分子結合生成特殊結構的多面體絡合物會降低顆粒表面的自由能,使其更易于凝聚。

2.2 電流強度對煤泥水沉降效果的影響

固定CaCl20.6 g,通電20 min,pH值7.8,考察電流強度(1.0 A、1.2 A、1.4 A、1.6 A、1.8 A)對煤泥水沉降的影響。試驗結果如圖4所示。

圖4 電流強度影響煤泥水沉降的規律曲線

由圖4可知,煤泥水沉降效果的綜合指標隨著電流的增大先急劇增加后緩慢降低;當電流為1.2 A時,效果最佳,綜合指標可達1.05.這是因為隨著電流的增大溶液中的Fe3+增多導致煤顆粒凝聚,但是過大的電流會導致電極板迅速鈍化從而降低電極板的溶解速率,致使電中和作用緩慢導致電絮凝效果下降。在電流為1.2 A時為臨界點,即1.2 A為飽和電解電流[13]。

2.3 通電時間對煤泥水沉降效果的影響

固定CaCl20.6 g,電流1.2 A,pH值7.8.考察通電時間(5 min、10 min、15 min、20 min、25 min)對煤泥水沉降效果的綜合指標的影響,試驗結果如圖5所示。

圖5 通電時間影響煤泥水沉降的規律曲線

由圖5可知,煤泥水沉降效果的綜合指標隨著通電時間的增加呈現逐漸增大的趨勢,具體的變化為10 min前增速緩慢,10～20 min急速增加,20 min后增速逐漸下降。這是因為通電時間越長,陽極的消耗越大,導致溶液中的Fe3+越多,顆粒與顆粒之間的電荷越少從而越易于沉降。綜合考慮通電時間選擇20 min,綜合指標為0.77.

2.4 pH值對煤泥水沉降效果的影響

固定CaCl20.6 g,通電20 min,電流1.2 A.考察pH值(4、5、6、7.8、8、9、10)對煤泥水沉降的影響,試驗結果如圖6所示。

圖6 pH值影響煤泥水沉降的規律曲線

由圖6可知,煤泥水沉降效果的綜合指標隨著pH值的增大先升高后降低,在堿性條件下,綜合指標發生快速升高;當pH=9時,煤泥水沉降效果的綜合指標最大,最大值為1.00.可能是隨著溶液中OH-的含量增高,Ca2+與陽極電解的Fe3+生成微溶沉淀將顆粒黏附導致沉降速度加快,致使綜合指標上升;隨著OH-含量越來越高,溶液中顆粒間的斥力占據主導作用導致顆粒穩定懸浮于上清液中,致使綜合指標降低。

2.5 煤泥水沉降的響應面條件優化

在上述試驗條件的基礎上,固定CaCl20.6 g,考察電流大小、通電時間、煤泥水pH值對煤泥水沉降效果的綜合指標的影響,使用Design-Expert 8.0.6.1軟件[14-15]中BBD模塊設計優化試驗,試驗設計如表2和表3所示,結果如圖7和表4所示。

圖7 各因素交互作用對綜合指標的影響趨勢圖

表2 響應面分析因素與水平

表3 響應面分析方案與試驗結果

表4 響應面試驗方差分析

由表3和表4可知,P值<0.000 1,表明該模型是顯著的;AB、AC、BC的F值分別為12.19、14.17、24.23,表明各因素之間都有著較強的交互作用;失擬項為0.282 0>0.05,表明模型無失擬。通過計算可得多項二次回歸方程:Y=1.22+0.063A+0.082B+0.017C-0.041AB+0.033AC+0.043BC-0.15A2-0.078B2-0.051C2.

由圖7可知,各因素的響應曲面的坡度都很大,等高線圖中的輪廓均呈現橢圓形。響應曲面的坡度越大,證明兩因素對綜合指標的影響越顯著;等高線圖中的輪廓越橢圓,證明兩因素的交互作用越強。因此,各因素對綜合指標的影響均比較顯著,而且3個因素中兩兩之間均存在顯著的交互作用,交互作用的大小順序為:BC>AC>AB.

2.6 煤泥水沉降的條件驗證試驗

軟件優化后的結果如表5所示,考慮到實驗條件的設計,對優化后的條件進行了細微調整并進行了驗證試驗。優化前試驗得到的綜合指標為1.32,優化后試驗得到的綜合指標為1.33,兩者結合幾乎沒有差別,說明響應面法優化法對本次試驗可行。

表5 驗證性試驗條件與結果

3 結 語

1) 在單因素試驗的基礎上,通過響應面法優化電流強度、pH值和通電時間3個變量因素與響應值煤泥水沉降效果的綜合指標進行回歸擬合,得到P值<0.000 1,證明該模型較為顯著。

2) 3個變量對響應值影響的主效應關系由小到大是:通電時間>電流大小>pH值;兩兩交互作用大小為:通電時間和pH>電流強度和pH>電流強度和通電時間。

3) 在響應面優化工藝條件下,煤泥水沉降效果的綜合指標為1.32,接近理論值1.33,證明該方法切實可行。