无机盐类助滤剂在煤泥压滤中的应用研究
时间：2023-05-14 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 清洁利用 ★
无机盐类助滤剂在煤泥压滤中的应用研究
0 引言
随着采煤工艺流程的不断完善与大型化机械设备的发展，井下采煤作业不断深入，而井下煤层的厚度减小、地质条件变化、断层严重，导致在原煤开采时混入大量的顶底板泥岩，致使原煤中脉石矿物含量大幅增加[1-3]，在选煤过程中，机械化生产导致的过粉碎等现象导致煤泥量增多，泥化现象严重[4-5]。这不仅不符合绿色生产标准，还使压滤机的处理能力明显降低，滤饼水分也明显升高，此类情况的不断出现给煤炭的清洁生产带来很大困难，已成为选煤生产中的一个关键瓶颈问题[6-7]。煤泥压滤脱水是煤泥水处理工艺中的关键一环，对煤泥产品以及选煤工艺循环用水的质量影响至关重要[8-9]。另外，煤泥量的增加也对生态环境造成严重污染，因此有效改善细粒煤泥的分选及选煤工艺用水的循环利用问题，对选煤企业实现高效益、高环保生产具有十分重要的意义。
当煤泥水中含有大量高灰、细粒煤泥时，煤泥颗粒表面会带有较强的负电荷，颗粒之间很难聚集，导致压滤循环时间变长，滤饼水分增高，使得煤泥的压滤处理变得非常困难[10-12]。而助滤剂能够在不改动现有工艺流程的前提下，有效改善物料性质、提高压滤效率并降低滤饼水分，这是解决压滤困难、完善煤泥水系统、增加经济效益的途径之一[13-17]。然而，药剂的不合理使用也可能会造成药剂的浪费，已有研究表明，过多的助滤剂添加也会导致助滤效果下降，从而增加企业成本。因此，选用合适的助滤剂种类及用量至关重要[18-20]。研究表明，无机盐类助滤剂在矿浆中使用会在解离作用下产生大量离子，其对颗粒的电性具有中和作用，减小了其分散斥力，减弱了水分子与矿物颗粒之间的作用力，增大絮团粒径，降低滤饼松散性，从而更易于脱水，其在降低滤饼水分和提高过滤速度上均显现出较大优势[21-23]。且该方法具有简单方便、投资少、见效快、节约能耗等优点，符合我国现阶段节能降耗的基本政策[24-25]。
笔者针对安徽省两淮地区的煤泥进行了系统分析，并使用无机盐类助滤剂进行了过滤脱水试验研究和工艺性试验，旨在优选无机盐类助滤剂的种类与用量，以期为选煤厂煤泥脱水药剂的使用提供参考。
1 煤泥特性分析
对压滤入料的主要矿物成分、粒度组成等特性进行分析研究，全面掌握细粒煤泥的特性，可以为筛选最优药剂制度，提高细粒煤泥压滤效果提供可靠的理论依据，进而达到提高细粒煤泥压滤效率、降低滤饼水分的目的。本研究使用的原料选用两淮地区淮南矿业集团选煤分公司顾桥选煤厂(以下简称“顾桥选煤厂”)选煤厂二段浓缩机底流的矿浆进行压滤试验回收煤泥，煤泥粒度为-0.3 mm，矿浆浓度为400 g/L。
1.1 矿物组成分析
对试验煤样采用X射线衍射仪(日本岛津XRD-6000)进行了检测，并使用Jade软件对试验结果进行矿物组成分析，煤样XRD分析如图1所示。
图1 煤样XRD分析
由图1可以看出，压滤入料矿浆中主要矿物成分包含石英、高岭石与绿泥石。其中石英与高岭石具有较高的衍射峰强度，表明在煤样中含有较多且晶体较纯的石英和高岭石矿物；而绿泥石的衍射强度弱且衍射峰较宽，表明其含量较少。研究表明，石英在矿浆中较宽的pH范围内都表现为强亲水性，因此石英微细颗粒表面水化膜的作用较强，导致微细颗粒聚集困难、压滤速度降低、滤饼水分增大[26]。而高岭石这类黏土矿物由于其润湿热值高以及其会在煤粒表面发生罩盖现象，导致煤泥的吸水性增强，水分难以脱除[27]。
1.2 粒度分析
对压滤入料煤泥的粒度组成根据《煤粉筛分试验方法》(GB/T19093-2003)进行了小筛分试验分析，结果见表1。
表1 煤泥小筛分试验结果
粒度/mm产率/%灰分/%+0.1254.3738.790.125～0.0758.3049.880.074～0.0457.2333.76-0.04580.1054.14
对-0.045 mm的筛分煤样使用的激光粒度分析仪(岛津SALD-7101型)进行粒度分析，分析结果如图2所示。
图2 -0.045 mm粒级煤泥激光粒度分析
由表1与图2的试验结果可知，-0.045 mm级别的细粒级颗粒含量高达80.10%，煤样的粒度主要分布在5×10-3～3×10-2 mm范围内，且煤泥灰分较高，属高灰微细粒级煤泥。在煤泥中，小粒度颗粒形成的滤饼孔隙率较小，增加了过滤阻力，进而导致其渗透性变差，压滤效果不理想[28]。而细粒物料的比表面积较大，因此其形成水化膜更容易，滤饼的水分更高。形成的滤饼还会粘附在滤布上，甚至堵塞入料中心孔。因此，在过滤如料中加入适当的药剂可以促使矿浆中产生絮团，进而增大粒度有效提高压滤效果。
1.3 荷电特性分析
采用Zeta probe仪对压滤入料煤泥水的电导率与ξ电位进行分析测定得出，试验用煤泥的电导率大于2 ms/cm，ξ电位小于-65 mV，这导致煤泥颗粒与颗粒之间具有较大的静电斥力，从而难以聚集成大颗粒。
综上所述，本研究中选用的煤样由于灰分高、粒径小、荷电性强而导致煤泥含有较高的水分，难以很好的从煤泥产品中脱除，因此为提高煤泥压滤效率、降低滤饼水分，需加入助滤剂以强化压滤过程。
2 药剂优化试验
2.1 试验材料
本研究中选用试剂级氯化钙、聚氯化铝、硫酸铝、硫酸铁铝、明矾作为无机助滤剂加入压滤入料中进行对比试验，试验药剂及性质见表2。
表2 试验药剂及性质
药剂名称化学式分子量水溶性外观氯化钙CaCl2110.98易溶于水白色颗粒或粉末聚氯化铝[Al2(OH)nCl6-n]m-易溶于水黄色或灰色固体硫酸铝Al2(SO4)3342.15可溶白色结晶性粉末硫酸铁铝[Al(OH)nSO4]m[Fe2(OH)nSO4]m-可溶液体明矾KAl (SO4)2·12H2O474.39可溶无色立方晶体
2.2 试验装置
本研究在实验室使用布滤纸、氏漏斗、锥形玻璃瓶、皮管及真空泵组成简易抽滤装置，试验在室温(25±1 ℃)下进行，每次试验抽滤的真空度保持不变，实验室过滤装置如图3所示。
图3 实验室过滤装置
2.3 试验步骤
(1)助滤剂的配制。在500 mL烧杯中加入预先计算称量好的助滤剂和300 mL水，使用磁力搅拌器进行搅拌，直至助滤剂完全溶解。
(2)抽滤试验。将煤样量取100 mL至烧杯中，使用注射器将助滤剂一次性加入煤泥水中。用玻璃棒进行搅拌，使煤泥水与药剂充分接触。将加药后的煤泥水倒入真空过滤器的布氏漏斗中，开启真空过滤器并开始计时。当漏斗下的滤液量达到90 mL时关闭真空过滤器，记录过滤所用时间。取出布氏漏斗中的滤饼，对干滤饼称重并计算滤饼水分，以评定过滤效果。每种助滤剂进行5次平行试验并对试验结果求平均值以减小误差，同时设置空白组进行对照。
3 结果与讨论
3.1 无机盐助滤剂种类对过滤时间的影响
对5种无机盐助滤剂对煤泥过滤的过滤时间进行记录，分析结果如图4所示。
图4 助滤剂用量对过滤时间的影响
由图4可以看出，在不添加助滤剂时，过滤时间为20.83 min。选用的5种无机盐类助滤剂对过滤速度的提高都有较好的效果，随着助滤剂用量的增加，过滤时间不断减少。各助滤剂在用量达到900 g/m3后，与不加助滤剂的空白试验相比都能降低过滤时间40%以上，均可满足生产需要。且过滤时间满足硫酸铁铝>明矾>氯化钙>硫酸铝>聚氯化铝的关系，因此聚氯化铝对于提升过滤速度的效果最好。
3.2 无机盐助滤剂种类对滤饼水分的影响
对煤泥水不添加助滤剂，即药剂用量为0时的试验数据可知，滤饼全水分为35.56%。煤泥水中各种助滤剂用量均为900 g/m3时都已满足生产需要，因此对添加不同无机盐助滤剂用量为900 g/m3的滤饼水分进行对比分析如图5所示。
由图5可以看出，在煤泥水中使用聚氯化铝为助滤剂时，滤饼的水分最低，为30.15%。综合考虑药剂成本与过滤效果可知，使用聚氯化铝对于提升过滤速度的效果最好，在助滤剂添加量为900 g/m3时，煤泥脱水时间比空白组方案减少8.43 min，煤泥含水率减少5.14%。因此，建议选择的助滤剂为聚氯化铝。
图5 使用不同种类助滤剂时滤饼的水分
3.3 过滤效果验证
对添加不同助滤剂后的滤饼断面使用S-3000N型扫描电镜(SEM)在80倍放大倍率下进行观察记录，扫描电镜图像如图6所示。
由图6可以看出，当不添加助滤剂进行过滤时，煤泥的细小颗粒紧密粘在一起，滤饼内的孔隙小、孔隙度低，形成的滤饼紧密，不利于水分的滤除。对比分析可知，添加无机盐类助滤剂，对形成含有颗粒絮团的结构具有明显的作用，不同助滤剂的效果具有显著区别。滤饼的结构与含水率形成了良好的对应，在添加硫酸铝与硫酸铁铝作为助滤剂时，产生的滤饼断面结构孔隙度较低，滤饼较为紧密，过滤效果一般。添加明矾与氯化钙时，絮团尺寸较大，形成了比较多的孔隙与裂缝，表明其对于煤泥水具有较好的助滤作用，而加入聚氯化铝助滤剂的滤饼断面结构非常疏松，且具有大量的裂痕，孔隙度很高，形成了大量的絮团。有效地降低了过滤阻力，水分滤除很容易，助滤效果最为明显。
图6 添加不同助滤剂后滤饼的SEM图像
煤泥滤饼横断面的扫描电镜结果对添加助滤剂后的过滤时间和滤饼水分进行了较好的验证，其中聚氯化铝是最有效的无机盐类助滤剂。
3.4 工业试验研究
顾桥选煤厂在工艺改造前只通过在浓缩机来料处添加聚丙烯酰胺作为絮凝剂进行浓缩后压滤。工艺改造前聚丙烯酰胺用量为40 g/cm3，压滤入料浓度为400 g/L，经充分压滤后用时90 min，测得滤饼的全水分为33.5%。在实验室试验的基础上，选择适当的助滤剂，并结合阴离子型聚丙烯酰胺，在顾桥选煤厂压滤车间的景津2000型压滤机上进行提高高灰细粒煤泥压滤速度的现场工业试验，该压滤机的过滤压力为0.5～0.8 MPa，矿浆中煤泥水浓度为400 g/L。根据实验室试验添加助滤剂抽滤试验结果，选用5种无机盐类助滤剂进行改造前的工业试验。为准确记录压滤时间，选用选煤厂压滤试验方法进行测算。在压滤过程中用烧杯量取压滤机第3和第4块滤板左侧滤液管中流出的滤液，当30 s内流出的滤液体积低于500 mL时，标志着压滤结束，此时记录压滤时间。
在浓缩机底流矿浆中加入适量的煤泥水对应所需量的助滤剂，使用不同助滤剂时的工业试验结果如图7所示，不同聚氯化铝用量及与絮凝剂复配情况下的压滤试验结果见表3。
图7 现场不同助滤剂添加的工业试验效果
由图7和表3可以看出，选煤厂压滤试验结果与实验室结果高度吻合。5种无机盐类助滤剂中，聚氯化铝效果最佳，并且随着聚氯化铝用量的增加，压滤效果有一定的改善。在用量为900 g/m3时，压滤时间从空白试验的96 min减少到88 min。虽然压滤速度有一定的提高，滤饼水分也有下降，但效果不太明显。而在复配聚丙烯酰胺絮凝剂(用量为40 g/m3)的共同作用下，压滤的效率更高，且滤饼水分更低。最少压滤时间为81 min，比原加药方式降低了9 min，比空白试验降低14 min，滤饼水分降低为29.8%。
表3 不同聚氯化铝用量及与絮凝剂复配情况下压滤的工业试验结果
聚氯化铝用量/(g·m-3)压滤时间/min滤饼全水分/%09033.14508832.29008129.91 3508129.8
4 结论
(1)两淮地区的煤泥压滤入料中含有大量的高灰细粒煤泥，煤泥颗粒表面具有荷电性，导致了煤泥颗粒之间斥力大，进而会对过滤脱水产生不利影响。因此，通过无机盐助滤剂进行煤泥界面电性调整对于煤泥脱水具有积极的指导意义。
(2)通过在实验室实验中合理添加助滤剂，可有效地改善压滤物料的性质，提高压滤效率，降低产品水分。通过综合考虑药剂成本及过滤效果可知，使用聚氯化铝作为无机助滤剂对于提升过滤速度的效果最好，煤泥的压滤循环时间比空白试验减少8.43 min，煤泥含水率减少5.14%，滤饼的松散度最好，助滤效果显著。
(3)在工业试验中，通过添加助滤剂对于压滤效果具有较好的改善作用，在聚氯化铝效助滤剂用量为900 g/m3，并与聚丙烯酰胺复配后，压滤时间空白试验相比减少了14 min，滤饼水分降低29.8%。
[1] 卜学制，陆空重，李润楠，等.色连二矿选煤厂粗煤泥提质及煤泥减量化探讨[J].煤炭工程，2020，52(S1): 114-117.
[2] 高银贵，周伟，朱文亮，等.煤泥无量化洗选工艺关键技术研究与实践[J].选煤技术，2021(6): 29-34.
[3] 李孟婷.水质和药剂制度对煤泥水沉降的影响[D].淮南:安徽理工大学，2013.
[4] 贾怀军，董连平，李志红，等.全入洗动力煤选煤厂煤泥降灰技术研究[J].煤炭工程，2019，51(3): 83-86.
[5] 李宁涛.煤泥减量提质技术研究与应用[J].洁净煤技术，2021，27(S1): 35-38.
[6] 郭冬梅，廖祥国，阎志刚.天宏选煤厂粗煤泥回收工艺优化研究[J].煤炭工程，2020，52(10): 71-74.
[7] 李鹏波，申迎松，赵维英，等.王坡选煤厂粗煤泥回收工艺优化研究[J].煤炭工程，2019，51(S1): 17-19.
[8] 胡金良.哈尔乌素选煤厂压滤智能化方案研究[J].煤炭工程，2021，53(S1): 60-64.
[9] 黄文辉，武彦，刘利波，等.选煤厂煤泥压滤脱水研究[J].中国煤炭，2020，46(2): 77-80.
[10] 李毅红.含高岭石煤泥水沉降试验研究[J].选煤技术，2020(5): 38-41.
[11] 李飞.煤泥水中固体颗粒表面电性研究[J].选煤技术，2019(4): 27-29，33.
[12] 胡鹏飞.高灰细粒煤泥压滤中助滤剂的研究[D].淮南：安徽理工大学，2015.
[13] 胡艳.助滤剂在煤泥压滤中影响因素的试验研究[J].煤矿现代化，2022，31(2): 62-64.
[14] 柴进，常艇，张锦龙，等.APAM分子量对难沉降煤泥水沉降特性和稳定性影响的研究[J].煤炭技术，2022，41(4): 212-215.
[15] 徐初阳，王少会，聂容春，等.煤泥压滤工艺中助滤剂的应用研究[J].煤炭科学技术，2004(1): 19-21，24.
[16] 于志龙，赵丽敏，刘艳凯，等.珍珠岩助滤剂纯化研究[J].冶金与材料，2021，41(5): 57-58.
[17] 张渊.新型助滤剂及弹性杆筛板在选煤厂的应用[J].煤炭工程，2019，51(S2): 134-136.
[18] 葛鹏.助滤剂在污泥过滤脱水中的作用综述[J].中国资源综合利用，2021，39(10): 135-137.
[19] 李晓强，任建宾，张东利.复合助滤剂在煤泥压滤中的研究与应用[J].山西化工，2021，41(3): 138-140.
[20] 祝学斌，刘刚.助滤剂在浮选精煤脱水中的研究与应用[J].煤炭技术，2015，34(8): 279-280.
[21] 颜阳，黄鲁华.无机盐与表面活性剂对细粒低阶煤脱水效果的影响[J].洁净煤技术，2020，26(6): 102-108.
[22] Kujawski W，Krajewski S R.Influence of inorganic salt on the effectiveness of liquid mixtures separation by pervaporation[J].Separation & Purification Technology，2007，57(3): 495-501.
[23] Rugang Y, Guancheng J, Longyun Y, et al.The effect of inorganic salt on the structure of filter cake of water based drilling fluid[J].Socar Proceedings, 2014(1): 30-38.
[24] 陈茹霞，樊玉萍，董宪姝，等.复合助滤剂对煤泥表面改性及滤饼结构的影响[J].中国矿业大学学报，2021，50(6): 1195-1203.
[25] 任伟鹏，董宪姝，魏文珑，等.选煤工业中常见助滤剂种类及其应用[J].中国煤炭，2009，35(4): 94-97.
[26] 黄缓缓，闵凡飞.疏水改性对微细石英颗粒过滤脱水特性的影响规律[J].煤炭技术，2019，38(10): 134-135.
[27] 陈茹霞，董宪姝，樊玉萍，等.高岭石对煤泥脱水效果的影响及机理研究[J].矿业研究与开发，2021，41(3): 108-112.
[28] 胡鹏飞，徐初阳，周欢欢，等.高灰细粒煤泥压滤中助滤剂的应用研究[J].中国煤炭，2014，40(2): 85-89.
Study on the application of inorganic salt filter aid in slime filtration
TAN Xingfu, LU Jun.Study on the application of inorganic salt filter aid in slime filtration[J].China Coal, 2023，49(2)：109-114.DOI: 10.19880/j.cnki.ccm.2023.02.014
- 相关推荐
