沉降研究論文：煤泥水沉降過程探究
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本文作者：王光輝1陳雪2匡亞莉1申迎松1作者單位：1中國礦業(yè)大學(xué)2賽鼎工程有限公司
單因素試驗(yàn)
本試驗(yàn)是為了研究在不同固體含量下達(dá)到最佳沉降效果的藥劑用量。在實(shí)際生產(chǎn)中煤泥水進(jìn)入濃縮機(jī)的固體含量在20～100g/t之間不等，這里煤泥水固體含量分別取20g/L，30g/L，40g/L，60g/L，80g/L，向其中添加100～1600mg/t的絮凝劑。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于不同固體含量的煤泥水來說當(dāng)藥劑用量在200～400g/t時沉降效果最佳，且煤泥水中的固體含量越低沉降效果越好。
2固體含量對煤泥水沉降的影響
在實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)生產(chǎn)條件惡化時，進(jìn)入濃縮機(jī)的煤泥水固體含量會大大增高，因此配置固體含量為20～200g/L的煤泥水進(jìn)行模擬惡化條件下的絮凝沉降試驗(yàn)，在單位絮凝劑用量相同的條件下進(jìn)行煤泥水沉降試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出在相同的入料粒度組成及水質(zhì)條件情況下，隨著煤泥水中固體含量的增大，綜合指標(biāo)呈對數(shù)規(guī)律減小，在煤泥水濃度為200g/L時，綜合指標(biāo)接近0，試驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)為沉降速度很慢，清水層厚度極小。
3水硬度對煤泥水沉降的影響
硬度的實(shí)質(zhì)是水中鈣鎂離子含量的體現(xiàn)，本試驗(yàn)用CaCl2做為Ca2+來源，根據(jù)我國水質(zhì)硬度等級標(biāo)準(zhǔn)，以蒸餾水做參比，配置5組代表不同硬度的煤泥水溶液，1～5號煤泥水硬度逐漸增大。配置10g/L的CaCl2溶液，按照不同硬度等級要求計(jì)算所需CaCl2溶液體積。試驗(yàn)選用100mL量筒進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)。取干煤泥4.0g，加入不同硬度等級的水配置成40g/L的煤泥水溶液，考察不同硬度條件下煤泥水沉降的規(guī)律。硬度與最佳藥劑量的關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出當(dāng)煤泥水中鈣離子含量小于100mg/L(14°DH)時，沉降所需的藥劑量急劇增大，煤泥水中鈣離子含量超過300mg/L(42°DH)后，沉降所需的藥劑量保持在200～300g/t。因此，在日常生產(chǎn)中應(yīng)保證煤泥水的硬度達(dá)到14°DH以上可以大大降低藥耗。硬度對不同固體含量的煤泥水的影響如圖2所示。從圖2可以看出固體含量在200g/L以下時受硬度影響比較大，當(dāng)固體含量超過200g/L后受硬度影響越來越小，也就是說當(dāng)固體含量大于200g/L后依靠絮凝劑、提高水體硬度都無法改變難沉降這一現(xiàn)象。
4細(xì)泥含量對煤泥水沉降的影響
細(xì)泥含量高一直是選煤廠煤泥水處理中的難題，煤泥水中細(xì)煤泥的量是影響溶液粘度的主要因素，細(xì)泥量越大，溶液粘度越大，煤泥越不易沉降［12］。將濃縮機(jī)入料干煤泥通過320網(wǎng)目的篩子進(jìn)行濕篩、恒溫烘干后將篩上物和篩下物分別裝袋以備使用。將濕篩后的樣品按照一定比例摻配，此處以細(xì)泥含量表示，如細(xì)泥比例為20%是指加入－0.045mm的細(xì)泥同時加入80%的+0.045mm粗煤泥后混合而成的煤泥樣品，將其混合均勻配成一定固體含量煤泥水進(jìn)行沉降試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果說明在固體含量相同的煤泥水中細(xì)泥量越大，依靠自然沉降來澄清煤泥水就越困難，細(xì)泥含量越高，濁度受固體含量的影響越明顯。為了考察細(xì)泥含量對不同固體含量煤泥水絮凝沉降的影響，本試驗(yàn)分別配置固體含量為20g/L、80g/L、150g/L的煤泥水，細(xì)泥量取0、20%、40%、80%，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出:細(xì)泥含量較低時沉降效果較好，當(dāng)細(xì)泥量增大到40%時，煤泥水沉降效果明顯下降。
5pH值對煤泥水沉降的影響
1)單一絮凝劑條件下pH值對煤泥水絮凝沉降的影響。為了了解pH對煤泥水絮凝沉降的影響規(guī)律，在單一絮凝劑作用下，對固體含量分別取20g/L和150g/L的煤泥水進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，pH取4、5、6.5、7.5、9.5。沉降曲線如圖4所示，可以看出20g/L煤泥水比150g/L的煤泥水更容易受pH變化的影響，且酸性煤泥水比堿性煤泥水沉降效果好，隨著pH的增大綜合指標(biāo)降低，當(dāng)pH大于6.5后沉降效果急劇變差。這說明在單一使用絮凝劑條件下，即使在煤泥水濃度很低的條件下，pH值對沉降的效果影響很明顯。2)凝聚劑用量對不同pH煤泥水絮凝沉降的影響。固體含量為100g/L的煤泥水溶液，用NaOH和稀HCl溶液調(diào)節(jié)煤泥水pH=3和pH=11，先加凝聚劑后加絮凝劑進(jìn)行沉降試驗(yàn)，其中凝聚劑使用5%的氯化鈣溶液，絮凝劑用量取200g/t，研究不同凝聚劑用量對沉降效果的影響(見表3):可以看出煤泥沉降各個指標(biāo)在堿性溶液中比在酸性溶液中要好，而隨著凝聚劑用量的增大酸性溶液中煤泥沉降的綜合指標(biāo)越來越差，而堿性溶液中煤泥沉降的綜合指標(biāo)越來越好。綜上可知，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)溶液的酸堿度來選擇合適的藥劑制度。
正交試驗(yàn)
通過對各個單因素的試驗(yàn)結(jié)果看，固體含量，煤中細(xì)泥含量，水的溶液化學(xué)條件(包括水質(zhì)硬度和pH值)都對煤泥水沉降效果產(chǎn)生顯著影響。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design－Expert7.0對以上因素對煤泥水的絮凝沉降效果影響做定量、系統(tǒng)的研究，形成對煤泥水絮凝過程的總體認(rèn)識。
1確定因素和水平
1)考察因素包括:煤泥水固體含量、細(xì)泥含量、水質(zhì)硬度、溶液pH值和絮凝劑用量。2)水平的確定:固體含量的范圍取40～150g/L，煤泥水正常的pH值范圍是6.5～9.5，但在實(shí)際過程中酸性礦井水的添加，或堿性凝聚劑的添加都可能使pH值超出這個范圍，為了試驗(yàn)結(jié)果具有更廣泛的參考意義，以下試驗(yàn)取pH值為4.0～11.0。鈣離子固體含量取100～1000mg/L硬度為4～14°DH。試驗(yàn)5個因素，每個因素取4個水平，所以選用L16(45)正交表可以滿足試驗(yàn)安排要求。使用軟件中TaguchiOA模塊進(jìn)行正交試驗(yàn)。
2正交試驗(yàn)結(jié)果與分析
表4、表5分別為上清液濁度和沉降速度的試驗(yàn)結(jié)果方差分析，可以看出對上清液濁度影響最為顯著的是因素C鈣離子濃度，溶液酸堿度次之，其P值為0.0067和0.0255，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5，影響分別為高度顯著和顯著;同理，對沉降速度影響最為明顯的煤泥水固體含量，絮凝劑用量次之。在所選水平范圍內(nèi)從沉降速度指標(biāo)來看各個影響因素的最佳組合:固體含量為40g/L(水平內(nèi)最小值)，細(xì)泥量為20%(水平內(nèi)最小值)，水中鈣離子含量為300mg/L(42°DH)，pH值為5.5，絮凝劑用量為300g/t(水平內(nèi)最大值);從上清液濁度指標(biāo)來看各個影響因素最佳組合為:固體含量為40g/L(水平內(nèi)最小值)，細(xì)泥量為20%(水平內(nèi)最小值)，水中鈣離子含量為1000mg/L(水平內(nèi)最大值)，pH值為4(水平內(nèi)最小值)，絮凝劑用量為300g/t(水平內(nèi)最大值)。回歸分析表明，五種因素對兩個指標(biāo)的影響不存在交互作用，因素之間符合線性方程式，公式表示如下:上清液濁度=98.68+0.54×固體含量－0.21×細(xì)泥量－0.23×鈣離子含量+22.69×pH+0.01×絮凝劑用量(1)沉降速度=23.86－0.18×固體含量－0.13×細(xì)泥量－0.001×鈣離子含量+0.67×pH+0.044×絮凝劑添加量(2)為了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，另取桃園選煤廠正常生產(chǎn)條件下的一段濃縮池入料，通過烘干試驗(yàn)測量固體物含量為86g/L，通過小篩分試驗(yàn)測得細(xì)泥量為66.93%，用酸堿滴定試驗(yàn)測得該煤泥水樣品的鈣離子含量為85.2mg/L，用pH試紙測得其pH值為7.5，中性偏堿。該選煤廠現(xiàn)場使用的絮凝劑為聚丙烯酰胺，用量為200mg/L對該樣品做煤泥水絮凝沉降試驗(yàn)，測得上清液濁度和沉降速度分別為288.7NTU和13.7cm/min。將絮凝沉降試驗(yàn)中五個影響因素的值代入式(1)和(2)得到上清液濁度和沉降速度的計(jì)算值分別為283.6NTU和13.4cm/min，試驗(yàn)得到的兩個指標(biāo)實(shí)際值與模型計(jì)算出的實(shí)際值相差1.75%和2.05%，表明建立的上清液濁度和沉降速度模型具有很高的準(zhǔn)確性。
