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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中國礦業大學2賽鼎工程有限公司
單因素試驗
本試驗是為了研究在不同固體含量下達到最佳沉降效果的藥劑用量。在實際生產中煤泥水進入濃縮機的固體含量在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。從試驗結果可以看出,對于不同固體含量的煤泥水來說當藥劑用量在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
在實際生產中當生產條件惡化時,進入濃縮機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的煤泥水進行模擬惡化條件下的絮凝沉降試驗,在單位絮凝劑用量相同的條件下進行煤泥水沉降試驗,從試驗結果可以看出在相同的入料粒度組成及水質條件情況下,隨著煤泥水中固體含量的增大,綜合指標呈對數規律減小,在煤泥水濃度為200g/L時,綜合指標接近0,試驗現象表現為沉降速度很慢,清水層厚度極小。
3水硬度對煤泥水沉降的影響
硬度的實質是水中鈣鎂離子含量的體現,本試驗用CaCl2做為Ca2+來源,根據我國水質硬度等級標準,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算所需CaCl2溶液體積。試驗選用100mL量筒進行絮凝沉降試驗。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律。硬度與最佳藥劑量的關系如圖1所示。從圖1可以看出當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,在日常生產中應保證煤泥水的硬度達到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,當固體含量超過200g/L后受硬度影響越來越小,也就是說當固體含量大于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象。
4細泥含量對煤泥水沉降的影響
細泥含量高一直是選煤廠煤泥水處理中的難題,煤泥水中細煤泥的量是影響溶液粘度的主要因素,細泥量越大,溶液粘度越大,煤泥越不易沉降[12]。將濃縮機入料干煤泥通過320網目的篩子進行濕篩、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,此處以細泥含量表示,如細泥比例為20%是指加入-0.045mm的細泥同時加入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行沉降試驗。試驗結果說明在固體含量相同的煤泥水中細泥量越大,依靠自然沉降來澄清煤泥水就越困難,細泥含量越高,濁度受固體含量的影響越明顯。為了考察細泥含量對不同固體含量煤泥水絮凝沉降的影響,本試驗分別配置固體含量為20g/L、80g/L、150g/L的煤泥水,細泥量取0、20%、40%、80%,試驗結果如圖3所示。從圖3可以看出:細泥含量較低時沉降效果較好,當細泥量增大到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的煤泥水進行絮凝沉降試驗,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的增大綜合指標降低,當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溶液調節煤泥水pH=3和pH=11,先加凝聚劑后加絮凝劑進行沉降試驗,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越來越差,而堿性溶液中煤泥沉降的綜合指標越來越好。綜上可知,在實際生產中應根據溶液的酸堿度來選擇合適的藥劑制度。
正交試驗
通過對各個單因素的試驗結果看,固體含量,煤中細泥含量,水的溶液化學條件(包括水質硬度和pH值)都對煤泥水沉降效果產生顯著影響。通過正交試驗設計軟件Design-Expert7.0對以上因素對煤泥水的絮凝沉降效果影響做定量、系統的研究,形成對煤泥水絮凝過程的總體認識。
1確定因素和水平
1)考察因素包括:煤泥水固體含量、細泥含量、水質硬度、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,為了試驗結果具有更廣泛的參考意義,以下試驗取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安排要求。使用軟件中TaguchiOA模塊進行正交試驗。
2正交試驗結果與分析
表4、表5分別為上清液濁度和沉降速度的試驗結果方差分析,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,遠遠小于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。在所選水平范圍內從沉降速度指標來看各個影響因素的最佳組合:固體含量為40g/L(水平內最小值),細泥量為20%(水平內最小值),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(水平內最大值);從上清液濁度指標來看各個影響因素最佳組合為:固體含量為40g/L(水平內最小值),細泥量為20%(水平內最小值),水中鈣離子含量為1000mg/L(水平內最大值),pH值為4(水平內最小值),絮凝劑用量為300g/t(水平內最大值)。回歸分析表明,五種因素對兩個指標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×細泥量-0.001×鈣離子含量+0.67×pH+0.044×絮凝劑添加量(2)為了預測模型的準確性,另取桃園選煤廠正常生產條件下的一段濃縮池入料,通過烘干試驗測量固體物含量為86g/L,通過小篩分試驗測得細泥量為66.93%,用酸堿滴定試驗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,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算值分別為283.6NTU和13.4cm/min,試驗得到的兩個指標實際值與模型計算出的實際值相差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確性。