煤泥水处理加药点位置选择分析
0 引 言
煤泥水处理是大多数选煤厂运营的关键，也是运营的难点，针对煤泥水处理过程中遇到的问题，学者做了大量研究，但大多集中在凝聚剂和絮凝剂类型、加药次序、时间间隔、加药点多少及加药方式等方面，而忽略了煤泥水与药剂的混合问题，因试验条件与实际生产条件存在巨大差异，制定药剂制度所实际发挥的效果有限。
目前，为保证煤泥水与药剂充分混合，有关合理加药点科学选择的研究较少，白龙等[1]对阴阳离子加药次序及加药时间进行分析，结果表明，先加阴离子后加阳离子时效果最好，阴阳离子同时加药时效果较差，先加阴离子后加阳离子时效果最差；田华雷和王进荣[2]以难沉降煤泥水为研究对象，以沉降速度、澄清液透明度、压缩层体积为综合指标，通过试验分析了阴阳离子加药次数和加药时间间隔对煤泥水沉降的影响，结果表明，阴阳离子多次加药效果好于单次加药效果，加药时间间隔应根据试验结果决定，具体加药点应结合煤泥水速度确定；为解决入选原煤质量波动大、煤泥水系统不稳定、煤泥水处理较差的问题，陶亚东等[3]通过工业试验，选取太原理工大学研制的新凝聚剂和絮凝剂、絮凝剂在浓缩池入料管道上增加1～2个加药点等方式，有效解决了煤泥水处理效果差的问题，并且凝聚剂用量减少了33.33%、絮凝剂用量减少了近50%；针对煤泥水难沉降、浓缩池澄清层薄的问题，何创库等[4]采用了阴离子在浓缩池入料管道上增加1～2个加药点、阴阳离子加药点距离由3 m增加到6 m、使用新型聚合氯化铝铁，及将人工加药系统改造为加药量与入选量、浓缩池扭矩相关联的智能加药系统等措施，达到了降低药剂成本、增厚浓缩池澄清层(由1 m提高到3 m以上)的目的。通过综合手段可降低药耗、增加经济效益，但受其他因素的影响，并不能得出在浓缩池入料管道上加药具有合理性的结论。
大柳塔选煤厂是隶属于国家能源神东煤炭集团洗选中心下处理量34 Mt/a特大型选煤厂，入选活鸡兔矿井和大柳塔矿井2个矿的原煤，目前，跳汰、末煤一期、末煤二期入选活井原煤，重介浅槽工艺入选大井原煤，各有一套药剂制备添加浓缩煤泥水处理系统，使用凝聚剂为聚合氯化铝(PAC)、絮凝剂为阴离子型聚丙烯酰胺(PAM)，2种药剂必须与煤泥水充分混合才能发挥效果，但现场存在加药点选取较为随意、缺乏理论依据的问题[1，3]，笔者从大柳塔选煤厂工艺流程、煤泥水难沉降原因及阴阳离子作用机理分析出发，分析煤泥水与药剂混合的重要性，通过理论计算判定煤泥水回流浓缩池各主要管段流态的基础上，指出合理的加药点位置，为加药点的选取提供理论依据。
1 工艺流程及矿物组成对煤泥水性质的影响
1.1 工艺流程对煤泥水性质的影响
工艺流程不同，煤泥水浓度、黏度、处理难易程度等不同。目前活鸡兔矿井原煤入选方式为：块煤经跳汰分选出矸石、中煤、精煤，矸石由斗式提升机脱水后汽运排出，中煤经斗式提升机脱水后再由胶带机输送至热电厂发电，精煤经双层香蕉筛脱水，块煤由破碎机破碎后至精煤仓，末煤由精煤离心机脱水后也至精煤仓，筛下经角锥沉淀池沉淀，溢流回流浓缩池，底流由泵送至分级旋流器分级，溢流进入浓缩池，底流经弧形筛、煤泥离心机脱水后掺入混煤，筛下水和离心液回浓缩池，浓缩池底流由加压过滤机或隔膜式板框过滤机过滤脱水，煤泥掺入混煤；末煤全入选，经2套末煤系统经脱泥后由两产品重介质旋流器分选，精煤由脱介筛脱介脱水，再由精煤离心机脱水后进入产品仓，矸石经矸石脱介筛脱介脱水后排出系统，煤泥经一段分级旋流器分级，溢流进入浓缩池，底流由螺旋分选机分选，精煤由二段分级旋流器分级，溢流回流至煤泥桶(末煤一期)或进入浓缩池(末煤二期)，底流经弧形筛煤泥离心机脱水后掺入精煤或混煤，筛下水和离心液回流精煤泥桶，螺旋分选机矸石尾矿经固定筛弧形筛脱水后再由高频筛脱水排出(末煤一期)或直接由高频筛脱水排出(末煤二期)，筛下回流矸石桶(末煤一期)或进入浓缩池(末煤二期)，浓缩池底流由加压过滤机或隔膜式板框过滤机脱水后掺入混煤。大柳塔矿原煤入选方式为：块煤经脱泥后由重介浅槽分选，精煤经双层脱介筛脱介脱水，上层块煤进入或经破碎机破碎后进入精煤仓，下层经精煤离心机脱水后进入精煤仓或混煤仓，煤泥经分级旋流器分级，溢流进入浓缩池，底流经弧形筛煤泥离心机掺入混煤，筛下水和离心液回流煤泥桶，浓缩池底流经加压过滤机或隔膜式板框过滤机脱水后掺入混煤；末煤进入混煤仓。
从上述工艺流程可知，跳汰、浅槽重介分选工艺系统，因选前脱出大量末煤，煤泥水浓度黏度相对较低，末煤系统工艺因含有大量细粒级煤泥，且利用重介质旋流器分选、两段分级旋流器分级，产生大量次生煤泥，末煤系统煤泥水浓度黏度相对较高，因此，就煤泥水与药剂混合，跳汰、浅槽重介分选工艺比末煤重介质旋流器分选工艺容易。
1.2 矿物组成对煤泥水性质的影响
若煤泥水中矿物易泥化，在很大程度上会导致煤泥水处理难度增加，对大柳塔矿和活鸡兔矿煤泥水中<0.5 mm煤泥利用X射线进行了矿物组成考察，结果如图1所示，由图1可以看出：<0.5 mm 粒级的细泥中主要矿物为石英，其次为高岭石、蒙脱石、黄铁矿，白云母、斜绿泥石和方解石相对含量较少，其中高岭石和蒙脱石在水中浸泡或搅拌极易泥化成微细颗粒[5]，煤泥水具有难沉降特性[6-7]。
图1 大柳塔矿和活鸡兔矿煤泥水<0.5 mm矿物组成
Fig.1 <0.5 mm mineral composition of slime water in Daliuta mine and Huojitu mine
2 煤泥水与药剂充分混合重要性分析
煤泥水因含有大量细粒级高岭石、蒙脱石等黏土矿物，细粒级矿物沉降速度极低，并且粒度越小受到布朗运动的影响就越大，不易沉降；另外黏土矿物因晶格缺陷或晶格取代导致矿物表面荷负电，荷负电颗粒之间相互排斥，颗粒之间范德华引力和颗粒碰撞不足以克服斥力，大量荷电颗粒形成稳定状态的胶体。对该体系稳定性解释最成熟的是EDLVO理论，依据该理论，在煤泥水体系中界面极性力对煤泥水的稳定起决定作用，颗粒之间是稳定分散还是凝聚沉降取决于引力和斥力之间的大小[8-9]。
煤泥水中颗粒表面一般荷负电，加入阳离子凝聚剂会减小颗粒荷电量，使引力成为主导，形成聚团，聚合氯化铝作为一种无机高分子凝聚剂，若煤泥水与聚合氯化铝混合不充分，聚合氯化铝不能与煤泥水中颗粒充分接触碰撞，药效就不能充分发挥[10]；另外，实际生产仅使用一种凝聚剂往往不足以让煤泥水细颗粒有效沉降，还必须有絮凝作用，一般絮凝剂是有机高分子化合物，聚丙烯酰胺作为常用絮凝剂，在水中溶解较慢，并且溶液黏度较大，不易扩散，而有研究表明，药剂与煤泥水混合不充分，煤泥水沉降效果较差，药剂与煤泥水在径向流场比在轴向流场和混合流场中的混合效果好，且相较于药剂用量流场类型对煤泥水沉降起更大作用，可见药剂与煤泥水混合均匀非常重要[11-13]。
3 煤泥水不同输送环节流态分析
由于煤泥水难沉降特性，可视煤泥水为均一流体，煤泥水在管道中流态分可为2种：层流和湍流，层流是煤泥水流动时各个流体质点之间互不干扰，仅向一个方向流动的状态，湍流是煤泥水流动时各个质点相互干扰、相互混掺，向各个方向均有运动的流动状态，煤泥水在管道中流动状态的判定依据是雷诺数，雷诺数Re由煤泥水密度、流速、满管流管直径或非满管流水力半径、煤泥水动力黏性系数确定，其表达式为
Re=ρVD/μ,
式中，ρ为密度，kg/m3；V为平均流速，m/s；D为满管流管直径或非满管流水力半径，m；μ为动力黏性系数，Pa·s。
雷诺数Re是一个无量纲数，以其大小判定层流或湍流，选煤厂中管道管壁较粗糙，满管流时，雷诺数Re<2 000为层流，2 000<Re<4 000为层流湍流过渡区，Re>4 000为湍流，明渠时，雷诺数Re<500为层流，Re>500为湍流[14]。
由层流和湍流特点可知，药剂加在层流煤泥水管道上，药剂和煤泥水混合不充分，加在湍流管道上混合效果比在层流管道上好。添加药剂后，药剂与煤泥水充分混合才能起到最佳效果，而选煤厂加药后一般无机械搅拌设备，仅靠煤泥水自身流动达到与药剂的混合，因此，加药点应选在煤泥水流较剧烈的湍流中。
3.1 浓缩池入料管中煤泥水流态分析
要计算浓缩池入料管煤泥水流态，首先利用进入浓缩池煤泥水的小时流量和浓缩池管径，计算出煤泥水平均流速，并且煤泥水密度一般在1 050 kg/m3以下，煤泥水黏度与浓度、粒度组成、矿物组成等有关，一般在0.001 1 Pa·s以下，密度提高5%，黏度增大10%以上，密度的升高程度小于黏度的增大程度[15-16]，因此利用浓度最大煤泥水计算下限雷诺数，另外鉴于浓缩池入料浓度不高时煤泥水密度和黏度与水相近，计算雷诺数时煤泥水密度和黏度均以20 ℃水的密度和黏度计算，作为煤泥水浓度最低时上限雷诺数。
利用雷诺数计算公式，计算活井、末煤一期、末煤二期、大井浓缩池入料管煤泥水雷诺数，判定流态，结果见表1，由表1可知，活井、末煤一期、末煤二期、大井浓缩池入料管煤泥水雷诺数均小于2 000，流态均为层流。
表1 浓缩池入料管煤泥水流态
Table 1 Slime water flow pattern of concentration pool feed pipeline
3.2 缓冲池入料管中煤泥水流态分析
因活井、末煤一期、末煤二期、大井煤泥水在回流缓冲池的管道中不是满管流，应利用水力半径计算雷诺数，另外，活井和末煤一期有2个浓缩池，1个缓冲池，故进入缓冲池流量是浓缩池的2倍，末煤二期、大井缓冲池和浓缩池均1个，计算结果见表2，由表2可知，活井、末煤一期、末煤二期、大井缓冲池入料管煤泥水雷诺数均大于500，流态均为湍流。
表2 缓冲池入料管煤泥水流态
Table 2 Sime water flow pattern of buffer pool feed pipeline
4 存在的问题及建议
目前，大柳塔选煤厂聚合氯化铝和聚丙酰胺加药点位置见表3，由表3可知，聚合氯化铝加在缓冲池入料管道上或在缓冲池中，聚丙烯酰胺除活井在缓冲池内加药外，末煤一期、末煤二期、大井均在浓缩池中心稳流桶中有加药点，此外在浓缩池入料管道上也均有1～2个加药点。
表3 加药点位置
Table 3 Dosing point situation
从上述各系统煤泥水进入缓冲池、浓缩池流态看，进入浓缩池的煤泥水为层流，不宜把加药点设置在该段管道上，因浓缩池为加药后的煤泥水提供良好的沉降环境，浓缩池中心的稳流桶水流一般较为平缓，也不宜把大量的药剂加在稳流桶中；加药点应设置在煤泥水流动较为剧烈的缓冲池入料管、缓冲池入料出口处、缓冲池到浓缩池管道转弯处等存在煤泥水湍流流动的位置。
另外，加药点具体位置，还应根据具体试验决定，现场适合的加药点位置有限，应合理分配聚合氯化铝和聚丙烯酰胺的加药点，聚丙烯酰胺与煤泥水混合比聚合氯化铝困难，应该增加聚合氯化铝与煤泥水混合的时间，最好的方法应在缓冲池与浓缩池入料管道之间设置混合池或箱，提供煤泥水与药剂充分混合的条件，也可以增加管道混合器等。
5 结 论
1)凝聚剂絮凝剂与煤泥水作用机理要求充分的混合才能发挥药效，加药点的科学选择，应根据煤泥水的流态确定。
2)鉴于缓冲池入料管道流态为湍流，利于药剂与煤泥水混合，适合作为加药点，而浓缩池入料煤泥水流态为层流，不利于药剂与煤泥水混合，不适合作为加药点。
3)在缓冲池与浓缩池入料管道之间应设置混合池或箱，或增设管道混合器等提供煤泥水与药剂充分混合的条件，新建浓缩池应充分考虑煤泥水与药剂混合，不应把加药点简单选定在浓缩池入料管道上。
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Analysis on position selection of dosing point in slime water treatment
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ZHANG Lei,SHI Yawen,KANG Xuegang.Analysis on position selection of dosing point in slime water treatment[J].Clean Coal Technology，2021,27(6):207-211.
