【委员风采】这两种煤泥水“浓缩新工艺”，值得您了解！ / 开普饭

编者按

煤炭工业技术委员会作为行业最具权威的参谋咨询机构，聚集了全行业一流的科技专家和学科带头人，得到了原煤炭部、煤炭局历任领导的高度重视，在煤炭工业改革发展中发挥了重要作用，是推动行业科技进步的智囊团，是行业人才培养的摇篮，是推动煤炭工业创新发展的重要驱动力。

第三届煤炭工业技术委员会选煤专家委员会由37位委员组成，他们对选煤都有专业的技术眼光、先进的实践方案和优化的解决措施。作为选煤行业第一自媒体品牌，“五六选煤”之前陆续发布了部分委员的精彩观点，受到了选煤同仁的肯定和好评。为了促进选煤技术交流，“五六选煤”特开辟【委员视角】栏目，继续选取部分委员的精彩观点予以发布，请大家持续关注。

本文作者谢广元系

中国矿业大学化工学院院长。

湿法选煤生产是一个连续过程必然会产生大量的煤泥水。浓缩机广泛应用于选煤厂的煤泥水澄清。随着采煤机械化程度的提高以及选煤工艺由跳汰向重介的转变，煤泥水中固体含量和细泥含量大大提高，常规浓缩设备与工艺很难保证浓缩效果而使循环水浓度变高。对重选环节而言，洗水浓度直接影响到细粒矿物按密度分层，洗水浓度高，细粒矿物分层效果差；对浮选环节来说，洗水浓度高，粘度大，高灰矿物质黏附在浮选精煤的表面影响精煤灰分。为保证最终精煤灰分，重选和浮选环节只能牺牲回收率，从而造成资源的浪费和企业经济效益的损失。

因此，如何实现煤泥水高效浓缩的问题已是迫在眉睫。本文围绕如何提高浓缩机沉降效果，对浓缩流程做了一些基础性研究，并通过试验考察新型浓缩工艺的浓缩沉降效果，为生产现场解决日益突出的洗水浓度增高问题提供了新思路。

1、试验系统及方法

煤泥水中颗粒沉降时的阻力可以按斯托克斯公式计算，一般形状颗粒在水中自由沉降速度的表达式为：

可见，浓缩时颗粒的沉降速度主要与颗粒粒度、密度、形状及固体容积浓度有关，粒度及固体容积浓度相对于颗粒密度、形状等物理性质容易改变和控制，本文通过增大浓缩时的粒度和减小固体容积浓度来增大颗粒的沉降速度，提高沉降效果。

对于目前煤泥水澄清存在的问题，传统解决方法是改进浓缩机给料井的结构以降低入料流速，或通过加设倾斜板或尾煤浓缩机来增加有效沉降面积，但效果不明显，且增建尾煤浓缩机的基建投资高、占地面积大。本文是基于不过多增加新的基建投资，达到改善现有浓缩系统的浓缩效果。

利用高分子絮凝剂的架桥作用来增大颗粒的粒径；利用紊流流体质点间相互碰撞的原理设计高效絮凝剂混合系统；自制混合装置内的折流及浓缩机中心传动轴上的搅拌叶片的低速搅拌作用使煤泥水与絮凝剂进行充分混合以使药剂的作用能得到发挥；给料井末端采用放射状的喇叭状来降低流速，并且由３层圆台组成，这样既可以像倾斜板一样增加沉降面积又能吸收来料的能量使流速降低，同时还会切割来料使浓缩机内物料的分布更加均匀，以减少给料井出口处的固体容积浓度。

从流程优化的角度出发，煤泥水进入浓缩机前先进入水力分级浓缩旋流器进行浓缩，通过底流口直径的改变调整旋流器底流浓度，根据底流浓度的范围进行分级浓缩及两段浓缩。分级浓缩：旋流器的底流浓度达不到压滤入料浓度要求时，将旋流器溢流与絮凝剂混合作用后给入浓缩机，底流与絮凝剂混合后给入浓缩机内旋流器溢流絮团的上方，使粗颗粒絮团对细粒有过滤作用，来改善细粒沉降的环境，防止细颗粒进入溢流水中而恶化浓缩效果；两段浓缩：旋流器的底流浓度达到压滤机的入料浓度要求，将旋流器溢流与絮凝剂混合作用后给入浓缩机，旋流器底流则直接作为压滤机入料，这样可降低浓缩机入料的固体容积浓度也可以在一定范围内减小出口流速，从而减少颗粒间干扰沉降的影响，而使细颗粒有机会沉降到浓缩机底部。

构建的新型煤泥水浓缩沉降试验系统如图１，其主要设备分为两类：一类为浓缩机入料准备装置，包括搅拌桶、衬胶泵、水力分级浓缩旋流器等；另一类是浓缩机系统，包括给料井及浓缩池体等。高效浓缩机装置的直径为1800mm，底部锥角外部为120，中心处为600，总深度为1800mm。浓缩机给料井上部为圆筒，下部为放射的喇叭状，并且由３层圆台组成。浓缩机搅拌轴的中上部有４组共１２根搅拌叶片（为了减少剪切叶片均为棒状），随搅拌轴一起转动使絮凝剂作用更加均匀。

自制了絮凝剂制备、储药罐及柱塞泵药剂添加系统，以克服聚丙烯酰胺在水中溶解较难的问题。为抑制浓缩机中的气泡对细粒沉降的影响，自制了消泡系统，使旋流器溢流在折流中将所带气泡彻底有效脱除。水力分级旋流器直径为75mm，处理量为2-5m3/h，最大给料粒度为0.6mm，底流口有５种规格，分别为3,6,8,10和１２mm。图示工艺系统中，旋流器底流有两种去向：虚线部分表示去分级浓缩试验系统，实线部分表示去两段浓缩试验系统。

2、结果与讨论

煤样从现场采集，该煤泥的密度为1.63g/m3,其粒度组成见表１，该煤泥的主导粒级为-0.045mm，产率37.19%，灰分50.95%，粗粒级含量相对较低；高灰细泥在浓缩沉降时易随溢流进入循环水，影响浓缩效率，该煤泥较难沉降。

在煤炭工业技术标准中规定，综合评定浓缩作业的效果好坏的指标为浓缩效率ηn,并且将底流固体回收率εd作为评定浓缩效果的辅助指标。回收率εd虽然能够反映浓缩作业的性能,但其不能够直接表现出溢流水量和它的实质,只有当底流浓度处于合适范围时,底流固体回收率才会越大越好,因此εd值要配合浓缩效率来综合评定浓缩设备的效果。

2.1煤泥水絮凝沉降

将试验所需的絮凝剂聚丙烯酰胺配制成浓度为0.1％的溶液，取６组配制好的30,40和50g/Ｌ的煤泥水,分别按2,4,6,8,10,16g/m3絮凝剂添加量进行试验，根据试验结果绘制出各浓度煤泥水在不同药剂耗量下的沉降曲线，见图２，图中各条曲线的斜率即是其对应的沉降速度。

煤泥水浓度为30g/Ｌ时，沉降速度先随絮凝剂用量的增加而增大，到10g/m3时达到最大值，而后随絮凝剂用量的增加略有减小。

煤泥水浓度为40g/Ｌ时，沉降速度先随絮凝剂用量的增加而增大，到8g/m3时达到最大，而后随絮凝剂用量的增加而略有减小；煤泥水浓度为40g/Ｌ时，沉降速度随絮凝剂用量的增加而增大，到8g/m3时沉降速度达到极值，而后又随絮凝剂用量的增加先减小而后有所增加，到16g/m3时达到最大。

在最佳的絮凝剂用量下，分别进行传统浓缩试验、分级浓缩试验及两段浓缩试验。

2.2传统浓缩

煤泥水经搅拌桶搅拌后，由衬胶泵打入文丘里流量计，用计量泵将药剂打入药剂混合装置，使煤泥水和药剂充分混合，然后将煤泥水给入浓缩机给料井，在浓缩机的中心传动轴上的搅拌叶片的作用下，煤泥水与药剂进一步混合均匀，经给料井末端的放大口流入浓缩机，经架桥作用后的絮团迅速沉降到浓缩机底部，由耙子进一步挤压脱水后刮入底流收集锥，最后由浓缩机底流口排出，溢流则经溢流堰流入溢流收集槽。根据表２的试验条件，分别进行相应操作制度下的９组试验，结果见表３。

由表３可知，在传统浓缩机上，试验煤泥在入料浓度较低时浓缩效率较好，入料浓度为50g/Ｌ时效果最差。究其原因是：流量一定时，入料浓度低时，入料中煤泥含量少，浓缩效率也不高，以适中的入料浓度为最宜。在入料浓度为30g/Ｌ和40g/Ｌ时，给料量为2.2m3/h、絮凝剂用量为12g/m3时的浓缩效率最高,分别为63.07％和63.92％,而在入料浓度为50g/Ｌ时,进入浓缩机的物料多，固体容积浓度增大，2.0m3/h、药剂耗量为8g/m3时，浓缩效率最高为59.66％。入料浓度为30g/Ｌ与40g/Ｌ时都是中间流量时的浓缩效果最好，其原因是流量大时浓缩机的固体容积浓度较高，干扰沉降速度变缓而使一部分来不及沉降的细颗粒混入溢流；流量小时进入浓缩机中的固体颗粒少，溢流中的细颗粒含量降低，但底流中的固体颗粒亦少，总的浓缩效率降低。入料浓度较高时，出口流速高更易对待沉降的煤泥造成干扰，且高浓度大流量时给料井附近的固体容积浓度增大，使沉降速度降低而导致浓缩效果变差，因而在浓度为50g/Ｌ时小流量时浓缩效果最好。

2.3分级浓缩

煤泥水由搅拌桶搅拌后，经文丘里管进入水力分级浓缩旋流器进行浓缩，溢流进入消泡槽，底流进入絮凝剂混合装置，用计量泵将药剂也给入其中，使煤泥水与药剂充分混合，最后将旋流器底流给入给料井的上部；同时，将一部分药剂给入旋流器溢流，并将溢流分三路均匀给入到给料井的下部，在这里与混有絮凝剂的底流产物作用。旋流器的底流、溢流均经给料井末端的放大口流入浓缩机，经架桥作用后的粗粒絮团由于粒径增大且絮凝剂还有一部分剩余官能团，对溢流产品有一个过滤作用，进一步形成大的絮团后迅速沉降到浓缩机底部由底流口排出，溢流则经溢流堰流入溢流收集槽。根据传统浓缩试验所得的最优条件设计分级浓缩试验表，试验方案见表４试验结果见表５。

由表５可知，不同底流口下，浓缩效率都在60％以上，先随底流口的增大而增大，到８ｍｍ时浓缩效率达到最大，而后又随底流口的增大而减小。底流口直径为3,6mm的浓缩效果不如8mm的原因是：旋流器底流口的减小会使底流量相应减少，此时会出现药剂相对过量而使药剂分子间发生相互作用，过剩的药剂将颗粒包裹在药剂团中，无法与其他颗粒进行絮凝，使一些细粒颗粒因为无法被絮团截留而浓缩效率下降。当底流口直径增大为10mm和12mm时，底流中的夹细现象变得更加严重，这些夹杂细粒的底流与药剂发生架桥作用后给入浓缩机，导致粗粒絮团对絮团内细粒的截留作用减弱，从而使一部分细粒随着上升水流进入溢流，浓缩效果变差。

2.4两段浓缩

煤泥水由搅拌桶搅拌后，经文丘里管给入水力分级浓缩旋流器进行浓缩，溢流经消泡槽消泡后给入絮凝剂混合装置，絮凝剂用计量泵给入，絮凝剂与溢流混合架桥作用后给入给料井；旋流器底流进入底流收集槽，直接作为压滤机入料。浓缩机的底流由底流口排出，溢流则经溢流堰流入溢流收集槽。试验时取传统浓缩机浓缩效率及底流固体回收率最高的一组条件作为试验条件，同时考虑到二段浓缩是仅使旋流器的溢流进入浓缩机所以药量应该相应减少些，故定其试验条件为煤浆浓度为40g/L，处理量为2.2m3/h，药剂耗量为8g/m3，以底流口直径为因素分别以其５种不同底流口规格为水平如表６所示的试验表进行两段浓缩试验。结果见表７。

底流口直径为10和12mm时，旋流器底流浓度未达到压滤要求而未列入表７。由表７可知，３组试验的浓缩效率都达到65％以上，底流口直径6mm时，浓缩效率最高可达68.23％。

两段浓缩的试验效果优于分级浓缩及传统浓缩的最优效果，其原因是：两段浓缩仅让旋流器的溢流进入浓缩机，这样在总的入料量相同的情况下，浓缩机给料井出口流速会大大降低，来料对已沉降煤泥的干扰小，并且在给料井出口附近的固体容积浓度显著减小，使细粒煤泥的沉降环境得到改善，溢流中的固体含量降低而使浓缩效率得以提高。底流口直径为3mm时的浓缩效果比底流口直径为6mm差，其原因是：底流口直径小使溢流量变大，进入浓缩机后给料井出口处流速相对变快而对已沉降的煤泥有干扰，同时使给料井附近的固体容积浓度相对变大从而浓缩效率有所降低。底流口直径为8mm时的浓缩效果比底流口直径为6mm时差，其原因是：旋流器溢流量的减少造成絮凝剂相对过剩，导致过量的药剂将煤粒包裹住，使煤泥颗粒之间不能有效架桥沉降速度不能有效提高。

3、结论

1）以传统的浓缩机为基础，引入新型絮凝剂与煤浆的混合系统，改进了浓缩机给料井的结构形式，利用水力分级浓缩旋流器先对煤泥水进行浓缩，通过底流口直径的改变调整旋流器底流浓度，根据底流浓度的范围进行分级浓缩及两段浓缩。

2）新型两段浓缩工艺的浓缩效率最高可达68.23％，分级浓缩效率最高为66.32％，而传统浓缩效率最高仅为63.92％，两段浓缩工艺沉降效果,明显优于传统浓缩工艺的效果。

3）两段浓缩的试验效果优于传统浓缩和分级浓缩，主要原因是两段浓缩使细粒煤泥的沉降环境得到改善，从而强化细粒的沉降。

（编辑：小六）

五六专供

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